本文節選于《碳中和背景下我國空調系統發展趨勢》第三章 碳中和背景下我國空調系統技術發展路線　　

　　作者：李先庭；趙 陽；魏慶芃；逄秀鋒；陳煥新；張小松；謝曉云；路 賓；羅 彬；徐宏慶；劉 宇。

　　

　　1、空調系統運行過程降低碳排放的主要原則　　

　　1）降低負荷側冷熱需求，并顯著提高空調系統能效。當前我國空調系統運行過程中的碳排放已達9.9億t二氧化碳，如果不能顯著降低空調系統冷熱需求并提高空調系統能效，則未來碳排放量還可能進一步增加，這將嚴重影響我國碳中和目標的實現。　

　　2）提高空調系統電力“柔性”，降低用電碳排放因子。一方面，充分發揮空調系統中的蓄冷蓄熱體，主動錯峰并消納可再生能源電力；另一方面，利用空調系統與被控環境及建筑物的熱慣性，調整送風溫度、進水溫度、蒸發溫度等參數，在滿足室內環境基本要求的前提下，在電力高峰期有效降低用電量。　　

　　3）減少氫氟碳化物的充灌量，降低空調系統制冷主機或熱泵主機運行、維修、維保和拆除過程中制冷機泄漏和避免排放。大力發展與推廣制冷劑替代技術，并逐步淘汰現有氫氟碳化物設備。　　

　　4）推動全面電氣化，將空調系統的直接碳排放降低至零。在有條件的地區或實際工程中，以各種適宜的電驅動熱泵技術替代燃煤、燃氣、燃油鍋爐等。將燃燒化石燃料和具有較大碳排放的直燃型吸收式制冷系統替換為高效電驅動冷水機組等。　　

　　5）研發和推廣智能化技術，提高運行維護精細化程度。充分發揮空調系統運行數據價值，挖掘出實時運行中存在的異常、故障和能源浪費等問題，為進一步自動化提供改進建議和實時運行參數優化建議，乃至直接接管系統調度運行。　　

　　6）建立完善的標準與政策體系，并降低其實施難度。建立限制空調系統全壽命周期碳排放設計要求與問責機制的相關標準。

　　

　　2、面向碳中和的空調系統重點技術

　　1、降低空調系統負荷相關技術　　

　　1）降低圍護結構負荷。　　

　　新型保溫材料。高性能保溫材料，如氣凝膠保溫材料及真空隔熱板，其導熱系數可低至0.004 W/(m·K)，用于建筑保溫將大大減少通過圍護結構的傳熱。例如，SiO2氣凝膠可以制作出新型氣凝膠墻板、氣凝膠氈、氣凝膠涂料和氣凝膠砂漿混凝土等保溫性能優異的新型建筑墻體保溫材料，在建筑墻體保溫隔熱領域有著廣闊的應用前景。真空隔熱板的導熱系數只有0.002～0.004 W/(m·K)，僅用很薄的真空隔熱板保溫墻體就能達到低能耗的標準。

　　

　　可變性能圍護結構。室外氣象參數全年不斷變化，理想的圍護結構應能夠順應室外變化改變物性實現節能。在寒冷季節能夠增強保溫性能，允許更多太陽輻射進入室內；在熱濕季節能夠減少外界高溫高濕向室內傳遞，并減少太陽輻射進入室內；在過渡季節能夠有利于室內熱量散出。例如，相變材料墻體能夠改變建筑的熱惰性，減少室外溫度波動對室內溫度的影響。電致變色玻璃可以動態改變窗戶的特性，從而優化照明與得熱。

　　

　　利用自然能源的新型圍護結構。利用自然能源去除圍護結構負荷，甚至去除部分室內負荷，例如嵌管式墻體、嵌管式窗戶、水流窗、蒸發冷卻墻、天空輻射膜等。嵌管式墻體采用類似輻射地板的方式，將管道嵌入外墻中，在夏季和冬季分別將自然環境中采集到的冷卻水和低溫熱水送入嵌管式墻體中。蒸發冷卻墻通過外墻上冷卻水的蒸發，降低墻表面的溫度。嵌管式窗戶在雙層窗戶中間將遮陽百葉串在水管上，通過調節百葉的角度攔截太陽光或讓其通過，在需要減少太陽輻射熱的季節，則將自然環境中采集到的冷卻水送入嵌管中，將百葉吸收的太陽熱直接排除，從而顯著減少太陽輻射對室內環境的影響。在供暖季，通過調節百葉角度使太陽光進入室內，還可進一步將自然環境中采集到的低溫熱水送入嵌管中提高窗戶溫度，減少室內通過窗戶的散熱。水流窗是在兩層窗戶間送入自然環境中采集到的冷卻水，以減少通過窗戶進入室內的熱量。天空輻射膜是利用一種特殊結構材料制成的膜，在將太陽輻射熱全部反射的同時，還通過特定波長的熱輻射將熱量穿過大氣層，通過與外太空的熱輻射，使材料表面溫度低于室內空氣溫度，從而顯著減少圍護結構在夏季向室內的傳熱。

