在國(guó)務(wù)院印發(fā)的《2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》所重點(diǎn)提到的“碳達(dá)峰十大行動(dòng)”中，“能源綠色低碳轉(zhuǎn)型行動(dòng)”“節(jié)能降碳增效行動(dòng)”“工業(yè)領(lǐng)域碳達(dá)峰行動(dòng)”“城鄉(xiāng)建設(shè)碳達(dá)峰行動(dòng)”等，均與空調(diào)系統(tǒng)和設(shè)備密不可分。當(dāng)前，我國(guó)在空調(diào)生產(chǎn)、銷售和使用數(shù)量方面均已占據(jù)世界首位，如果未來空調(diào)使用量進(jìn)一步增加，應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)一步擴(kuò)展，控制空調(diào)系統(tǒng)的碳排放水平勢(shì)必會(huì)成為我國(guó)實(shí)現(xiàn)建筑碳中和的最關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)空調(diào)系統(tǒng)所消耗能源占我國(guó)社會(huì)總能耗的21.7%，暖通空調(diào)系節(jié)能減碳是大勢(shì)所趨。
現(xiàn)存暖通空調(diào)系統(tǒng)碳排放
目前，我國(guó)已經(jīng)約有600億㎡建筑，據(jù)分析計(jì)算，現(xiàn)有建筑運(yùn)行過程能源消耗導(dǎo)致的二氧化碳排放量約為22億t，其中直接碳排放約占29%，電力相關(guān)間接碳排放約占50%，熱力相關(guān)間接碳排放約占21%。其中，我國(guó)建筑中暖通空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行能耗導(dǎo)致的二氧化碳排放量約為9.9億t。
根據(jù)《京都議定書》規(guī)定，暖通空調(diào)系統(tǒng)中所采用的氫氟烴、氫氟氯烴類制冷工質(zhì)屬于溫室氣體。目前，我國(guó)暖通空調(diào)所使用的HFCs溫室氣體排放量約為1.0億~1.5億t當(dāng)量二氧化碳。我國(guó)建筑中暖通空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行導(dǎo)致的溫室氣體排放量約為11.0億~11.5億t二氧化碳。其中，我國(guó)暖通空調(diào)系統(tǒng)用電導(dǎo)致的間接碳排放就約為4.4億t二氧化碳。
影響系統(tǒng)運(yùn)行碳排放的因素
NO.1
冷熱源及輸配系統(tǒng)效率
提高冷水供水溫度和降低熱水供水溫度能明顯提高暖通空調(diào)系統(tǒng)冷熱源機(jī)組的能效水平。目前我國(guó)暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行大多仍然按照傳統(tǒng)冷水供回水溫度及供暖熱水供回水溫度，有較大節(jié)能潛力。在輸配環(huán)節(jié)，目前主要依賴閥門實(shí)現(xiàn)冷熱量的分配和調(diào)節(jié)，導(dǎo)致輸配系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行效率僅為30%~50%，有顯著節(jié)能空間。除此之外，暖通空調(diào)運(yùn)行過程中往往產(chǎn)生大量廢熱，如能采用熱回收技術(shù)將這些排熱收集起來并加以利用，則既可減少環(huán)境污染，又可顯著提高冷熱源效率，是減少暖通空調(diào)系統(tǒng)碳排放的有效途徑。
NO.2
運(yùn)維管理水平
目前大量暖通空調(diào)系統(tǒng)還未實(shí)現(xiàn)自控，即使實(shí)現(xiàn)自控的暖通空調(diào)系統(tǒng)，其運(yùn)行控制仍以傳統(tǒng)控制方法為主，雖可滿足暖通空調(diào)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)需求，但并不能完全保證各設(shè)備的運(yùn)行效率最優(yōu)，也不能保證系統(tǒng)層面的負(fù)荷分配協(xié)調(diào)及系統(tǒng)控制最優(yōu)化。
