碳中和背景下我国空调系统发展趋势

摘要

我国建筑空调系统在运行阶段的年碳排放量约为９．９亿ｔ二氧化碳，降低其碳排放是实现碳达峰碳中和目标的重要挑战之一。本文对我国当前空调系统碳排放量进行了拆解，分析了影响空调系统碳排放的主要技术因素和非技术因素，讨论了降低空调运行碳排放的主要原则，展望了碳中和背景下空调领域重点技术与规范机制的未来发展方向。结果表明，我国空调领域未来应重点关注降低空调系统负荷、提高设备和系统能效的技术，以及制订与完善空调系统产碳量计算、减碳效果定量评估的规范与机制。

关键词：碳中和；空调系统；碳排放；关键技术；规范机制

０、引言

空调系统广义包括供暖、供冷、通风、空调等室内环境控制系统，是保障居住建筑、公共建筑和工业建筑中所需环境参数的主要手段，对人们的健康、舒适和工业产品品质的保障起着至关重要的作用。空调系统需要消耗大量的能源来维持室内温度、湿度、洁净度并保持可接受的污染物浓度水平。据统计，我国空调系统所消耗能源占我国社会总能耗的21.7％[1]，空调系统节能减碳是大势所趋。

随着我国现代化水平不断提高，人们对居住和生产环境的要求越来越高，应用空调系统的场景也越来越多样化。例如，大量长江中下游地区的建筑冬季尚未普及供暖系统，冬季室内环境难以满足人们的舒适性要求；一些经济落后地区既没有冬季的供暖系统，也没有夏季的供冷系统，提升室内舒适度的需求非常紧迫；即使是目前已有空调系统的建筑，也面临着进一步提高室内空气品质和环境舒适性的要求。随着信息技术、互联网技术的进一步发展，以及人们对生活品质和食品安全要求的提高，以数据中心、电子和制药洁净工厂、冷链物流、电动汽车为代表的制冷空调系统新的应用场景得到快速发展。这些不断提高的需求对空调领域未来发展带来了新挑战。在国务院印发的《2030年前碳达峰行动方案》[2]所重点提到的“碳达峰十大行动”中，“能源绿色低碳转型行动”“节能降碳增效行动”“工业领域碳达峰行动”“城乡建设碳达峰行动”等，均与空调系统和设备密不可分。

当前，我国在空调生产、销售和使用数量方面均已占据世界首位，如果未来空调使用量进一步增加，应用场景进一步扩展，控制空调系统的碳排放水平势必会成为我国实现建筑碳中和的最关键环节之一。为不使空调系统碳排放成为我国实现碳中和目标的障碍，必须未雨绸缪，提前规划好我国空调系统的技术发展方向。

1、我国空调系统碳排放分析

我国目前城乡约有600亿 ｍ²各种类型建筑，根据《中国建筑节能年度发展研究报告2021》[1]中的模型计算，我国建筑运行过程能源消耗导致的二氧化碳排放量约为22亿t，其中直接碳排放约占29％，电力相关间接碳排放约占50％，热力相关间接碳排放约占21％。其中，我国建筑中空调系统运行能耗导致的二氧化碳排放量约为9.9亿t。此外，空调系统中所采用的氢氟烃、氢氟氯烃类制冷工质也属于《京都议定书》中所规定的温室气体。我国家用空调和商用空调所使用的 HFCs温室气体排放量约为1.0亿～1.5亿ｔ当量二氧化碳[3]。综上两部分，我国建筑中空调系统运行导致的温室气体排放量约为11.0亿～11.5亿ｔ二氧化碳。

进一步细分我国民用建筑运行过程中能源消耗导致的碳排放可以发现：
1）北方城镇建筑供暖导致的碳排放为5.5亿ｔ二氧化碳，这是暖通空调系统碳排放的主要部分；
2）城镇住宅能耗（除北方供暖能耗外）导致的碳排放为4.6亿ｔ二氧化碳，约1/4（即1.2亿ｔ二氧化碳）与空调系统有关；
3）公共建筑能耗导致的碳排放为6.5亿ｔ二氧化碳，其中约1/3（即2.2亿ｔ二氧化碳）与空调系统相关；
4）农村建筑使用商品能源导致的碳排放为5.2亿ｔ二氧化碳，约1/5（即1.0亿ｔ二氧化碳）与空调系统相关。

