在國務(wù)院印發(fā)的《2030年前碳達峰行動(dòng)方案》所重點(diǎn)提到的“碳達峰十大行動(dòng)”中，“能源綠色低碳轉型行動(dòng)”“節能降碳增效行動(dòng)”“工業(yè)領(lǐng)域碳達峰行動(dòng)”“城鄉建設碳達峰行動(dòng)”等，均與空調系統和設備密不可分。當前，我國在空調生產(chǎn)、銷(xiāo)售和使用數量方面均已占據世界首位，如果未來(lái)空調使用量進(jìn)一步增加，應用場(chǎng)景進(jìn)一步擴展，控制空調系統的碳排放水平勢必會(huì )成為我國實(shí)現建筑碳中和的最關(guān)鍵環(huán)節之一。據統計，我國空調系統所消耗能源占我國社會(huì )總能耗的21.7%，暖通空調系節能減碳是大勢所趨。
現存暖通空調系統碳排放
目前，我國已經(jīng)約有600億㎡建筑，據分析計算，現有建筑運行過(guò)程能源消耗導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系統運行能耗導致的二氧化碳排放量約為9.9億t。
根據《京都議定書(shū)》規定，暖通空調系統中所采用的氫氟烴、氫氟氯烴類(lèi)制冷工質(zhì)屬于溫室氣體。目前，我國暖通空調所使用的HFCs溫室氣體排放量約為1.0億~1.5億t當量二氧化碳。我國建筑中暖通空調系統運行導致的溫室氣體排放量約為11.0億~11.5億t二氧化碳。其中，我國暖通空調系統用電導致的間接碳排放就約為4.4億t二氧化碳。
影響系統運行碳排放的因素
NO.1
冷熱源及輸配系統效率
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系統冷熱源機組的能效水平。目前我國暖通空調系統設計和運行大多仍然按照傳統冷水供回水溫度及供暖熱水供回水溫度，有較大節能潛力。在輸配環(huán)節，目前主要依賴(lài)閥門(mén)實(shí)現冷熱量的分配和調節，導致輸配系統實(shí)際運行效率僅為30%~50%，有顯著(zhù)節能空間。除此之外，暖通空調運行過(guò)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(lái)并加以利用，則既可減少環(huán)境污染，又可顯著(zhù)提高冷熱源效率，是減少暖通空調系統碳排放的有效途徑。
NO.2
運維管理水平
目前大量暖通空調系統還未實(shí)現自控，即使實(shí)現自控的暖通空調系統，其運行控制仍以傳統控制方法為主，雖可滿(mǎn)足暖通空調系統的調節需求，但并不能完全保證各設備的運行效率最優(yōu)，也不能保證系統層面的負荷分配協(xié)調及系統控制最優(yōu)化。
暖通空調系統的總能量損失中，很大一部分能耗由運維管理人員的操作問(wèn)題造成。運維管理人員水平參差不齊，導致系統能耗無(wú)法有效控制。暖通能耗65%的浪費為人為運行管理不當造成，數百萬(wàn)套機房，95%以上靠人為巡檢管理。機房運行管理對專(zhuān)業(yè)技能要求相當高，即便“暖通博士”管機房能實(shí)現節能和實(shí)時(shí)監控，但社會(huì )結構性缺失致使暖通專(zhuān)業(yè)人才非常缺乏，目前市場(chǎng)99%的機房還是非專(zhuān)業(yè)人員的運行管理，水平太低，致使暖通空調的精細化管理與運行無(wú)法實(shí)現。由此導致的浪費高、能耗大已成為亟待解決的問(wèn)題。
由于暖通空調系統形式多樣，通過(guò)對暖通空調系統實(shí)際運行數據的分析，制定高效且滿(mǎn)足舒適性要求的控制策略，從而進(jìn)一步提升暖通空調系統的自動(dòng)控制優(yōu)化能力，建立更高效的智慧運維系統。
NO.3
系統設計相關(guān)因素
當今暖通空調系統設計方法以滿(mǎn)足極端工況下的空調需求為目標導向，而極端工況在系統實(shí)際運行過(guò)程中往往很少出現，設備容量普遍偏大。暖通空調系統的設備選型過(guò)大，導致大部分工況下系統運行效率較低。
NO.4
設備相關(guān)因素
目前各類(lèi)暖通空調設備的系統性能主要是在特定的實(shí)驗工況下確定的，但現行低碳標準對碳排放量做出的要求均是針對實(shí)際應用時(shí)的復雜工況提出的，這與傳統的空調行業(yè)標準中大多數系統性能均在特定實(shí)驗工況下定義的情況存在偏差。目前以實(shí)際運行條件下的系統能效為尺度，體現設備智能化控制水平存在差異，并且缺乏限制空調系統全壽命周期碳排放的設計要求的評價(jià)標準。
暖通空調系統如何節能降耗
NO.1
高溫供冷/低溫供熱
現有研究表明，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(jìn)行處理。溫濕度獨立控制系統通過(guò)將顯熱負荷與潛熱負荷分開(kāi)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），以此為基礎就可以構建出顯著(zhù)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
當存在同時(shí)供應冷熱的需求時(shí)，可以使熱泵設備同時(shí)制冷和制熱。當冷熱不匹配時(shí)，可以通過(guò)回收制冷設備排放的冷凝熱產(chǎn)生所需要的熱水。這類(lèi)熱回收技術(shù)在合適的場(chǎng)合能顯著(zhù)提高系統能效。
NO.3
高效冷熱站