　　

　　2）降低新風負荷。　　

　　按需通風。根據空間人流密度的變化，對新風量進行實時調節，這樣既保證了室內空氣品質，又預防了過量通風，相對于傳統的定新風量送風有著巨大的節能潛力。

　　

　　能量回收。通過能量回收系統實現排風與新風的熱量交換，可實現新風負荷的顯著減少。有些建筑存在冬季需要供冷的內區，在冬季時將這些內區的熱量回收用于預熱新風，不僅可以減少新風熱負荷，還可以為內區提供免費冷量。

　　

　　引入自然能源。用自然能源對新風進行處理，將新風引入地埋管中，通過與土壤的換熱減少新風夏季和冬季負荷，或者將通過土壤等方式采集的自然能源送入新風處理裝置中，對新風進行預處理，從而減少所需機械冷熱源的數量。

　　

　　3）降低空調負荷需求。　　

　　傳統空調系統基于均勻混合的方式營造室內環境，導致室內負荷較大。采用置換通風、地板下送風等高效的氣流組織，可以形成非均勻的室內環境，將冷熱量和新風重點用于人員工作區，從而減少空調負荷。在工位處安裝空調針對個人實現個性化送風，可以進一步降低空調負荷需求。個性化空調系統主要分為地板個性化空調系統、桌面個性化空調系統、隔板式個性化空調系統及頂棚個性化空調系統，其能量基本全部用在實際需要的空間，比傳統空調的效率可高出40%。為了更好地適應人員位置的變化，還可以通過辨識技術獲得人員位置和運動方向，并在室內安裝可實現多種送風模式的送風末端，基于人員位置實現面向人員的高效送風。

　　

　　2、提高設備和系統能效　　

　　1）高溫供冷/低溫供熱。　

　　現有研究表明，不管是新風負荷還是回風負荷，一半以上的負荷均可以用更高溫度的冷水或更低溫度的熱水進行處理。溫濕度獨立控制系統通過將顯熱負荷與潛熱負荷分開處理，可以將冷水溫度提高到16 ℃/20 ℃，從而大幅提高冷水機組能效。由于大量的冷熱是用于處理新風負荷的，而新風負荷中有相當一部分可以用高/低于室溫的水進行處理（冷卻/加熱），以此為基礎就可以構建出顯著高于16 ℃/20 ℃的冷水機組和溫度低于30 ℃的熱水機組，從而更大幅度提高冷熱源效率。

　　

　　2）高效熱泵。　　

　　在制取合理的冷熱水溫度條件下，可以通過提高冷熱源設備在額定工況和部分負荷工況下的效率，實現熱泵效率的顯著提升。典型技術包括磁懸浮離心機、無霜空氣源熱泵、復合源熱泵等。

　　

　　磁懸浮離心機采用磁懸浮軸承，無需潤滑油，軸與軸承之間幾乎零磨損，IPLV（綜合部分負荷性能系數）可達11.5。目前，磁懸浮離心機市場容量每年的增速保持在50%以上，是未來高效冷源的重要發展方向。此外，磁懸浮離心機可以與水源、地源等熱泵系統結合，利用雙級壓縮等技術克服制熱工況下壓比大的問題，從而大幅提升系統供熱效率，實現冬夏兩用，這是磁懸浮離心機的又一發展方向。

　　

　　無霜空氣源熱泵（熱源塔熱泵）以溶液、水分別作為冬夏季室外空氣與熱泵間熱量交換的中間介質，采用直接接觸式的全熱交換過程代替常規空氣源熱泵間壁式的顯熱交換過程，實現系統冬季無霜與夏季水冷，是一種冬夏雙高效熱泵系統。無霜空氣源熱泵在未來一段時間內迫切需要解決的問題是：開發低腐蝕、低成本的新型循環溶液；開發更為高效的溶液再生方法，并充分回收再生過程的余熱、余壓；提高系統低溫下的供熱性能，拓展系統的應用范圍。

　　

　　鑒于單一源/匯難以做到全年高效，采用多種源聯合工作的復合源熱泵可以充分發揮各種源/匯的優勢，從而實現全年高效運行。典型的復合源熱泵包括：空氣源與冷卻塔聯合工作的全年供冷型、夏季供冷冬季供熱型，空氣源（無霜空氣源）與地源聯合工作可以減少地埋管數量并實現土壤全年熱平衡，空氣源（無霜空氣源）與太陽能集熱裝置聯合工作可以實現充分利用不同輻射強度的太陽能并實現空氣源熱泵除霜時供熱能力不衰減。