暖通空調(diào)系統(tǒng)的總能量損失中，很大一部分能耗由運(yùn)維管理人員的操作問題造成。運(yùn)維管理人員水平參差不齊，導(dǎo)致系統(tǒng)能耗無法有效控制。暖通能耗65%的浪費(fèi)為人為運(yùn)行管理不當(dāng)造成，數(shù)百萬套機(jī)房，95%以上靠人為巡檢管理。機(jī)房運(yùn)行管理對(duì)專業(yè)技能要求相當(dāng)高，即便“暖通博士”管機(jī)房能實(shí)現(xiàn)節(jié)能和實(shí)時(shí)監(jiān)控，但社會(huì)結(jié)構(gòu)性缺失致使暖通專業(yè)人才非常缺乏，目前市場(chǎng)99%的機(jī)房還是非專業(yè)人員的運(yùn)行管理，水平太低，致使暖通空調(diào)的精細(xì)化管理與運(yùn)行無法實(shí)現(xiàn)。由此導(dǎo)致的浪費(fèi)高、能耗大已成為亟待解決的問題。
由于暖通空調(diào)系統(tǒng)形式多樣，通過對(duì)暖通空調(diào)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)的分析，制定高效且滿足舒適性要求的控制策略，從而進(jìn)一步提升暖通空調(diào)系統(tǒng)的自動(dòng)控制優(yōu)化能力，建立更高效的智慧運(yùn)維系統(tǒng)。
NO.3
系統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)因素
當(dāng)今暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法以滿足極端工況下的空調(diào)需求為目標(biāo)導(dǎo)向，而極端工況在系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過程中往往很少出現(xiàn)，設(shè)備容量普遍偏大。暖通空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)備選型過大，導(dǎo)致大部分工況下系統(tǒng)運(yùn)行效率較低。
NO.4
設(shè)備相關(guān)因素
目前各類暖通空調(diào)設(shè)備的系統(tǒng)性能主要是在特定的實(shí)驗(yàn)工況下確定的，但現(xiàn)行低碳標(biāo)準(zhǔn)對(duì)碳排放量做出的要求均是針對(duì)實(shí)際應(yīng)用時(shí)的復(fù)雜工況提出的，這與傳統(tǒng)的空調(diào)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中大多數(shù)系統(tǒng)性能均在特定實(shí)驗(yàn)工況下定義的情況存在偏差。目前以實(shí)際運(yùn)行條件下的系統(tǒng)能效為尺度，體現(xiàn)設(shè)備智能化控制水平存在差異，并且缺乏限制空調(diào)系統(tǒng)全壽命周期碳排放的設(shè)計(jì)要求的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。
暖通空調(diào)系統(tǒng)如何節(jié)能降耗
NO.1
高溫供冷/低溫供熱
現(xiàn)有研究表明，不管是新風(fēng)負(fù)荷還是回風(fēng)負(fù)荷，一半以上的負(fù)荷均可以用更高溫度的冷水或更低溫度的熱水進(jìn)行處理。溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)通過將顯熱負(fù)荷與潛熱負(fù)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(jī)組能效。由于大量的冷熱是用于處理新風(fēng)負(fù)荷的，而新風(fēng)負(fù)荷中有相當(dāng)一部分可以用高/低于室溫的水進(jìn)行處理（冷卻/加熱），以此為基礎(chǔ)就可以構(gòu)建出顯著高于16 ℃/20 ℃的冷水機(jī)組和溫度低于30 ℃的熱水機(jī)組，從而更大幅度提高冷熱源效率。
NO.2
能量回收
當(dāng)存在同時(shí)供應(yīng)冷熱的需求時(shí)，可以使熱泵設(shè)備同時(shí)制冷和制熱。當(dāng)冷熱不匹配時(shí)，可以通過回收制冷設(shè)備排放的冷凝熱產(chǎn)生所需要的熱水。這類熱回收技術(shù)在合適的場(chǎng)合能顯著提高系統(tǒng)能效。
NO.3
高效冷熱站
