210383_公共建筑中央空调系统节能措施分析.doc

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1、公共建筑中央空调系统节能措施分析周伟东摘要： 本文从我国的节能形势出发，根据大型综合性公共建筑的特点，以天津市重点工程中环广场在空调系统方案选择、方案设计过程中遇到的实际问题为例，结合设备的日常运行管理方面的经验，针对中央空调在设计中应认真考虑的系统能耗的影响因素，从减少系统冷、热负荷，提高冷、热源效率，利用自然冷源，降低风机电耗，降低水泵电耗，加强楼宇自控系统等六个方面分析了公共建筑空调系统节能的一些具体技术措施和实施办法，提出了现阶段我国公共建筑中央空调系统节能的重要意义。关键词： 中央空调 空调节能 节能措施1 引言随着我国经济建设的平稳、快速发展，大型、超大型的公共建筑在全国大量兴建。

2、仅以天津市海河改造为例，市委、市政府提出了将海河建设成为“独具特色、国际一流的服务型经济带、景观带和文化带”的宏伟蓝图，整体规划达42平方公里。天津湾是海河改造的六大节点之一，规划总建筑面积约100万平方米，由公建和居住两部分构成，公建部分约占70%，主要以“水主题乐园”为核心，包含水上运动、商业休闲、高级公寓、写字楼、星级酒店、综合性游乐城等多种功能，集酒店、餐饮、娱乐、居住、办公于一体。中环广场位于项目用地的最北端，位置得天独厚，它由一个9.7万平米的新建商业建筑和一个3.1万平米的改造旧厂房组成。新建商业建筑地下一层为停车场、人防、设备机房等，地上八层，一至四层主要经营品牌店，五至七层为

3、设施齐全可自由分割的甲级写字楼，八层为会所；改造的旧厂房共三层，将以“餐饮娱乐”为主题，中环广场建成后将成为天津市的一个新的标志性建筑。目前，国内开发建设的公共建筑，中央空调系统普遍存在着高能耗的问题。清华大学在2002年对北京市的十家营业较好的大商场进行了全面的测试和统计，这些商场全年的平均运行能耗是188 kwh/m2.a，而在气候条件大致相当的日本，同类建筑的全年平均能耗是135 kwh/m2.a，也就是说，北京市的商场的能耗要比日本高出将近40。现在，空调能耗是公共建筑能耗的主要部分，占建筑总能耗的5060。2002年天津市空调用电量已占全市总用电量的26，每年用电高峰期间都会给全市的

4、供配电带来沉重的压力，全国大部分城市都存在这一问题。随着经济的发展，能源供应会更加紧张，如果不能平衡、协调好能源发展，不重视节能问题，将会严重影响我国经济的持续、稳定、健康发展。因此，公共建筑节约空调能耗是刻不容缓的，公共建筑节能设计标准近日已由建设部和国家质量技术监督检验检疫总局联合发布，于7月1日起正式实施。由于天津湾规模巨大，且以公建为主，中央空调系统节能潜力巨大，是一个需要认真考虑的问题。2 综述空调系统的能耗主要有两个方面，一方面是为了供给空气处理设备冷量和热量的冷、热源能耗；另一方面是为了给房间送风和输送空调循环水，风机和水泵做功所消耗的电能。冷、热源的能耗由建筑物所需要的冷负荷和

5、热负荷决定。建筑物的空调冷负荷和热负荷的影响因素有：室外气象参数、室内空调设计标准、外墙门窗的传热特性、室内人员、照明、设备的散热、散湿状况以及新风量的多少等等。风机、水泵的输送能耗受所输送的空气量、水量和水系统、风系统的输送阻力影响。风系统、水系统的流量和阻力的影响因素有系统型式、送风温差、供回水温差、送风和水流流速、空气处理设备和冷热源设备的阻力和效率等等。针对上述影响因素和公共建筑的特点，公共建筑空调节能的技术措施可以从以下六大方面着手：减少冷、热负荷，提高冷、热源效率，利用自然冷源，降低风机电耗，降低水泵电耗，加强系统控制。2.1 减少冷、热负荷冷、热负荷是空调系统最基础的数据，制冷主

