在國務(wù)院印發(fā)的《2030年前碳達峰行動方案》所重點提到的“碳達峰十大行動”中，“能源綠色低碳轉(zhuǎn)型行動”“節(jié)能降碳增效行動”“工業(yè)領(lǐng)域碳達峰行動”“城鄉(xiāng)建設(shè)碳達峰行動”等，均與空調(diào)系統(tǒng)和設(shè)備密不可分。當(dāng)前，我國在空調(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)使用量進一步增加，應(yīng)用場景進一步擴展，控制空調(diào)系統(tǒng)的碳排放水平勢必會成為我國實現(xiàn)建筑碳中和的最關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。據(jù)統(tǒng)計，我國空調(diào)系統(tǒng)所消耗能源占我國社會總能耗的21.7%，暖通空調(diào)系節(jié)能減碳是大勢所趨。
現(xiàn)存暖通空調(diào)系統(tǒng)碳排放
目前，我國已經(jīng)約有600億㎡建筑，據(jù)分析計算，現(xiàn)有建筑運行過程能源消耗導(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，我國建筑中暖通空調(diào)系統(tǒng)運行能耗導(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。我國建筑中暖通空調(diào)系統(tǒng)運行導(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)冷熱源機組的能效水平。目前我國暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計和運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現(xiàn)冷熱量的分配和調(diào)節(jié)，導(dǎo)致輸配系統(tǒng)實際運行效率僅為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
運維管理水平
目前大量暖通空調(diào)系統(tǒng)還未實現(xiàn)自控，即使實現(xiàn)自控的暖通空調(diào)系統(tǒng)，其運行控制仍以傳統(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)備的運行效率最優(yōu)，也不能保證系統(tǒng)層面的負荷分配協(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維管理人員的操作問題造成。運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%的浪費為人為運行管理不當(dāng)造成，數(shù)百萬套機房，95%以上靠人為巡檢管理。機房運行管理對專業(yè)技能要求相當(dāng)高，即便“暖通博士”管機房能實現(xiàn)節(jié)能和實時監(jiān)控，但社會結(jié)構(gòu)性缺失致使暖通專業(yè)人才非常缺乏，目前市場99%的機房還是非專業(yè)人員的運行管理，水平太低，致使暖通空調(diào)的精細化管理與運行無法實現(xiàn)。由此導(dǎo)致的浪費高、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，通過對暖通空調(diào)系統(tǒng)實際運行數(shù)據(jù)的分析，制定高效且滿足舒適性要求的控制策略，從而進一步提升暖通空調(diào)系統(tǒng)的自動控制優(yōu)化能力，建立更高效的智慧運維系統(tǒng)。
NO.3
系統(tǒng)設(shè)計相關(guān)因素
當(dāng)今暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計方法以滿足極端工況下的空調(diào)需求為目標導(dǎo)向，而極端工況在系統(tǒng)實際運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驗工況下確定的，但現(xiàn)行低碳標準對碳排放量做出的要求均是針對實際應(yīng)用時的復(fù)雜工況提出的，這與傳統(tǒng)的空調(diào)行業(yè)標準中大多數(shù)系統(tǒng)性能均在特定實驗工況下定義的情況存在偏差。目前以實際運行條件下的系統(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)計要求的評價標準。
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)負荷還是回風(fēng)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(tǒng)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(fēng)負荷的，而新風(fēng)負荷中有相當(dāng)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(chǔ)就可以構(gòu)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。
NO.2
能量回收
當(dāng)存在同時供應(yīng)冷熱的需求時，可以使熱泵設(shè)備同時制冷和制熱。當(dāng)冷熱不匹配時，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，高效制冷機房得到較快發(fā)展。高效制冷機房系統(tǒng)以實際運行性能作為評判依據(jù)和優(yōu)化目標。但目前的制冷機房主要生產(chǎn)7 ℃/12 ℃冷水，而新風(fēng)和循環(huán)風(fēng)負荷中的大部分可以用高于7 ℃/12 ℃的冷水進行處理。現(xiàn)有研究表明，如果制冷站生產(chǎn)多種溫度的冷熱水，對新風(fēng)和循環(huán)風(fēng)進行分級處理，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)勢越來越突出。在新風(fēng)和循環(huán)風(fēng)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?zé)崴膽?yīng)用提供了契機。未來的冷熱站應(yīng)提供多種溫度的冷熱水，根據(jù)所處理負荷需要的溫度，合理選用冷熱水溫度，從而實現(xiàn)冷熱站能效的大幅提升。
冷熱站往往采用多臺冷熱源設(shè)備，對多臺冷熱源設(shè)備進行優(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，尤其是部分負荷下，最主要原因是暖通空調(diào)水系統(tǒng)主要依賴閥門實現(xiàn)冷熱量的分配和調(diào)節(jié)。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(diào)節(jié)，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(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
智慧運維技術(shù)
實際暖通空調(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)適是在項目的規(guī)劃、設(shè)計、施工、驗收及運營的全過程中，通過管理手段避免各個環(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)計階段直至運營階段的性能落地，最終實現(xiàn)工程建設(shè)目標，達到能源系統(tǒng)供給側(cè)與需求側(cè)的最佳匹配。調(diào)適的理念引入我國的時間較晚，但近些年發(fā)展迅速，2021年發(fā)布的全文強制性國標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，應(yīng)對空調(diào)系統(tǒng)進行調(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)控實現(xiàn)自動調(diào)控的過程。上層控制則主要是根據(jù)多個設(shè)備的運行目標進行調(diào)整和設(shè)備群控，從而達到系統(tǒng)層次節(jié)能的效果。底層的PID方法經(jīng)過長期研究已較為成熟，而上層控制的研究及工程實現(xiàn)目前發(fā)展?jié)摿ο鄬^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)負荷、改變設(shè)備頻率等方法實現(xiàn)系統(tǒng)的智能控制。但由于運行管理人員專業(yè)水平參差不齊，常存在管理人員難以落實運維策略的問題。
在當(dāng)前的大數(shù)據(jù)、智能化時代中，利用用戶數(shù)據(jù)實現(xiàn)智能化的暖通空調(diào)運維管理和控制優(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、維護計劃等運行方案信息，可以實現(xiàn)包括系統(tǒng)零部件優(yōu)化、系統(tǒng)故障檢測與診斷、能耗維護與預(yù)測、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)測的學(xué)習(xí)結(jié)果，為用戶提供暖通空調(diào)個性化定制、室內(nèi)環(huán)境的個性化定制服務(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，可以提升運維方案智能化程度及實施效率，在初期階段實現(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，采用智能控制的上層控制優(yōu)化，是一個有潛力的發(fā)展方向。目前，采用模型預(yù)測控制的原理實現(xiàn)智能化的設(shè)備調(diào)節(jié)和群控方案是可能的實現(xiàn)方法之一。
目前，大數(shù)據(jù)分析方法在實踐中面臨的主要問題為采集點位少、數(shù)據(jù)質(zhì)量不高、信息收集不完善等。解決這些問題，是進一步挖掘大數(shù)據(jù)在暖通空調(diào)運維及運行優(yōu)化中的應(yīng)用前景的關(guān)鍵。
暖通空調(diào)系統(tǒng)運行過程中能源消耗導(dǎo)致的二氧化碳年排放已達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，是碳達峰、碳中和目標實現(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)運行調(diào)節(jié)未優(yōu)化等。針對現(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)運行數(shù)據(jù)從而提高智能和智慧運維水平，降低暖通空調(diào)系統(tǒng)運行過程碳排放，提高暖通空調(diào)系統(tǒng)能效。