近年來，高效制冷機(jī)房得到較快發(fā)展。高效制冷機(jī)房系統(tǒng)以實(shí)際運(yùn)行性能作為評(píng)判依據(jù)和優(yōu)化目標(biāo)。但目前的制冷機(jī)房主要生產(chǎn)7 ℃/12 ℃冷水，而新風(fēng)和循環(huán)風(fēng)負(fù)荷中的大部分可以用高于7 ℃/12 ℃的冷水進(jìn)行處理。現(xiàn)有研究表明，如果制冷站生產(chǎn)多種溫度的冷熱水，對(duì)新風(fēng)和循環(huán)風(fēng)進(jìn)行分級(jí)處理，可以使制冷站的能效比超過10。當(dāng)前采用2種溫度冷水（中溫水和低溫水）的系統(tǒng)已在潔凈空調(diào)系統(tǒng)中應(yīng)用，未來應(yīng)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(chǎn)方式逐漸由燃料燃燒轉(zhuǎn)變?yōu)闊岜弥迫。蜏責(zé)崴膬?yōu)勢(shì)越來越突出。在新風(fēng)和循環(huán)風(fēng)的熱負(fù)荷中，絕大部分負(fù)荷可以采用30℃以下的熱水處理，這為低溫?zé)崴膽?yīng)用提供了契機(jī)。未來的冷熱站應(yīng)提供多種溫度的冷熱水，根據(jù)所處理負(fù)荷需要的溫度，合理選用冷熱水溫度，從而實(shí)現(xiàn)冷熱站能效的大幅提升。
冷熱站往往采用多臺(tái)冷熱源設(shè)備，對(duì)多臺(tái)冷熱源設(shè)備進(jìn)行優(yōu)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(wù)。目前雖有各種類型的群控策略，但如何適應(yīng)不同的冷熱源系統(tǒng)、如何適應(yīng)運(yùn)行過程中的性能變化、如何更好地結(jié)合當(dāng)?shù)貧庀髼l件，是未來群控技術(shù)需要關(guān)注的問題。
此外，冷熱源的輸配能耗在許多系統(tǒng)中占有相當(dāng)大的比重，尤其是部分負(fù)荷下，最主要原因是暖通空調(diào)水系統(tǒng)主要依賴閥門實(shí)現(xiàn)冷熱量的分配和調(diào)節(jié)。隨著直流電動(dòng)機(jī)性能的提高，用水泵代替閥門進(jìn)行冷熱量的分配與調(diào)節(jié)，將顯著降低水泵運(yùn)行過程中的揚(yáng)程，從而顯著降低輸配能耗。
同時(shí)，采用低品位能源總線與直膨式系統(tǒng)相結(jié)合，在各空氣處理末端根據(jù)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(xiàng)技術(shù)在未來暖通空調(diào)系統(tǒng)中也將具有廣闊的應(yīng)用前景。
NO.4
智慧運(yùn)維技術(shù)
實(shí)際暖通空調(diào)系統(tǒng)能效水平受到設(shè)備基礎(chǔ)性能、系統(tǒng)控制水平、運(yùn)維管理水平等方面的影響，其中暖通空調(diào)系統(tǒng)的調(diào)適、故障運(yùn)維與節(jié)能控制在暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能減碳中起著重要作用。
暖通空調(diào)系統(tǒng)調(diào)適是在項(xiàng)目的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、驗(yàn)收及運(yùn)營(yíng)的全過程中，通過管理手段避免各個(gè)環(huán)節(jié)中可能出現(xiàn)的問題，通過技術(shù)手段確保建筑設(shè)備和系統(tǒng)從設(shè)計(jì)階段直至運(yùn)營(yíng)階段的性能落地，最終實(shí)現(xiàn)工程建設(shè)目標(biāo)，達(dá)到能源系統(tǒng)供給側(cè)與需求側(cè)的最佳匹配。調(diào)適的理念引入我國(guó)的時(shí)間較晚，但近些年發(fā)展迅速，2021年發(fā)布的全文強(qiáng)制性國(guó)標(biāo)GB 55015—2021《建筑節(jié)能與可再生能源通用規(guī)范》明確提出，當(dāng)建筑面積大于10萬平方米的公共建筑采用集中空調(diào)系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)對(duì)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)適。