其中，空调系统运行过程产生的直接碳排放包括：
1）燃气、燃油、燃煤锅炉等供热过程中燃料消耗导致的直接碳排放。由于供热系统都是化石燃料燃烧获得热量，因此都属于直接碳排放。我国北方供热中燃煤锅炉、燃气锅炉和燃气壁挂炉等导致的直接碳排放量约为2.5亿ｔ。夏热冬冷地区居住建筑和公共建筑中也有部分燃气锅炉或燃气壁挂炉用于建筑供热，直接碳排放量约为0.5亿ｔ二氧化碳。

2）对于燃煤或燃气热电联产、燃气冷热电联产系统，属于1种化石燃料输入、2种以上能源形式输出的系统，其制备并输送的冷、热、电等能量都应考虑直接碳排放量，我国燃煤、燃气热电联产中供热部分分摊的碳排放量约为2.5亿ｔ，燃气冷热电联产系统实际运行规模不大，这部分直接碳排放量可根据具体项目进行统计。

3）直燃型吸收式制冷机由于应用越来越少，其在供冷和供热过程中消耗燃料导致的直接碳排放量在未来会迅速减少至零。

4）家用空调和商用空调设备中使用HFCs导致的直接碳排放（温室气体排放）约为1.0亿～1.5亿ｔ当量二氧化碳。

综上，空调系统运行过程直接碳排放量约为6.5亿～7.0亿ｔ二氧化碳，其中能源消耗导致的直接碳排放约为5.5亿ｔ。

空调系统运行中产生的间接碳排放包括：
1）应用于我国北方建筑中的电驱动热泵、直接电热锅炉或电蓄热锅炉等供热系统运行中的热源电耗，以及水泵输配电耗等导致的间接碳排放，总量约为0.5亿ｔ二氧化碳；

2）应用于居住建筑中的分体空调、多联机等，每年制冷耗电量约为1000亿kW·h，导致的间接碳排放量约为0.8亿ｔ二氧化碳；

3）应用于各类公共建筑中的分体空调、多联机、集中式空调系统、区域供冷系统等，每年制冷耗电量约为2000亿kW·h，导致的间接碳排放量约为1.6亿ｔ二氧化碳；

4）应用于夏热冬冷地区居住建筑和公共建筑中的分体空调、多联机、热泵机组等供热过程消耗的电量，近年来增长迅速，每年约600亿kW·h，导致的间接碳排放量约为0.5亿ｔ二氧化碳；

5）此外，农村部分地区“煤改电”及家用空调用电导致的碳排放量约为１亿ｔ二氧化碳。

综上，我国空调系统用电导致的间接碳排放约为4.4亿ｔ二氧化碳。

2、影响空调系统运行过程碳排放的主要因素

2.1、主要技术因素

1）冷热源及输配系统效率。
在冷热源方面，提高冷水供水温度和降低热水供水温度往往能够明显提高空调系统冷热源机组的能效水平。但是，目前我国空调系统设计和运行大多仍然按照传统冷水供回水温度（7 ℃/12 ℃）及供暖热水供回水温度（60 ℃/50 ℃），有较大节能潜力。在输配环节，目前主要依赖阀门实现冷热量的分配和调节，导致输配系统实际运行效率仅为
30％～50％，有显著节能空间[4]。除此之外，空调运行过程中往往产生大量废热，如能采用热回收技术将这些排热收集起来并加以利用，则既可减少环境污染，又可显著提高冷热源效率。最后，积极应用清洁能源技术也是减少空调系统碳排放的有效途径。

2）空气处理过程效率。
传统空气处理过程主要采用冷凝方式降温除湿，由表冷器将空气温度降到露点温度以下除湿后再热送入室内。不考虑被处理空气温度的差异，不论是新风还是循环风都采用同一温度的冷热源对空气进行处理，会导致能量品位错配。大量原本可以由更高温冷水和更低温热水处理的空气负荷均采用低温冷水和高温热水处理，导致能源浪费。在实际中，甚至还会出现除湿后加湿的现象，导致大量的冷热抵消[5]。在加热和加湿过程中，也存在大量直接采用电或高品位热量处理空气的情况。

3）运行调节。
目前大量空调系统还未实现自控，即使实现自控的空调系统，其运行控制仍以基于 PID 的传统控制方法为主，虽可满足空调系统的调节需求，但并不能完全保证各设备的运行效率最优，也不能保证系统层面的负荷分配协调及系统控制最优化。

由于空调系统形式多样，且运行过程中设备性能也会不断发展变化，未来需要在原有 PID 控制的基础上，通过对空调系统实际运行数据的分析，发掘负荷的变化规律，并挖掘设备及系统用能效率与设备运行频率、负荷分配计划、设定温度目标等设备运行设置的关系，制定高效且满足舒适性要求的控制计划，从而进一步提升空调系统的自动控制优化能力，建立更高效的智能运维系统。

