2.3　主动式节能技术

2.3.1　概述

绿色建筑的节能体现在两个方面：降低建筑能耗负荷和提高系统用能效率。降低建筑能耗负荷主要通过被动式节能技术来降低空调负荷、通风负荷、热水、照明需求等，从源头上减少建筑能耗；而提高系统用能效率则体现在如下两个方面：

（1）合理选用高能效设备，即通过设备来节能。

（2）能源的合理利用，即通过管理来节能。提高系统用能效率是实现绿色建筑（近）零能耗的保障。

2.3.2　高能效建筑能源设备与系统

对建筑能源终端利用的分析已经表明，采暖、制冷、照明，以及通风和热水，构成了建筑能耗的主要部分。虽然被动式节能技术已经可以大幅降低这部分能耗的需求，但很难全部抵消。因此，降低这部分的能耗对建筑节能有着重要的意义。

照明系统节能技术主要通过采用绿色照明设备及亮度控制系统来实现。绿色照明设备包括节能灯（如紧凑型荧光灯等）、LED灯等。节能灯的能耗为白炽灯的30％，LED灯的能耗则仅为荧光灯的1/4。2012年起我国已全面禁止100 W及以上的白炽灯，而从2016年起也将逐步淘汰会对环境造成污染的节能灯。亮度控制系统也是照明系统节能的关键，多级亮度调节及间隔照明都可以大幅降低照明系统能耗。

中央空调是公共建筑最常采用的室内温湿度和通风控制设备，也是建筑节能的重点监控对象。建筑节能法规和标准对建筑设备的能效比的要求正在不断提高。以美国为例，新版的ASHRAEStandard90.1—2013标准对大部分空调设备的能效比进行了更严格的限制。表2-4列出了新版标准中对冷水机组和热泵的要求。

续表

下面对几种较为高效的空气调节节能技术进行探讨。

1.变风量空调系统

变风量空调系统（variable air volume，VAV）是目前较为流行的全空气空调系统。与定风量系统的送风量恒定送风温度变化不同的是，VAV系统送风温度恒定但送风量则根据室内负荷自动进行调节。VAV系统区别于其他空调系统的主要优势是节能，这主要来源于两个方面：①因为空调系统全年大部分时间部分负荷运行，而VAV系统通过改变送风量来调节室温，因此可以大幅度减少风机能耗。而定风量系统即使负荷降低，风机的能耗也仍是100％的状态。研究发现，VAV系统定静压控制可节能30％以上，变静压控制可节能60％以上。②在过渡季节可以部分使用甚或全部使用新风作为冷源，能大幅减少系统能耗。

VAV系统的末端基本有5种形式，即节流阀节流型、风机动力型、双风道型、旁通型和诱导型。其中双风道型投资高、控制复杂，旁通型节能潜力有限，较少采用。目前使用较多的是节流型和风机动力型，例如北美多采用串联风机型加冷冻水大温差设计，北欧倾向于诱导型，另外，诱导型也多用于医院病房等要求较高的场合。

VAV系统按周边供热方式有变风量再热周边系统、变温度定风量周边系统等多种形式，可根据建筑类型和初投资进行选择。

2.独立新风系统

独立新风系统（dedicated outdoor air system，DOAS）一般由新风系统、制冷末端和冷水系统等组成。独立新风系统中，将新风独立处理到合适的温度和湿度，由新风承担室内全部湿负荷和部分或全部的显热负荷，其余的显热负荷由室内的末端制冷设备来承担，从而实现精确的室内热环境控制和调节。

担，从而显热系统的冷水温度可由常规冷凝除湿空调系统中的7℃提高到18℃左右，为使用天然冷源提供了条件，即使采用机械制冷，高制冷温度也使得冷水机组的COP大幅提高，减少了冷源的浪费。此外，独立新风系统的除湿与降温过程相互独立，可以满足不同房间热湿比不断变化的要求，克服了常规空调系统中难以同时满足温、湿度参数的要求，避免了室内温度过高（或过低）的现象。并且，由于室内相对湿度可以一直维持在60％以下，较高的室温就可以满足舒适度要求，既降低了运行能耗，还减少了由于室内外温差过大造成的热冲击对健康的影响。

