神奇的空调系统节能新技术

摘要：暖通空调系统给人类带来了舒适便利的生产、生活环境的同时也随之产生了一个关于其能耗的巨大挑战。enVerid Systems 研发的 enVerid SystemsHLR 空调节能机组可以减少需要加热或冷却后进入建筑的室外空气量，从而显著降低商业楼宇和公共建筑的暖通空调能耗。
技术动机
现有的大部分中央空调系统中，空气是沿着管道在风扇的驱动下在建筑物中循环流通。经过集中的风道或气室汇总后的空气（回风）会通过中央空调处理机组（空调箱AHU，以下简称AHU），根据空调区域要求对空气进行冷却和加热处理后再次送回到空调区域。中央空调处理机组通常还会过滤掉空气中的灰尘、颗粒物以及其他微粒。尽管空气再次开始循环流通，但是其分子组成却发生了变化——主要由于人们的呼吸作用和室内各类有机分子的蒸发与排放造成的。因此室内空气中二氧化碳CO₂（以下简称CO₂）浓度会持续增大，并对人体造成一定不良影响，而且会聚集起许多其他污染物，其中绝大多数属于挥发性有机化合物VOC（以下简称VOC）。根据各国的暖通设计规范，一般室内的全部空气量一天大约要更换10次以上以保证室内空气的新鲜度，因此会导致中央空调系统的冷热负荷大大增加。
enVerid Systems 邀请许多在暖通空调行业的知名公司共同推出维持最优室内空气质量 (IAQ)的前提下能够降低室外空气代换率及相关节省能源的解决方案。新方案能有效去除室内 CO₂ 及 VOC ，大约减少室外空气的80%到90%的吸入量，室内空气替换率降为1至2次，降低冷热负荷大约80%到90%。

图1：用于除去室内空气中污染物CO₂和VOC的HLR空调节能机组原理示意图

技术说明
HLR空调节能机组能够对室内空气质量进行管理主要是建立其在独特的吸附材料上。该材料具有两个基本特点：（a）仅针对室内空气中普遍的有害污染物；（b）在混合温度/浓度变压吸附（TCSA）循环条件下可轻松再生重复循环使用。这个循环过程包括两个阶段：吸附和再生。吸附模式下室内空气流经吸附材料时空气中所含的污染物会被捕获并被留在吸附剂中，而洁净后空气则重新被送入室内，该过程会持续数小时，直到一个或多个吸附材料饱和为止。再生模式下机组所有进出风口首先被自带自动控制风阀关闭，机组与建筑中央空调通风系统联系被切断，使用经过机组加热的室外空气对吸附材料进行冲洗吹扫，之前在吸附模式下被吸附材料捕获的有害污染物会从中子再次释放通过排风管道排出建筑物，吸附材料则恢复到“清洁”状态并可以重新投入使用。混合温度/浓度变压吸附 （TCSA） 技术可以使机组小型化并轻松简便与AHU连接对室内空气进行处理。

图2：左：安装在屋顶的两台HLR-1000B。中：安装在高层办公楼机械室内的HLR-500B。右：安装在休斯顿一栋中等高度办公楼中机械室的超紧凑HLR-500C—在本例中位于已有AHU的顶部。

削减负荷与节能
在室外温湿度不变的条件下，根据ASHRAE 62.1标准，按照传统通风率条件下的室外空气吸入量与使用HLR空调节能机组条件下的室外空气吸入量进行分析比较，就能直观地评估空调节能情况。enVerid Systems 对此进行了计算，结果表明：在各种不同夏季气候条件下制冷负荷可减少20%-50%；当湿度较高潜热是构成制冷负荷主要因素时，其制冷负荷的减少量尤为明显；在温和干燥气候条件下，节能效果稍逊；而在非空调季节或者暖通空调系统可以通过最大限度利用室外空气处于经济模式下，该解决方案也不适用。HLR空调节能机组在运行时本身也需要能耗，应该从节省总能耗中扣除得到净节能量。HLR空调节能机组年均节能量可达到20%以上。
在一个安装有HLR空调节能机组的研究案例中，我们对一台安装于建筑屋顶，额定容量为17000m³/h AHU通过持续监控供回冷冻水的流量与温度，每周对其产生的空调负荷进行精确分析比较。
在连续几周的时间里，该台AHU每周交替采用（a）传统通风率条件下室外空气吸入量运行和（b）在满足室内空调区域正压条件下最小室外空气吸入量运行，同时采用HLR空调节能机组对污染物进行处理，将每周在不同室外空气吸入量下的冷冻水总能耗汇总后进行比较。该项研究在2012年的夏天持续了7周，结果显示使用最小室外空气吸入量的那几周空调负荷减少了大约50%（图3）。