4）空调系统消纳可再生能源能力。
传统空调系统设计时基本不考虑其用能柔性[6]，蓄能技术在空调系统中的应用也不多，从而导致现有空调系统消纳可再生能源的柔性不足。为实现低碳发展，未来建筑自身将与可再生能源紧密结合，送入建筑的电力也会包含大量可再生能源电力，这就要求未来空调系统有足够的柔性应对间歇、不确定的自然能源供应方式，从而消纳更多建筑内生产和来自电网的可再生能源电力。

2.2、主要非技术因素

1）设计标准。
现有设计计算方法往往以满足极端工况下的空调需求为目标导向，而极端工况在系统实际运行过程中往往很少出现，设备容量普遍偏大；同时，由于建设资金来源、室内参数保障责任、设计和建设费用分配等方面机制不完善，导致大量空调系统的设备选型过大，不仅使得设备不必要闲置，而且导致大部分工况下系统运行效率较低。

2）设备标准。
目前各类设备标准中的系统性能主要是在特定的实验工况下确定的，但现行低碳标准对碳排放量做出的要求均是针对实际应用时的复杂工况提出的，这与传统的空调行业标准中大多数系统性能均在特定实验工况下定义的情况尚有一些偏差。目前以实际运行条件下的系统能效为尺度，体现设备智能化控制水平差异性，包括限制空调系统全寿命周期碳排放的设计要求的评价标准尚未建立。

3）政策因素。
现有空调行业标准规定了房间空气调节器的能效等级、能效限定级及试验方法[7]，但在政策方面缺少针对限制空调系统全寿命周期碳排放的设计要求与问责机制，这就导致许多厂家及客户会选择低效、便宜的空调设备和组件，进而导致空调系统运行阶段的高碳排放。

综上所述，建立合理的设备设计、验收评判标准，从而指导系统的合理建设，尤其是注重实际条件下的控制能力及实际能效水平的评价，对未来空调系统低碳设计和建设有着极其重要的意义。

3、碳中和背景下我国空调系统技术发展路线

3.1、空调系统运行过程降低碳排放的主要原则

1）降低负荷侧冷热需求，并显著提高空调系统能效。当前我国空调系统运行过程中的碳排放已达9.9亿ｔ二氧化碳，如果不能显著降低空调系统冷热需求并提高空调系统能效，则未来碳排放量还可能进一步增加，这将严重影响我国碳中和目标的实现。

2）提高空调系统电力“柔性”，降低用电碳排放因子。一方面，充分发挥空调系统中的蓄冷蓄热体，主动错峰并消纳可再生能源电力；另一方面，利用空调系统与被控环境及建筑物的热惯性，调整送风温度、进水温度、蒸发温度等参数，在满足室内环境基本要求的前提下，在电力高峰期有效降低用电量。

3）减少氢氟碳化物的充灌量，降低空调系统制冷主机或热泵主机运行、维修、维保和拆除过程中制冷机泄漏和避免排放。大力发展与推广制冷剂替代技术，并逐步淘汰现有氢氟碳化物设备。

4）推动全面电气化，将空调系统的直接碳排放降低至零。在有条件的地区或实际工程中，以各种适宜的电驱动热泵技术替代燃煤、燃气、燃油锅炉等。将燃烧化石燃料和具有较大碳排放的直燃型吸收式制冷系统替换为高效电驱动冷水机组等。

5）研发和推广智能化技术，提高运行维护精细化程度。充分发挥空调系统运行数据价值，挖掘出实时运行中存在的异常、故障和能源浪费等问题，为进一步自动化提供改进建议和实时运行参数优化建议，乃至直接接管系统调度运行。

6）建立完善的标准与政策体系，并降低其实施难度。建立限制空调系统全寿命周期碳排放设计要求与问责机制的相关标准。

3.2、面向碳中和的空调系统重点技术

3.2.1、降低空调系统负荷相关技术

1）降低围护结构负荷。新型保温材料。高性能保温材料，如气凝胶保温材料及真空隔热板，其 导 热 系 数 可 低 至 0.004Ｗ/(ｍ·K)，用于建筑保温将大大减少通过围护结构的传热。例如，SiO₂气凝胶可以制作出新型气凝胶墙板、气凝胶毡、气凝胶涂料和气凝胶砂浆混凝土等保温性能优异的新型建筑墙体保温材料，在建筑墙体保温隔热领域有着广阔的应用前景[8]。真空隔热板的导热系数只有0.002～0.004Ｗ/(ｍ·K)，仅用很薄的真空隔热板保温墙体就能达到低能耗的标准[9]。