此外，独立新风系统因为除湿在外部完成，室内无凝结水出现，无须凝结水盘和凝结水管路，同时也除去了霉菌等细菌滋生环境，改善了室内空气品质。

3.溶液除湿技术

除湿负荷是湿热地区建筑空调负荷的重要部分，可以占到建筑空调负荷的20％～40％。除湿技术一般有冷冻除湿、转轮除湿和溶液除湿三种，多配合独立新风系统或辐射供冷技术使用。冷冻除湿需要较低的冷冻水温度，一般为7℃或以下，需要低温制冷机技术且机组能效较低；转轮除湿需要高温热源来再生且无法进行热回收，效率较低；溶液除湿利用溶液除湿剂来吸收空气中的水蒸气。溶液除湿一般由除湿器、再生器和热交换器等设备组成。溶液除湿可以避免冷冻除湿造成的冷水机组效率降低、再热等缺点。溶液除湿可以使空调冷冻水温度可由原来的7℃左右提高到16℃以上，提升冷水机组能效比30％以上。但溶液除湿也有溶液再生效率低和溶液损耗及管道腐蚀的缺点。前者可以采用太阳能、工厂或冷水机组等的废热、燃气轮机等的余热、热泵等来降低溶液再生能耗，后者可以使用内冷型溶液除湿器降低溶液的流速和流量来解决。

图2-28所示为一种新型溶液除湿独立新风系统示意图[9]。该系统采用了独立新风系统、排风全热回收、冷水机组余热回收、零携带溶液除湿器等多项热回收和热利用技术，效率非常高。根据对我国香港特别行政区一办公楼的能耗模拟结果，其系统全年平均COP达到了4.21。

4.变频技术

变频技术严格来说只是一种节能技术，而不是设备，但却是近年来逐渐得到青睐的提高空调系统能效比的有效方式。中央空调的主要功能是通过大量的风机和水泵来实现的，它们占据了空调系统20％～50％的能耗。在空调部分负荷运行时，其流量也应随负荷变化而变化。传统方式是改变系统的阻力，即利用阀门来调节流量，这种方式显然是不经济的，因为这是以牺牲阻力能耗的方式来适用末端负荷要求。因此，这种改变系统阻力的方式正在被改变系统动力的方式取代，包括多台并联、变台数调节和变速调节。变频技术通过改变风机或水泵的电动机频率调整电动机转速达到流量调节的目的，是其中最为高效的方式。根据功率与转速的关系，风机和水泵的流量与转速成正比，而功率却与转速的三次方成正比。当流量减少10％时，节电率可以达到27.1％；流量减少30％时，节电率可以达到65.7％。

5.变冷媒流量多联系统

变冷媒流量多联系统（variable refrigerant volume，VRV）多见于分体式空调中，因其高能效比受到了较多的关注。VRV系统采用冷媒直接蒸发式制冷方式，通过冷媒的直接蒸发或直接凝缩实现制冷或制热，冷量和热量传递到室内只有一次热交换。VRV系统具有设计安装方便、布置灵活多变、建筑空间小、使用方便、可靠性高、运行费用低、不须机房、无水系统等优点，是日本大金工业株式会社主推的技术。因为现在VRV是大金的注册商标，因此业界也用VRF一词区分同类系统。

6.辐射供暖供冷技术

辐射供暖供冷技术是一种节能效果较好的空调技术。早期的辐射供暖供冷技术主要用于地板辐射供暖，且应用非常普遍，遍布南北。但目前已不再局限地板辐射供暖，顶棚、墙面辐射供暖供冷技术都已得到应用。而地板辐射制冷由于会产生地面结露现象，目前在国内尚未大面积推广。

辐射供暖供冷系统主要通过布置在地板、墙壁或天花板上的管网以辐射散热方式将热量或冷量传递到室内。因为不需要风机和对流换热，无吹风感，这种静态热交换模式可以达到与自然环境类似的效果，人体会感到非常自然、舒适。这种系统具有室内温度分布均匀、舒适、节能、易计量、维护方便等优点。

辐射供暖供冷系统具有很好的节能效果。在辐射换热的条件下，人体的实感温度会比室内空气温度低1.6℃左右。因此，采用辐射供暖供冷系统的室内设计温度在夏季约高1.6℃，冬季约低1.6℃，可以降低冷热负荷5％～10％。辐射制冷具有冷效应快、受热缓慢的特点，围护结构和室内设备表面吸收辐射冷量，形成天然冷体，可以平缓和转移冷负荷的峰值出现时间。辐射供冷可以使用较高温度的冷冻水，提高制冷机的COP，减少运行能耗与设备初投资。此外，采暖使用时供水水温较低，一般不超过60℃，所以，可直接或间接利用工业余热、太阳能、天然温泉水或其他低温能源，最大限度地减少能耗。在我国，辐射供暖系统多与壁挂式燃气炉配合使用。

然而，辐射供冷系统应结合除湿系统或新风系统进行设计；否则，会造成房间屋顶、墙壁和地面的结露现象。此外，除湿只能单纯解决地面或天花板不结露现象，如果室内的空气不流通，墙面和家具局部温度低于空气的露点温度，就会因局部结露而产生墙面和家具发霉的现象，这种发霉现象在冬季采暖和夏季制冷时都会发生。