6、机、供热锅炉、冷热水循环泵以及给房间送冷、送热的空调箱、风机盘管等规格型号的选择都是以冷、热负荷为依据的。如果能减少建筑的冷热负荷，不仅可以减小制冷机、供热锅炉、冷热水循环泵、空调箱、风机盘管等的型号，降低空调系统的初投资，而且这些设备型号减小后，使变配电设备初投资也相应减少了，最终使得上述空调设备日常运行耗电量减少，运行费用降低。所以减少冷热负荷是商业建筑节能最根本的措施。减少冷、热负荷有以下一些具体措施：2.1.1 改善建筑的保温隔热性能房间内冷、热量的损失主要是通过房间的墙体、门窗等传递出去的。改善建筑的保温隔热性能可以直接有效地减少建筑物的冷热负荷。改善建筑的保温隔热性能可以从以下几个

7、方面着手：确定合适的窗墙面积比例，不要盲目追求大窗户、全玻璃幕墙，新标准要求大型商业建筑的窗墙面积比不宜超过0.7；合理设计窗户遮阳；使用保温隔热性能好的玻璃窗，做好外墙外保温。作为天津市的一个标志性建筑，中环广场在建筑立面上仍然采用了玻璃幕墙的形式，但选材上考虑了专业人员的意见，选用了镀膜低辐射隔热双层呼吸式玻璃幕墙，这种幕墙具有很好的保温隔热效果，并且能通过夹层通风有效地减少太阳辐射产生的冷负荷。 2.1.2 选择合理的室内设计参数空调的主要目的是创造一个舒适的室内空气环境，满足人们办公、学习、娱乐等的舒适及卫生要求。美国供热、制冷空调工程师学会设计手册1（ASHRAE Handbook）

8、给出了人体感觉舒适的室内空气参数区域，大约是空气温度：1323，空气相对湿度：20%80%。如果夏季设计温度太低或冬季室内设计温度太高，都会增加建筑物的冷、热负荷。所以，在满足舒适性要求的条件下，要尽量提高夏季的室内设计温度和相对湿度，尽量降低冬季的室内设计温度和相对湿度。室内外温差过大反而使人体感觉不适。如中环广场超市部分夏季室内设计温度由25提高到26，冬季室内设计温度由20降低为18，就是这12的温差，可以节能5以上。国内设计人员的设计都是比较保守的，每个人都有过这样的经历：冬季逛商场时，手里还要抱着大堆衣物，仍然觉得燥热，这是能源的极大浪费，除了运行管理的问题外，设计得太保守也是一个重

9、要的原因。中环广场的设计中，我们采用一套先进的负荷计算软件，利用动态热模拟技术对不同的方案进行详细的模拟预测和比较，最终选定的建筑方案比原方案节能30以上。2.1.3 局部热源就地排除公建中有些房间，由于使用功能的需要，会在房间的局部产生较大的散热量，例如厨房的灶台、医院消毒间的消毒柜、电话机房的交换机等。中环广场中餐饮、超市的厨房在空调系统设计时，充分考虑了在发热量比较大的热源附近设置局部排风，将设备散热量直接排至室外，减少了夏季的冷负荷。不过在实际运行管理中，有些排风机可能没有开启或者发生故障得不到及时的更换和修理，这时一个好的物业管理就很重要了。2.1.4 控制和正确使用室外新风为了保证

10、室内的空气品质，适量的新风是中央空调系统所必需的。新风负荷会占建筑物总负荷的2030，控制和正确使用新风是空调系统最有效的节能措施之一。春、秋季或冬季，有些房间仍需供冷，此时当室外空气焓值小于室内空气设计状态的焓值时，可采用室外新风为室内降温，不但改善了室内空气品质，而且降低了主机的开机负荷，节省了能耗。如果系统采用四管制方案，不但投资会增加很多，系统也会很复杂，冬季还要开启冷却塔，室外管路还要做电伴热等防冻措施。而且此时若开启冷机供冷，由于此时冷负荷较小，冷机制冷系数会较低，能耗会很大，这样是极其不合理的。中环广场占地面积非常大，有明显的内、外区。设计中，内区新风系统除了能满足最小新风要求外