2）提高空调系统电力“柔性”，降低用电碳排放因子。一方面，充分发挥空调系统中的蓄冷蓄热体，主动错峰并消纳可再生能源电力；另一方面，利用空调系统与被控环境及建筑物的热惯性，调整送风温度、进水温度、蒸发温度等参数，在满足室内环境基本要求的前提下，在电力高峰期有效降低用电量。

3）减少氢氟碳化物的充灌量，降低空调系统制冷主机或热泵主机运行、维修、维保和拆除过程中制冷机泄漏和避免排放。大力发展与推广制冷剂替代技术，并逐步淘汰现有氢氟碳化物设备。

４）推动全面电气化，将空调系统的直接碳排放降低至零。在有条件的地区或实际工程中，以各种适宜的电驱动热泵技术替代燃煤、燃气、燃油锅炉等。将燃烧化石燃料和具有 较大碳排放的直燃型吸收式制冷系统替换为高效电驱动冷水机组等。

5）研发和推广智能化技术，提高运行维护精细化程度。充分发挥空调系统运行数据价值，挖掘出实时运行中存在的异常、故障和能源浪费等问题，为进一步自动化提供改进建议和实时运行参数优化建议，乃至直接接管系统调度运行。

6）建立完善的标准与政策体系，并降低其实施难度。建立限制空调系统全寿命周期碳排放设计要求与问责机制的相关标准。

3.2、面向碳中和的空调系统重点技术

3.2.1、降低空调系统负荷相关技术

1）降低围护结构负荷。
新型保温材料。高性能保温材料，如气凝胶保温材料及真空隔热板，其 导 热 系 数 可 低 至 0.004Ｗ/(ｍ·K)，用于建筑保温将大大减少通过围护结构的传热。例如，SiO₂气凝胶可以制作出新型气凝胶墙板、气凝胶毡、气凝胶涂料和气凝胶砂浆混凝土等保温性能优异的新型建筑墙体保温材料，在建筑墙体保温隔热领域有着广阔的应用前景[8]。真空隔热板的导热系数只有0.002～0.004 Ｗ/(ｍ·K)，仅用很薄的真空隔热板保温墙体就能达到低能耗的标准[9]。

可变性能围护结构。室外气象参数全年不断变化，理想的围护结构应能够顺应室外变化改变物性实现节能。在寒冷季节能够增强保温性能，允许更多太阳辐射进入室内；在热湿季节能够减少外界高温高湿向室内传递，并减少太阳辐射进入室内；在过渡季节能够有利于室内热量散出。例如，相变材料墙体能够改变建筑的热惰性，减少室外温度波动对室内温度的影响。电致变色玻璃可以动态改变窗户的特性，从而优化照明与得热。

利用自然能源的新型围护结构。利用自然能源去除围护结构负荷，甚至去除部分室内负荷，例如嵌管式墙体、嵌管式窗户、水流窗、蒸发冷却墙、天空辐射膜等。嵌管式墙体采用类似辐射地板的方式，将管道嵌入外墙中，在夏季和冬季分别将自然环境中采集到的冷却水和低温热水送入嵌管式墙体中[10-11]。蒸发冷却墙通过外墙上冷却水的蒸发，降低墙表面的温度。嵌管式窗户在双层窗户中间将遮阳百叶串在水管上，通过调节百叶的角度拦截太阳光或让其通过，在需要减少太阳辐射热的季节，则将自然环境中采集到的冷却水送入嵌管中，将百叶吸收的太阳热直接排除，从而显著减少太阳辐射对室内环境的影响[12-13]。在供暖季，通过调节百叶角度使太阳光进入室内，还可进一步将自然环境中采集到的低温热水送入嵌管中提高窗户温度，减少室内通过窗户的散热[14]。水流窗是在两层窗户间送入自然环境中采集到的冷却水，以减少通过窗户进入室内的热量。天空辐射膜[15]是利用一种特殊结构材料制成的膜，在将太阳辐射热全部反射的同时，还通过特定波长的热辐射将热量穿过大气层，通过与外太空的热辐射，使材料表面温度低于室内空气温度，从而显著减少围护结构在夏季向室内的传热。

2）降低新风负荷。
按需通风。根据空间人流密度的变化，对新风量进行实时调节，这样既保证了室内空气品质，又预防了过量通风，相对于传统的定新风量送风有着巨大的节能潜力。

能量回收[16]。通过能量回收系统实现排风与新风的热量交换，可实现新风负荷的显著减少。有些建筑存在冬季需要供冷的内区，在冬季时将这些内区的热量回收用于预热新风，不仅可以减少新风热负荷，还可以为内区提供免费冷量。