近年來(lái)，高效制冷機房得到較快發(fā)展。高效制冷機房系統以實(shí)際運行性能作為評判依據和優(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(jìn)行處理?，F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(jìn)行分級處理，可以使制冷站的能效比超過(guò)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(lái)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(zhù)熱水生產(chǎn)方式逐漸由燃料燃燒轉變?yōu)闊岜弥迫?，低溫熱水的?yōu)勢越來(lái)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，這為低溫熱水的應用提供了契機。未來(lái)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(shí)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(jìn)行優(yōu)化控制，在滿(mǎn)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(lèi)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(guò)程中的性能變化、如何更好地結合當地氣象條件，是未來(lái)群控技術(shù)需要關(guān)注的問(wèn)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，最主要原因是暖通空調水系統主要依賴(lài)閥門(mén)實(shí)現冷熱量的分配和調節。隨著(zhù)直流電動(dòng)機性能的提高，用水泵代替閥門(mén)進(jìn)行冷熱量的分配與調節，將顯著(zhù)降低水泵運行過(guò)程中的揚程，從而顯著(zhù)降低輸配能耗。
同時(shí)，采用低品位能源總線(xiàn)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(shù)在未來(lái)暖通空調系統中也將具有廣闊的應用前景。
NO.4
智慧運維技術(shù)
實(shí)際暖通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，其中暖通空調系統的調適、故障運維與節能控制在暖通空調系統節能減碳中起著(zhù)重要作用。
暖通空調系統調適是在項目的規劃、設計、施工、驗收及運營(yíng)的全過(guò)程中，通過(guò)管理手段避免各個(gè)環(huán)節中可能出現的問(wèn)題，通過(guò)技術(shù)手段確保建筑設備和系統從設計階段直至運營(yíng)階段的性能落地，最終實(shí)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(shí)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《建筑節能與可再生能源通用規范》明確提出，當建筑面積大于10萬(wàn)平方米的公共建筑采用集中空調系統時(shí)，應對空調系統進(jìn)行調適。
暖通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(guò)內置調控實(shí)現自動(dòng)調控的過(guò)程。上層控制則主要是根據多個(gè)設備的運行目標進(jìn)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(jīng)過(guò)長(cháng)期研究已較為成熟，而上層控制的研究及工程實(shí)現目前發(fā)展潛力相對較大，也是暖通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(zhuān)家知識制定的控制方案編寫(xiě)相應的控制算法，通過(guò)分配系統負荷、改變設備頻率等方法實(shí)現系統的智能控制。但由于運行管理人員專(zhuān)業(yè)水平參差不齊，常存在管理人員難以落實(shí)運維策略的問(wèn)題。
在當前的大數據、智能化時(shí)代中，利用用戶(hù)數據實(shí)現智能化的暖通空調運維管理和控制優(yōu)化方案已成為可能。利用暖通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(shí)現包括系統零部件優(yōu)化、系統故障檢測與診斷、能耗維護與預測、系統智能化優(yōu)化控制等在內的功能，甚至也可能根據氣候條件、用戶(hù)行為預測的學(xué)習結果，為用戶(hù)提供暖通空調個(gè)性化定制、室內環(huán)境的個(gè)性化定制服務(wù)。
基于大數據的暖通空調故障診斷與節能優(yōu)化，可以提升運維方案智能化程度及實(shí)施效率，在初期階段實(shí)現故障診斷乃至于故障預警。在系統節能優(yōu)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(yōu)化，是一個(gè)有潛力的發(fā)展方向。目前，采用模型預測控制的原理實(shí)現智能化的設備調節和群控方案是可能的實(shí)現方法之一。
目前，大數據分析方法在實(shí)踐中面臨的主要問(wèn)題為采集點(diǎn)位少、數據質(zhì)量不高、信息收集不完善等。解決這些問(wèn)題，是進(jìn)一步挖掘大數據在暖通空調運維及運行優(yōu)化中的應用前景的關(guān)鍵。
暖通空調系統運行過(guò)程中能源消耗導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(shí)現過(guò)程中的重要議題。當前導致暖通空調系統碳排放高的主要因素包括冷熱源系統效率不高、暖通空調系統運行調節未優(yōu)化等。針對現有暖通空調系統存在的問(wèn)題，充分挖掘暖通空調系統運行數據從而提高智能和智慧運維水平，降低暖通空調系統運行過(guò)程碳排放，提高暖通空調系統能效。