11、，单独增加了一套新风，来满足过渡季及冬季降温的使用要求。在管理方面，加强对物业人员的管理，通过西门子的楼宇自控系统设定好自动取新风的时间段，比如夏季在凌晨时向楼内通新风，冬季在午后取足够的新风，最热、最冷时节，仅用最小新风，过渡季节采用最大新风。2.2 提高冷、热源效率评价冷、热源效率的性能指标是COP（Coefficient Of Performance ）值，它是指单位功耗所能获得的冷量、热量。水冷机组制冷系数与制冷剂的性质无关，仅取决于被冷却物的温度T0 和冷却剂温度Tk， T0越高，Tk越低，机组的制冷系数越高2。所以空调系统冷机的实际运行过程中不要使冷冻水温度太低、冷却水温度太高，否

12、则制冷系数就会较低，产生单位冷量所需做的功就多，耗电量就高。故提高冷源效率可采取以下一些措施：2.2.1 降低冷却水温度由于冷却水温度越低，冷机的制冷系数越高。冷却水的供水温度每上升1，制冷机的COP会下降近4%。降低冷却水温度需要加强运行管理，停止的冷却塔的进、出水管的阀门应该关闭，否则，来自停开的冷却塔的温度较高的水混合后使回水水温提高，冷机的制冷系数就降低了。冷却塔使用一段时间后，应及时检修，否则冷却塔的效率会下降，不能充分地为冷却水降温。2.2.2 提高冷冻水温度 由于冷冻水温度越高，冷机的制冷效率越高。冷冻水供水温度提高1，制冷机的COP值可提高3，所以在日常运行中不要盲目降低冷冻水

13、温度。例如，不要设置过低的冷机冷冻水设定温度；关闭停止运行的冷机的水阀，防止部分冷冻水走旁通管路，经过运行中的冷机的水量减少，冷冻水温度被冷机降低到过低的水平。2.2.3 选择合适的冷、热源每个项目都有各自不同的特点、不同的约束条件，每一个建筑冷、热源形式的选择需要进行综合的经济运行分析。经过半年多的调研及投资经济分析、论证，中环广场最终选定直燃机做为中央空调系统的冷、热源，直燃机有很多优点，直燃机是以低品位热能作驱动的，可以同时制热、供冷，燃烧充分，燃烧效率高，清洁环保，耗电量小，平衡了电力紧张的问题，机组运动部件少，噪音小，综合COP值高，综合运行成本低，可以实现10%100%负荷的无级调

14、节，尤其部分负荷运行时效率更高，这一点非常适用于经营时间不一致的综合性公共建筑。另外，天津市城市热力、电力增容费高，而燃气资源充足，鼓励发展燃气用户尤其是冬、夏季都使用燃气的用户，气价有一定的倾斜。所以，直燃机做冷热源的方式是比较适合中环广场的。2.3 利用自然冷源由于建筑室内的人员、照明灯光、电脑等设备的散热量的影响，在春、秋季，当室外空气温度较低时，室内空气温度仍然较高，仍需要供冷。尤其是没有外墙、外窗的内区房间，即使在寒冷的冬季，室内可能仍需供冷。这时可以使用免费制冷。比较常见而且容易利用的自然冷源主要有两种，一种是地下水，另一种是春秋季和冬季的室外冷空气。由于地下水常年保持在17左右的

15、温度，所以地下水不仅可以在夏季可作为冷却水为空调系统提供冷量，而且冬季还可以利用水源热泵机组为空调系统提供热量。第二种较好的自然冷源是春秋季和冬季的室外空气，此时室外空气较低，可用于空调系统供冷。例如，北京春秋季时室外空气的湿球温度一般低于15，冬季室外空气的湿球温度一般低于0，这种温度下的空气是较好的冷源，可用于内区空调系统供冷。室外冷空气的利用有两种方法：一是春秋季利用低温室外空气供冷，当室外空气温度较低时，可以直接将室外低温空气送至室内，为室内降温。为了能实现在春秋季利用低温室外空气供冷，空调系统设计时注意要有足够的新风道引入室外新风。第二种方法是利用冷却塔供冷，这种适合没有足够的新风道