引入自然能源。用自然能源对新风进行处理[17]，将新风引入地埋管中，通过与土壤的换热减少新风夏季和冬季负荷，或者将通过土壤等方式采集的自然能源送入新风处理装置中，对新风进行预处理，从而减少所需机械冷热源的数量。

3）降低空调负荷需求。
传统空调系统基于均匀混合的方式营造室内环境，导致室内负荷较大。采用置换通风、地板下送风等高效的气流组织，可以形成非均匀的室内环境，将冷热量和新风重点用于人员工作区，从而减少空调负荷。在工位处安装空调针对个人实现个性化送风，可以进一步降低空调负荷需求。个性化空调系统主要分为地板个性化空调系统、桌面个性化空调系统、隔板式个性化空调系统及顶棚个性化空调系统[18]，其能量基本全部用在实际需要的空间，比传统空调的效率可高出40％[19]。为了更好地适应人员位置的变化，还可以通过辨识技术获得人员位置和运动方向，并在室内安装可实现多种送风模式的送风末端，基于人员位置实现面向人员的高效送风[20]。

3.2.2、提高设备和系统能效

1）高温供冷／低温供热。
现有研究表明，不管是新风负荷还是回风负荷，一半以上的负荷均可以用更高温度的冷水或更低温度的热水进行处理。温湿度独立控制系统通过将显热负荷与潜热负荷分开处理，可以将冷水温度提高到16 ℃/20 ℃，从而大幅提高冷水机组能效。由于大量的冷热是用于处理新风负荷的，而新风负荷中有相当一部分可以用高/低于室温的水进行处理（冷却/加热），以此为基础就可以构建出显著高于16 ℃/20 ℃的冷水机组和温度低于30 ℃的热水机组，从而更大幅度提高冷热源效率。

2）高效热泵。
在制取合理的冷热水温度条件下，可以通过提高冷热源设备在额定工况和部分负荷工况下的效率，实现热泵效率的显著提升。典型技术包括磁悬浮离心机、无霜空气源热泵、复合源热泵等。

磁悬浮离心机采用磁悬浮轴承，无需润滑油，轴与轴承之间几乎零磨损，IPLV（综合部分负荷性能系数）可达11.5[21]。目前，磁悬浮离心机市场容量每年的增速保持在50％以上，是未来高效冷源的重要发展方向。此外，磁悬浮离心机可以与水源、地源等热泵系统结合，利用双级压缩等技术克服制热工况下压比大的问题，从而大幅提升系统供热效率，实现冬夏两用，这是磁悬浮离心机的又一发展方向。

无霜空气源热泵（热源塔热泵）[22-23]以溶液、水分别作为冬夏季室外空气与热泵间热量交换的中间介质，采用直接接触式的全热交换过程代替常规空气源热泵间壁式的显热交换过程，实现系统冬季无霜与夏季水冷，是一种冬夏双高效热泵系统。无霜空气源热泵在未来一段时间内迫切需要解决的问题是：开发低腐蚀、低成本的新型循环溶液；开发更为高效的溶液再生方法，并充分回收再生过程的余热、余压；提高系统低温下的供热性能，拓展系统的应用范围。

鉴于单一源/汇难以做到全年高效，采用多种源联合工作的复合源热泵可以充分发挥各种源/汇的优势，从而实现全年高效运行。典型的复合源热泵包括：空气源与冷却塔联合工作的全年供冷型、夏季供冷冬季供热型，空气源（无霜空气源）[24]与地源联合工作可以减少地埋管数量并实现土壤全年热平衡，空气源（无霜空气源）[25]与太阳能集热装置联合工作可以实现充分利用不同辐射强度的太阳能并实现空气源热泵除霜时供热能力不衰减。

3）能量回收与自然能源利用。
当存在同时供应冷热的需求时，可以使热泵设备同时制冷和制热。当冷热不匹配时，可以通过回收制冷设备排放的冷凝热产生所需要的热水。这类热回收技术在合适的场合能显著提高系统能效。