7.热泵

热泵技术可以冬季供暖，也可以夏季制冷，是一种高效的空调技术。常用的热泵技术主要有空气源热泵、水源热泵和地源热泵等，其主要区别是热源及热交换器布置不同。

地源热泵通过埋于土壤内部的封闭环路（土壤换热器）中流动循环的载冷剂实现与土壤的热交换。由于地下环境温度较稳定，始终在较适宜的范围（10～20℃）内变化，土壤热泵系统的制冷系数与制热系数都要比空气源热泵系统高20％～40％。并且，土壤热泵系统全年制冷量与制热量输出（能力）比较稳定，避免了空气源热泵存在的除霜损失。

热泵为楼宇、别墅以及单户住宅等用户提供了一种高效的采暖和制冷方式选择，该技术将在本书第10章详细介绍。

8.高效供暖和热水系统

对采暖和热水系统，因为涉及不同的燃料，习惯上使用一次能源效率评价性能，从一次能源到建筑终端能源的转换传输过程中，能源损失很大。表2-5列出了几种常见供热系统的一次能源效率。作为燃料，天然气的一次能源效率要远远大于电能，因此应该避免直接用电供暖。燃煤锅炉不但效率低下，且严重污染环境，现在已经在城镇建筑中禁止使用。

9.冷热电联产

热电联产（CHP）或者更进一步的冷热电联产（combinedcold，heatandpower，CCHP）技术是能源利用的理想模式。冷热电联产对不同品位的热能进行梯级利用，温度较高的高品位热能用来发电，而温度较低的低品位热能则被用来供热或者制冷。目前与热电冷联供相关的制冷技术主要是溴化锂吸收式制冷，也可以与最新的溶液除湿技术结合来除湿和制冷。

大型冷热电联产适用于区域供暖，目前已在我国北方地区得到广泛应用，但一般以热电联产为主。小型冷热电联产可通过近年来逐渐流行的小型或微型燃气轮机来实现。小微型燃气轮机目前已在社区、医院、学校、办公楼、公寓楼等得到应用。在设计工况条件下，能源总利用效率可达85％，节能率可达14％，特别是在夏季制冷和用电峰值时段（也是天然气负荷低谷期）。例如，荷兰Putten市一总容量为1.6×106L的公共游泳池采用一台30kW的微型燃气轮机热电联供，总能源利用效率达到了96％。

10.高效设备的选用原则

高效的能源系统虽然能效较高，但选用不当则未必节能。能源系统的选用应根据当地气候条件、建筑类型综合考虑。以下就几个比较典型的系统选用不当的案例进行探讨。

中央空调用于公共建筑多数能取得较好的节能效果，特别是对空调需求较为一致的建筑。这些建筑对室内状态的要求基本一致、运行时间也比较统一时，则能获得中央空调的高效率。但是，对于部分建筑，其房间利用率低、人员分布或作息时间不一致，使用中央空调则可能造成极大的浪费，例如部分空置率较高的办公大楼或公寓。这类建筑使用分散式空调时，其空调能耗可能仅为中央空调能耗的10％～20％。

随着人们对环境舒适度要求的提高，以前基本不供暖的长江以南地区也开始对建筑的采暖提出了要求。部分地区开始采用北方地区的区域供暖或集中供暖模式，造成实际能耗增加3～5倍。然而，南方地区的采暖负荷并不像北方地区那么稳定和强烈，并且管网系统要额外消耗很大的循环水泵电耗，选用集中供暖时会造成较大的能源浪费。在我国长江以南地区应优先发展基于热泵的局部可调的分散供暖方式，是一种节能优先的最佳选择。

由此可见，高效的设备虽然高效，但却有其地域及建筑类型的适用性。在选择建筑设备时，应对当地自然条件、建筑用途、居民习惯等因素进行综合考虑，不应一味地选用所谓的高新技术。

2.3.3　建筑能源管理系统与优化运行策略

高效的建筑能源设备并不保证建筑的低能耗。这听起来不可思议，但却是现实。美国获得LEED认证的绿色建筑中，70％的建筑实际运行能耗反而高于同功能的一般建筑。要达到最快、最明显的节能效果，不单是应用安装节能灯具、电动机变频、节水卫浴等设备节能手段，更需要有一套完善的能源管理系统来管理能源。这样的建筑一般又称智能建筑。