　　

　　3）能量回收與自然能源利用。　　

　　當存在同時供應冷熱的需求時，可以使熱泵設備同時制冷和制熱。當冷熱不匹配時，可以通過回收制冷設備排放的冷凝熱產生所需要的熱水。這類熱回收技術在合適的場合能顯著提高系統能效。

　　

　　還有一些場合可以利用自然環境直接生產所需要的冷源，如蒸發冷卻和免費供冷。直接蒸發冷卻是使空氣和水直接接觸，通過水的蒸發實現空氣的等焓加濕降溫過程。間接蒸發冷卻是將直接蒸發冷卻得到的濕空氣的冷量傳遞給建筑內的循環空氣，實現空氣等濕降溫的過程。蒸發冷卻技術利用環境空氣未飽和這一特性，充分利用干空氣能這一可再生能源，以水為冷卻介質，無氟利昂等制冷劑，更加低碳環保，其運行費用僅為傳統壓縮式制冷的25%。直接/間接蒸發冷卻器、蒸發冷卻空調/冷水機組在廠房、機房中有大量應用。冷卻塔也屬于蒸發冷卻技術的范疇，或與壓縮式制冷機組聯合使用，或單獨運行滿足過渡季的冷負荷需求。隨著全球數據中心等全年較長時間供冷建筑數量的大幅增加，蒸發冷卻技術迎來了發展的黃金時期，如何實現模塊化/集成化的設計，減小設備尺寸，縮短建設周期，如何更好地將蒸發冷卻技術與其他制冷技術、可再生能源技術結合以滿足不同應用場景的需求，是未來發展的主要方向。

　　

　　4）高效冷熱站。　　

　　近年來，高效制冷機房得到較快發展。高效制冷機房系統以實際運行性能作為評判依據和優化目標。但目前的制冷機房主要生產7 ℃/12 ℃冷水，而新風和循環風負荷中的大部分可以用高于7 ℃/12 ℃的冷水進行處理。現有研究表明，如果制冷站生產多種溫度的冷熱水，對新風和循環風進行分級處理，可以使制冷站的能效比超過10。當前采用2種溫度冷水（中溫水和低溫水）的系統已在潔凈空調系統中應用，未來應在更多建筑中推廣使用，以全面提高制冷站能效水平。

　　

　　隨著熱水生產方式逐漸由燃料燃燒轉變為熱泵制取，低溫熱水的優勢越來越突出。在新風和循環風的熱負荷中，絕大部分負荷可以采用30 ℃以下的熱水處理，這為低溫熱水的應用提供了契機。未來的冷熱站應提供多種溫度的冷熱水，根據所處理負荷需要的溫度，合理選用冷熱水溫度，從而實現冷熱站能效的大幅提升。

　　

　　冷熱站往往采用多臺冷熱源設備，對多臺冷熱源設備進行優化控制，在滿足冷熱需求的前提下最大限度地提高冷熱站效率，是冷熱源群控的重要任務。目前雖有各種類型的群控策略，但如何適應不同的冷熱源系統、如何適應運行過程中的性能變化、如何更好地結合當地氣象條件，是未來群控技術需要關注的問題。

　　

　　此外，冷熱源的輸配能耗在許多系統中占有相當大的比重，尤其是部分負荷下，最主要原因是空調水系統主要依賴閥門實現冷熱量的分配和調節。隨著直流電動機性能的提高，用水泵代替閥門進行冷熱量的分配與調節，將顯著降低水泵運行過程中的揚程，從而顯著降低輸配能耗。

　　

　　同時，采用低品位能源總線與直膨式系統相結合，在各空氣處理末端根據所需要的溫度品位借助直膨式方式處理空氣，既能夠提高冷熱源效率，又可以降低輸配能耗。該項技術在未來空調系統中也將具有廣闊的應用前景。

　　

　　3、提高空氣處理設備輸配效率　　

　　傳統空氣處理過程主要使用空調箱與風機盤管進行冷凝除濕，需要的冷熱源品位較高且經常出現冷熱抵消。輻射制冷/熱可以采用更高/低溫度的冷/熱水，且舒適性更好。嵌管式圍護結構可以采用非常高/低溫度的冷/熱水處理圍護結構負荷。未來的室內環境控制應充分結合空氣末端、對流輻射末端和嵌管圍護結構（廣義末端）的各自特點、優勢合理搭配，從而利用不同溫度的冷熱源處理合適溫度品位的負荷，以大幅降低空調負荷處理能耗。

　　

　　為了更高效地處理濕負荷，以液體、固體吸濕劑為代表的吸濕劑除濕技術得到快速發展。它們不僅應用于潛熱負荷的處理，還大量應用于新排風的全熱熱回收中，包括嚴寒地區新排風高效熱回收，可有效避免排風側的結霜和結冰風險。