图3：首次HLR原型试验的结果，将使用传统模式运行（灰色显示）与使用HLR空调节能机组（室外空气吸入量更少，绿色显示）时的每周制冷能耗进行比较。使用HLR空调节能机组可将负荷减少多达50%。

经济性分析
为了直观地进行HLR空调节能机组经济性分析，只关注直接节省的成本、费用和年净节能量，间接产生的收益（如延长滤网更换/清洗的频率）或公共刺激政策（如电费差额定价、电费优惠减免或处罚等）则不在此次经济型分析之中。HLR空调节能机组的经济性分析会分为2种应用场景：第一种将机组应用于新建项目，第二种则将机组应用于现有空调系统的节能改造项目

• 作为新装置中的集成功能
• 用于改造现有空调系统

在第一种新建项目应用中其经济性主要体现在两个方面：1. 最大限度降低冷冻机组、冷却塔以及配套设备、设施的容量成本、管线安装施工的成本，明显降低新建项目的投资金额；2. 通过削减空调峰值负荷后产生的节能收益回报完全能够抵消HLR空调节能机组购买成本，因此对于新建项目而言，HLR空调节能机组可以为投资者明显节省投资金额是一种极具经济价值的方案。
以某新建项目为例，建筑需要设计250冷吨空调峰值负荷配以170,000 m³/h机组而言，其空调峰值负荷削减幅度保守估计也能减少20%即仅需200冷吨。这就意味着可以实现更小容量的冷冻机组、水管、变压器、更小的占地、承重等。仅仅是这些方面的节省就足以抵消HLR空调节能机组购买与安装所增加的成本，而且对于任何气候条件和能源费率来说都能实现积极的经济性。
现有空调系统节能改造经济型分析将基于1,0000m²的商业建筑面积，典型的风量为170,000m³/h，设计人群密度约为500-600人。我们分三种使用情况对每平方米能源成本进行了比较，前提假设三种使用情况年均节省量为20%。

如下所示（表1），年度总节省量非常显著。完整的经济分析可能还应该考虑HLR空调节能机组采购成本、安装费用以及年度维护成本（本文并未涉及这几个方面）。但是，根据这些预期节省量以及HLR空调节能机组相对紧凑和模块化设计，可以看出HLR空调节能机组针对现有空调系统节能改造项目济性还是很可观的，尤其是在制冷季较长或者电费很高的地区更加明显。预计在绝大多数炎热或潮湿气候条件地区的投资回报（ROI）周期通常会缩短到2-3年。

表1：1,0000平方米中HLR空调节能机组的经济性分析（比较3种有代表性的气候条件）。

与现有技术的对比
通过空气替换方式维持室内空气质量的能源成本一直都是人们面临的重大挑战，目前基本存在2种技术方案能够在一定程度上缓解这方面的压力。第一种就是能量回收通风（ERV），第二种是按需通风（DCV）。
ERV保持了传统的通风率/量方式，运用不同类型的热交换元件在排风与室外空气之间进行能量传递交换，但只能传递一部分能量，而且可回收的能量往往很低。加上其他额外因素，最先进最高效的转轮式能量回收的ROI表现可谓差强人意。HLR空调节能机组较之可以节省更多的能源，而且可以提供更简单和更可靠的解决方案。
DCV是一种无需对空气进行任何处理即可减少通风量的方法，它对建筑物内的CO₂浓度进行监控，然后据此相应地对通风量进行调整。当室内人群密度远低于设计值时，能够实现节能，但它通常会忽略室内VOC。因此这种被动DCV方式实际上并不具有提供优良的室内空气质量的能力。实际上，HLR空调节能机组在此基础上不仅能够主动减少CO₂聚集，而且还能对VOC进行监控和主动管理。
结论
HLR空调节能机组可以在多种已有空调系统上进行改装，而且具有相当可观的投资回报期ROI，特别适用于炎热和潮湿的气候条件中地区，是一种可实现暖通空调负荷削减和实现节能的革命性新技术并已经实现了产品化进入商业应用。这种技术可以针对性地除去室内空气中的CO₂和各种VOC，消除室内空气污染物，提高和改善室内空气质量，更重要的是仅需要较少的室外空气流通量，就可以实现年均节能量达20%以上，已成为绿色建筑的新标杆。