还有一些场合可以利用自然环境直接生产所需要的冷源，如蒸发冷却和免费供冷。直接蒸发冷却是使空气和水直接接触，通过水的蒸发实现空气的等焓加湿降温过程。间接蒸发冷却是将直接蒸发冷却得到的湿空气的冷量传递给建筑内的循环空气，实现空气等湿降温的过程。蒸发冷却技术利用环境空气未饱和这一特性，充分利用干空气能这一可再生能源，以水为冷却介质，无氟利昂等制冷剂，更加低碳环保，其运行费用仅为传统压缩式制冷的25％[26]。直接/间接蒸发冷却器、蒸发冷却空调/冷水机组在厂房、机房中有大量应用。冷却塔也属于蒸发冷却技术的范畴，或与压缩式制冷机组联合使用，或单独运行满足过渡季的冷负荷需求。随着全球数据中心等全年较长时间供冷建筑数量的大幅增加，蒸发冷却技术迎来了发展的黄金时期，如何实现模块化/集成化的设计，减小设备尺寸，缩短建设周期，如何更好地将蒸发冷却技术与其他制冷技术、可再生能源技术结合以满足不同应用场景的需求，是未来发展的主要方向[26]。

4）高效冷热站。
近年来，高效制冷机房得到较快发展。高效制冷机房系统以实际运行性能作为评判依据和优化目标。但目前的制冷机房主要生产7 ℃/12 ℃冷水，而新风和循环风负荷中的大部分可以用高于7℃/12 ℃的冷水进行处理。现有研究表明，如果制冷站生产多种温度的冷热水，对新风和循环风进行分级处理，可以使制冷站的能效比超过10。当前采用2种温度冷水（中温水和低温水）的系统已在洁净空调系统中应用，未来应在更多建筑中推广使用，以全面提高制冷站能效水平。

随着热水生产方式逐渐由燃料燃烧转变为热泵制取，低温热水的优势越来越突出。在新风和循环风的热负荷中，绝大部分负荷可以采用30 ℃以下的热水处理，这为低温热水的应用提供了契机。未来的冷热站应提供多种温度的冷热水，根据所处理负荷需要的温度，合理选用冷热水温度，从而实现冷热站能效的大幅提升。

冷热站往往采用多台冷热源设备，对多台冷热源设备进行优化控制，在满足冷热需求的前提下最大限度地提高冷热站效率，是冷热源群控的重要任务。目前虽有各种类型的群控策略，但如何适应不同的冷热源系统、如何适应运行过程中的性能变化、如何更好地结合当地气象条件，是未来群控技术需要关注的问题。

此外，冷热源的输配能耗在许多系统中占有相当大的比重，尤其是部分负荷下，最主要原因是空调水系统主要依赖阀门实现冷热量的分配和调节。随着直流电动机性能的提高，用水泵代替阀门进行冷热量的分配与调节，将显著降低水泵运行过程中的扬程，从而显著降低输配能耗。

同时，采用低品位能源总线与直膨式系统相结合，在各空气处理末端根据所需要的温度品位借助直膨式方式处理空气，既能够提高冷热源效率，又可以降低输配能耗。该项技术在未来空调系统中也将具有广阔的应用前景。

3.2.3、提高空气处理设备输配效率

传统空气处理过程主要使用空调箱与风机盘管进行冷凝除湿，需要的冷热源品位较高且经常出现冷热抵消。辐射制冷/热可以采用更高/低温度的冷/热水，且舒适性更好。嵌管式围护结构可以采用非常高/低温度的冷/热水处理围护结构负荷。未来的室内环境控制应充分结合空气末端、对流辐射末端和嵌管围护结构（广义末端）的各自特点、优势合理搭配，从而利用不同温度的冷热源处理合适温度品位的负荷[27]，以大幅降低空调负荷处理能耗。

为了更高效地处理湿负荷，以液体、固体吸湿剂为代表的吸湿剂除湿技术得到快速发展[28]。它们不仅应用于潜热负荷的处理，还大量应用于新排风的全热热回收中，包括严寒地区新排风高效热回收，可有效避免排风侧的结霜和结冰风险。

传统空调系统通常统一处理送风，为满足较高的温度和湿度精度，往往不得不在冷凝除湿后再进行加热。新风与循环风独立处理可较好地解决这一问题。配合合理的温度和湿度独立控制系统，不仅能够杜绝冷热抵消，还可大幅提高热湿处理效率。同时，就近处理循环风也减少了长距离回风带来的初投资增加，并显著减少风机能耗。

此外，传统的空气处理装置通常采用一种温度的冷热源，而无论是处理新风还是循环风，均具备采用不同温度冷热源处理的潜力。应开发可使用多种不同温度品位的冷热源对空气进行分级处理的空气装置，以显著提高对应的冷热源效率。