2.3.3.1　绿色建筑的心脏：能源管理系统

建筑能源管理系统（EMS）可以对建筑供水、配电、照明、空调等系统进行监控、计量和管理。建筑能源管理系统一般是借由楼宇自控系统（BAS）来实现的。它可以根据预先编排的程序对电力、照明、空调等设备进行最优化的管理。例如，可以根据室内外环境变化与设定值对冷水机组、新风系统、遮阳系统、照明系统的状态进行监控和调节，依靠遍布建筑的传感器和控制装置保证设备的合适运作，以最少的能量消耗维持良好的室内环境，达到节能的目的。

遍布建筑的能源管理系统的监控和计量装置可便捷地实现分户冷热量计量和收费。改变过去集中供冷或集中供暖按面积分摊收费的做法，可以引入科学的分户热量（冷量）计量和合理的收费手段，多用多付、少用少付，避免了“不用白不用”的思想，也可避免暖气过热开空调不合理现象，达到较好的节能效果。就中央空调一项而言，一般可实现节能15％～20％，有的甚至能够达到节能25％～30％。而这些都需要依靠能源控制系统的实现。

除了基本的能耗监控和计量功能外，优秀的建筑能源管理系统一般都带有负荷预测控制和系统优化功能，可以在设备与设备之间、系统与系统之间进行权衡和优化。系统优化的方面有很多，例如：

（1）室温回设。在房间无人使用时自动调整温控器的设定温度。一般能源管理系统都是按建筑运行时间进行室温回设，但有些系统可以通过室内的CO2传感器来感应人的存在并进行智能设定。

（2）冷冻水温度和流量控制。能源管理系统可以根据负荷的变化对空调系统的供水温度和流量进行调节，使用变化的供水温度和流量减少冷水机组的过度运行。冷量控制方式是比温度控制方式最合理和节能的控制方式，它更有利于制冷机组在高效率区域运行而节能。

（3）空调与自然通风模式转换控制。能源管理系统可以根据室内外环境，在空调与自然通风之间自动切换。在室外温度低于某一设定值（如13℃）时，可直接将室外新风作为回风；在室外温度达到24℃时，可直接将室外新风送入室内。在夜间，还可以通过自然通风或机械通风的方式降低室内的热负荷。目的都是最大化地利用自然界的能量。

（4）负荷预测功能。负荷预测功能赋予了智能能源管理系统更好的智能性。能源管理系统可以根据建筑的蓄热特性和室内外温度变化，确定最佳启动时间。这样不但建筑可以在第二天上班时室内的舒适度刚好符合要求，还可以有效地抑制峰值负荷，节约能源。此外，部分能源控制系统还可以进行设备模型的在线辨识和故障诊断，及时发现设备故障。

能源管理系统用得好才能起到明显的节能效果。然而，根据调查，国内智能建筑中真正达到节能目标的还不到10％，80％以上的智能建筑内能源管理系统仅作为设备状态监视和自动控制使用，把一个优秀的能源管理系统变成了一个“呆傻”的能耗监测系统，造成投资的极大浪费和能源的损失。

2.3.3.2　舒服就好：以节能为目标的室内舒适度标准

现代化建筑倾向于选择高科技的设备、提供高品质的室内环境以提升室内舒适度。室内舒适度的因素一般包括室内温度、湿度、亮度、新风量等。建筑使用模式、运行方式、舒适度要求也即服务水平在很大程度上影响了建筑运行能耗。欧美国家以及国内一些高档建筑的室内舒适度的要求较高，即便是采用被动式节能技术的低能耗建筑，其实际运行能耗也较高。

以采暖为例，我国供暖温度设定值一般为18～20℃，而欧洲则多为18～22℃。通过适当地增加衣物而不是室内温度，显然更能减少能源的消耗。对于制冷来说，除了部分湿热地区外，室内温度设定值一般推荐为25.5℃。但现实却是，多数房间的温度设定都是24℃以下，在我国香港特别行政区甚至低至18℃。除了室内送风不均的原因外，更多的是不同人对温度的感受不同。

此外，高档建筑对新风量、采光等都呈现出更高的要求。以新风量为例，人均新风量的增加可能会导致空调负荷的成倍增长。

这种偏离节能推荐值的温度设定，以及对室内舒适度的高标准，对建筑能耗的增加有着直接的贡献。而这些设定是建筑能源管理系统力所不及的。从节能的角度来看，舒服就好，才应该是我们对室内温湿度设定、通风和采光要求的标准。

为了限制节能建筑能效高但却不节能的现象，我国正在积极制定《民用建筑能耗标准》国家标准，并即将实施。在这个标准中，对各类新建民用建筑，必须要满足建筑的能耗约束值，这也将促使人们对节能建筑从高能效向低能耗的转变。

此外，良好的用能习惯，例如随手关水、不开无人灯、防止（水、电、气）跑冒漏、限制空调制冷（热）上下限温度等节能习惯也是公认的行之有效的主动式节能措施，这里不再详谈。