　　

　　傳統空調系統通常統一處理送風，為滿足較高的溫度和濕度精度，往往不得不在冷凝除濕后再進行加熱。新風與循環風獨立處理可較好地解決這一問題。配合合理的溫度和濕度獨立控制系統，不僅能夠杜絕冷熱抵消，還可大幅提高熱濕處理效率。同時，就近處理循環風也減少了長距離回風帶來的初投資增加，并顯著減少風機能耗。

　　

　　此外，傳統的空氣處理裝置通常采用一種溫度的冷熱源，而無論是處理新風還是循環風，均具備采用不同溫度冷熱源處理的潛力。應開發可使用多種不同溫度品位的冷熱源對空氣進行分級處理的空氣裝置，以顯著提高對應的冷熱源效率。

　　

　　4、提高空調系統柔性與可再生能源應用比例　　

　　隨著可再生能源大量使用，迫切需要大量能夠參與電網運行控制的柔性負荷。空調負荷在電力負荷中占有很大比重，已成為季節性峰谷拉大的主要原因。若空調負荷不能增加柔性，則會對電網的穩定運行產生較大的影響。未來空調系統應充分利用水蓄冷/熱、冰蓄冷、相變儲能等蓄熱/冷裝置，增加空調系統柔性，通過電力系統的需求側響應，主動錯峰或主動消納可再生能源電力。另一方面還可利用風機、水泵、壓縮機等變頻調速與送風溫度、送水溫度、蒸發溫度等參數的調節結合，利用空調系統的熱慣性和被控環境及建筑物的熱慣性，實現冷熱負荷短時間的大幅度調節，從而更好地消納建筑自身產生的能源并適應未來可再生能源占比較高的電力系統要求。

　　

　　此外，空調系統還應與建筑中的可再生能源和直流供電相結合，將空調系統發展成為“光儲直柔”建筑中的重要一環，利用直流直驅電動機提高空調系統效率的同時，更加迅速有效地吸納電網中的可再生能源電力，特別是光伏發電形成的零碳電力。

　　

　　5、智慧運維技術　　

　　實際空調系統能效水平受到設備基礎性能、系統控制水平、運維管理水平等方面的影響，其中空調系統的調適、故障運維與節能控制在空調系統節能減碳中起著重要作用。

　　

　　空調系統調適是在項目的規劃、設計、施工、驗收及運營的全過程中，通過管理手段避免各個環節中可能出現的問題，通過技術手段確保建筑設備和系統從設計階段直至運營階段的性能落地，最終實現工程建設目標，達到能源系統供給側與需求側的最佳匹配。調適的理念引入我國的時間較晚，但近些年發展迅速，2021年發布的全文強制性國標GB 55015—2021《建筑節能與可再生能源通用規范》明確提出：“當建筑面積大于10萬平方米的公共建筑采用集中空調系統時，應對空調系統進行調適。”

　　

　　空調系統的節能控制可分為底層控制和上層控制。底層控制主要是基于PID的傳統控制方法，通過內置調控實現自動調控的過程。上層控制則主要是根據多個設備的運行目標進行調整和設備群控，從而達到系統層次節能的效果。底層的PID方法經過長期研究已較為成熟，而上層控制的研究及工程實現目前發展潛力相對較大，也是空調智能化控制的主要研究方向。目前較成熟的上層智能控制，通常是基于專家知識制定的控制方案編寫相應的控制算法，通過分配系統負荷、改變設備頻率等方法實現系統的智能控制。但由于運行管理人員專業水平參差不齊，常存在管理人員難以落實運維策略的問題。

　　

　　在當前的大數據、智能化時代中，利用用戶數據實現智能化的空調運維管理和控制優化方案已成為可能。利用空調系統中記錄的溫度、濕度、壓力、功率等物理信息，以及控制信號、維護計劃等運行方案信息，可以實現包括系統零部件優化、系統故障檢測與診斷、能耗維護與預測、系統智能化優化控制等在內的功能，甚至也可能根據氣候條件、用戶行為預測的學習結果，為用戶提供空調個性化定制、室內環境的個性化定制服務。

　　

　　基于大數據的空調故障診斷與節能優化，可以提升運維方案智能化程度及實施效率，在初期階段實現故障診斷乃至于故障預警。在系統節能優化方面，以減少系統能耗、降低碳排放為目標，采用智能控制的上層控制優化，是一個有潛力的發展方向。目前，采用模型預測控制的原理實現智能化的設備調節和群控方案是可能的實現方法之一。

　　

　　目前，大數據分析方法在實踐中面臨的主要問題為采集點位少、數據質量不高、信息收集不完善等。解決這些問題，是進一步挖掘大數據在空調運維及運行優化中的應用前景的關鍵。