暖通空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)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(tǒng)控制方法，通過內(nèi)置調(diào)控實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)控的過程。上層控制則主要是根據(jù)多個(gè)設(shè)備的運(yùn)行目標(biāo)進(jìn)行調(diào)整和設(shè)備群控，從而達(dá)到系統(tǒng)層次節(jié)能的效果。底層的PID方法經(jīng)過長(zhǎng)期研究已較為成熟，而上層控制的研究及工程實(shí)現(xiàn)目前發(fā)展?jié)摿ο鄬?duì)較大，也是暖通空調(diào)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(shí)制定的控制方案編寫相應(yīng)的控制算法，通過分配系統(tǒng)負(fù)荷、改變?cè)O(shè)備頻率等方法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的智能控制。但由于運(yùn)行管理人員專業(yè)水平參差不齊，常存在管理人員難以落實(shí)運(yùn)維策略的問題。
在當(dāng)前的大數(shù)據(jù)、智能化時(shí)代中，利用用戶數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)智能化的暖通空調(diào)運(yùn)維管理和控制優(yōu)化方案已成為可能。利用暖通空調(diào)系統(tǒng)中記錄的溫度、濕度、壓力、功率等物理信息，以及控制信號(hào)、維護(hù)計(jì)劃等運(yùn)行方案信息，可以實(shí)現(xiàn)包括系統(tǒng)零部件優(yōu)化、系統(tǒng)故障檢測(cè)與診斷、能耗維護(hù)與預(yù)測(cè)、系統(tǒng)智能化優(yōu)化控制等在內(nèi)的功能，甚至也可能根據(jù)氣候條件、用戶行為預(yù)測(cè)的學(xué)習(xí)結(jié)果，為用戶提供暖通空調(diào)個(gè)性化定制、室內(nèi)環(huán)境的個(gè)性化定制服務(wù)。
基于大數(shù)據(jù)的暖通空調(diào)故障診斷與節(jié)能優(yōu)化，可以提升運(yùn)維方案智能化程度及實(shí)施效率，在初期階段實(shí)現(xiàn)故障診斷乃至于故障預(yù)警。在系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化方面，以減少系統(tǒng)能耗、降低碳排放為目標(biāo)，采用智能控制的上層控制優(yōu)化，是一個(gè)有潛力的發(fā)展方向。目前，采用模型預(yù)測(cè)控制的原理實(shí)現(xiàn)智能化的設(shè)備調(diào)節(jié)和群控方案是可能的實(shí)現(xiàn)方法之一。
目前，大數(shù)據(jù)分析方法在實(shí)踐中面臨的主要問題為采集點(diǎn)位少、數(shù)據(jù)質(zhì)量不高、信息收集不完善等。解決這些問題，是進(jìn)一步挖掘大數(shù)據(jù)在暖通空調(diào)運(yùn)維及運(yùn)行優(yōu)化中的應(yīng)用前景的關(guān)鍵。
暖通空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行過程中能源消耗導(dǎo)致的二氧化碳年排放已達(dá)9.9億t，其中直接碳排放約5.5億t，間接碳排放約4.4億t，是碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)實(shí)現(xiàn)過程中的重要議題。當(dāng)前導(dǎo)致暖通空調(diào)系統(tǒng)碳排放高的主要因素包括冷熱源系統(tǒng)效率不高、暖通空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)節(jié)未優(yōu)化等。針對(duì)現(xiàn)有暖通空調(diào)系統(tǒng)存在的問題，充分挖掘暖通空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)從而提高智能和智慧運(yùn)維水平，降低暖通空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行過程碳排放，提高暖通空調(diào)系統(tǒng)能效。