3.2.4、提高空调系统柔性与可再生能源应用比例

随着可再生能源大量使用，迫切需要大量能够参与电网运行控制的柔性负荷。空调负荷在电力负荷中占有很大比重，已成为季节性峰谷拉大的主要原因[29-30]。若空调负荷不能增加柔性，则会对电网的稳定运行产生较大的影响。未来空调系统应充分利用水蓄冷/热、冰蓄冷、相变储能等蓄热/冷装置，增加空调系统柔性，通过电力系统的需求侧响应，主动错峰或主动消纳可再生能源电力。另一方面还可利用风机、水泵、压缩机等变频调速与送风温度、送水温度、蒸发温度等参数的调节结合，利用空调系统的热惯性和被控环境及建筑物的热惯性，实现冷热负荷短时间的大幅度调节，从而更好地消纳建筑自身产生的能源并适应未来可再生能源占比较高的电力系统要求。

此外，空调系统还应与建筑中的可再生能源和直流供电相结合，将空调系统发展成为“光储直柔”建筑中的重要一环，利用直流直驱电动机提高空调系统效率的同时[31]，更加迅速有效地吸纳电网中的可再生能源电力，特别是光伏发电形成的零碳电力。

3.2.5、智慧运维技术

实际空调系统能效水平受到设备基础性能、系统控制水平、运维管理水平等方面的影响，其中空调系统的调适、故障运维与节能控制在空调系统节能减碳中起着重要作用。

空调系统调适是在项目的规划、设计、施工、验收及运营的全过程中，通过管理手段避免各个环节中可能出现的问题，通过技术手段确保建筑设备和系统从设计阶段直至运营阶段的性能落地，最终实现工程建设目标，达到能源系统供给侧与需求侧的最佳匹配[32]。调适的理念引入我国的时间较晚，但近些年发展迅速，2021年发布的全文强制性国标 GB55015—2021《建筑节能与可再生能源通用规范》明确提出：“当建筑面积大于10万平方米的公共建筑采用集中空调系统时，应对空调系统进行调适。”

空调系统的节能控制可分为底层控制和上层控制。底层控制主要是基于PID的传统控制 方法，通过内置调控实现自动调控的过程。上层控制则主要是根据多个设备的运行目标进行调整和设备群控，从而达到系统层次节能的效果。底层的PID方法经过长期研究已较为成熟，而上层控制的研究及工程实现目前发展潜力相对较大，也是空调智能化控制的主要研究方向。目前较成熟的上层智能控制，通常是基于专家知识制定的控制方案编写相应的控制算法，通过分配系统负荷、改变设备频率等方法实现系统的智能控制。但由于运行管理人员专业水平参差不齐，常存在管理人员难以落实运维策略的问题。

在当前的大数据、智能化时代中，利用用户数据实现智能化的空调运维管理和控制优化方案已成为可能。利用空调系统中记录的温度、湿度、压力、功率等物理信息，以及控制信号、维护计划等运行方案信息，可以实现包括系统零部件优化、系统故障检测与诊断、能耗维护与预测、系统智能化优化控制等在内的功能，甚至也可能根据气候条件、用户行为预测的学习结果，为用户提供空调个性化定制、室内环境的个性化定制服务。

基于大数据的空调故障诊断与节能优化，可以提升运维方案智能化程度及实施效率，在初期阶段实现故障诊断乃至于故障预警。在系统节能优化方面，以减少系统能耗、降低碳排放为目标，采用智能控制的上层控制优化，是一个有潜力的发展方向。目前，采用模型预测控制的原理实现智能化的设备调节和群控方案是可能的实现方法之一。

目前，大数据分析方法在实践中面临的主要问题为采集点位少、数据质量不高、信息收集不完善等。解决这些问题，是进一步挖掘大数据在空调运维及运行优化中的应用前景的关键。

3.3、规范与机制

目前我国空调系统设计、运行、维护和管理全寿命周期普遍处于粗放状态，需要面向未来空调系统减碳推进相应规范与机制的系统性建设，对市场行为和用能行为进行奖惩，以扭转“劣币驱逐良币”等行业弊病，推动该领域减碳向精细化方向发展。我国规范与机制方面已有一定基础，但是在定量化、精细化、体系化及可执行性方面仍需进一步重点提升[33-36]。

空调系统的标准规范应从关注节能和可再生能源替代全面向碳排放和系统减碳转变，重点提高标准规范的可操作性和可执行性。规范与机制体系应包括空调系统产碳量的科学合理计算、减碳效果定量公平评估、结果导向的全寿命周期问责机制、参与电网需求侧响应市场机制4个相辅相成的方面，并进一步激发未来可再生能源占比提升情况下空调系统对社会整体减碳的潜力。

3.3.1、空调系统产碳量计算规范

空调系统产碳量的科学准确计算是空调系统碳中和政策制定和执行的重要依据，涉及到空调系统设计、运行及改造、报废等全寿命周期阶段。产碳量计算方法要满足简便、易用和准确的基本需求，在实际推广应用中要能够保证评价结果的一致性和权威性。目前我国已有一些相关碳排放计算标准，但是还未形成针对空调系统的全寿命周期碳排放计算标准规范体系[37-39]，需要在如下方面进一步深化：1）空调系统制造、运输、安装、报废等过程碳排放计算方法；2）空调系统设计方案的碳排放评估方法；3）空调系统运行过程中碳排放计算方法。此外，对于产碳量计量的不确定度需要有定量的描述方法，为保障政策的公平性提供客观依据。

3.3.2、空调系统减碳效果定量评估规范

空调系统减碳效果的定量评估是相关减碳政策充分发挥作用和高效执行的前提。目前国内大部分技术标准仍大多关注空调系统节能量评估，且评估方法较为粗放，往往出现节能量评估值的不确定度和实际节能量处于同一个量级，可执行性有待提高[7, 40-42]。因此，在减碳效果评估方面需要重点发展如下几个方面：1）从关注节能量评估转换到减碳量评估，并加强标准规范的体系性建设，兼顾气候区域、建筑类型及建造年代等差异性；2）解决在实际采集数据维度不高和数据质量差等情况下减碳效果定量可靠评估难题，并形成简单易用的软件工具；3）建立长效机制保障减碳评估的客观性、准确性、中立性、公平性和权威性，并进一步提高规范机制的可操作性和可执行性。

3.3.3、结果导向的全寿命周期问责机制

目前我国空调系统领域设计、施工、调试、验收和运行等各个环节较为割裂，难以十分清晰且定量合理地将碳排放分摊到具体环节进而制订问责机制，进一步催生了“劣币驱逐良币”等现象，不利于该领域节能减碳工作推进。目前我国缺少客观定量公平地界定设计、施工和运行等环节对空调系统实际碳排放责任的问责机制。推行问责制将使项目管理更加科学化、规范化、透明化，更大程度地调动项目实施各阶段每一方负责单位的积极性。在
空调系统减碳效果定量评估基础上，问责机制要能够定量化各阶段参与单位的职责，清晰界定责任主体的责任与后果。

3.3.4、空调系统参与电网需求侧响应市场机制

随着未来可再生能源占比越来越高，电力的供需动态平衡难度也随之越来越大，空调系统具有可调控潜力大、响应效果明显和成本低等优势，具备未来成为稳定电网平衡基石的潜力，客观上能够为社会整体碳排放降低作出积极贡献。随之而来需要解决如下几个问题：1）定量计算空调系统参与电网需求侧响应的减碳贡献度；2）制定合理市场政策激励参与需求侧响应行为，以及惩罚相反的行为；3）在空调系统减碳定量计算中抵扣需求侧响
应期间耗能量的局部碳排放的上升。在此基础上，应建立长效市场机制及相关标准规范，充分发挥空调系统在保障电力供需稳定平衡方面的作用。

4、结论

空调系统对人们的健康、舒适和工业生产品质的保障起至关重要的作用，其运行过程中能源消耗导致的二氧化碳年排放已达9.9亿ｔ，其中直接碳排放约5.5亿ｔ，间接碳排放约4.4亿ｔ，是碳达峰、碳中和目标实现过程中的重要议题。当前导致空调系统碳排放高的主要技术因素包括被动技术应用不合理、冷热源系统效率不高、空气处理系统效率不高、空调系统消纳可再生能源能力差、运行调节未优化等，而非技术因素主要是缺少针对限制空调系统全寿命周期碳排放的设计要求与问责机制。

针对现有空调系统存在的问题，降低空调系统运行过程碳排放的主要原则为：降低空调系统冷热需求并显著提高空调系统能效，充分提高空调系统主动吸纳本场或附近电网可再生能源电力的“柔性”，减少氢氟碳化物（HFCs）在制冷主机或热泵主机中的充灌量、泄漏量，将燃烧化石燃料的锅炉和直燃型吸收式制冷系统用电动式热泵或冷水机组替换，充分挖掘空调系统运行数据从而提高智能和智慧运维水平，建立限制空调系统全寿命周期碳
排放设计要求与问责机制的相关标准。

未来空调系统节能降碳的重点技术方向包括降低空调系统负荷、提高冷热源设备和系统效率、提高空气处理设备与输配效率、提高空调系统柔性、智慧运维等；而在规范与机制方面则应重点发展空调系统产碳量的科学合理计算、减碳效果定量公平评估、结果导向的全寿命周期问责机制和参与电网需求侧响应市场机制等内容。

参考文献