16、为室内送室外新风的建筑。具体方法是春秋季利用冷却塔将冷却水温度降低，再通过板式换热器冷却冷冻水，被降低了温度的冷冻水送到末端设备，通过风机盘管、空调箱等设备将冷量送到各个需要供冷的房间。不过，室外温度过低时，防冻问题必须注意，系统要有低温防冻保护。为了保证室内空气足够新鲜，满足人们的舒适性要求，空调系统需要从室外取一定量新鲜空气送入室内，同时将室内的部分空气排至室外。这部分排风的温度、湿度冬季比室外空气热，夏季比室外空气冷，常规设计中，这部分空气是直接排出室外的。而通过热回收装置将室内排风中的冷、热量传递给新风，可以回收这部分排风冷、热量的7080左右3，有明显的节能作用。中环广场内区面积很大

17、，设计中，为了解决好这一问题，我们采用了全热交换器。利用全热交换器回收冬、夏季室内排风中的热、冷量，它带来的最直接的好处就是直燃机高发不用加大了，耗气量减少了。系统的初投资并没有增加太多，而节能带来的收益是长期的。2.4 降低风机电耗空调系统中，风机和水泵起着非常重要的作用，同时它们的耗电量也是非常大的。空调系统中，风机包括空调风机及其它送、排风机，这些设备的电耗占空调输配系统耗电量的比例是最大的，风机的节能应引起足够的重视。降低风机能耗要注意以下几个方面的问题：设计时选择合理的风压与风量；尽量减少系统的阻力损失，如在弯头处加导流叶片，防止管道的突扩、突缩；运行中定期清洗过滤器； 定期检修、检

18、查皮带，看看皮带是否太松，工作点是否偏移，送风状态是否合适。2.5 降低水泵电耗空调系统水泵的耗电量占空调系统耗电量的1530，占建筑总耗电量的8%16%，基本上与全楼照明用电量相当，所以水泵节能也非常重要。降低空调系统水泵电耗可从以下几个方面着手：2.5.1 冷却水开式系统改为闭式系统开式冷却水系统中冷却水泵的扬程除了要克服冷却水在管道中的流动阻力外，还要提供将冷却水从冷却水池送至高位冷却塔克服水位高差所需要的能量。如果取消冷却水池，将从冷却塔回来的水管直接接至冷却水泵的入口，这种冷却水系统即成为闭式冷却水系统，冷却水泵就无需提供将冷却水从制冷机提升到冷却塔克服水位高差所需要的能量，只需克服

19、冷却水在管道中流动的阻力，所需要的水泵扬程要比开式冷却水系统小得多，水泵的能耗也就小很多。例如曾管理的北京某饭店冷却水系统原为开式系统，制冷机房和冷却水池设在地下二层，冷却塔设在九层屋面，距地面高差为35米，冷却水泵扬程为72米，总功率为190kW。改成闭式冷却水系统后，冷却水泵扬程只需30米，配电功率仅为85kW，每年大约可节电20万度，节约费用12万元。2.5.2 减小阀门、过滤器阻力阀门和过滤器是空调水管路系统中主要的阻力部件。在空调系统的运行管理过程中，要定期清洗过滤器，如果过滤器被沉淀物堵塞，空调循环水流经过滤器的阻力会增加数倍。阀门是调节管路阻力特性的主要部件，不同支路阻力不平衡时

20、主要靠调节阀门开度来使各支路阻力平衡，以保证各个支路的水流量满足需要。由于阀门的阻力会增加水泵的扬程和电耗，所以应尽量避免使用阀门调节阻力的方法。2.5.3 提高水泵效率水泵功率是指由原动机传到泵轴上的功率被流体利用的程度。水泵的效率随水泵工作状态点的不同从0最大效率（一般80左右）变化。在输送流体的要求相同，即要求的输出功率相同的条件下，如果水泵的效率较低，那么就需要较大的输入功率，水泵的能耗就会较大。因此，空调系统设计时要选择型号规格合适的水泵，使其工作在高效率状态点。空调系统运行管理时，也要注意让水泵工作在高效率状态点。2.5.4 设定合适的空调系统水流量空调系统的水流量是由空调系统的冷

21、热负荷和空调水供回水温差决定的，如下式所示：Q = CGt （21）G水流量，kg/h；Q冷热负荷，kcal/h；从上式可以看出，系统负荷一定的条件下，空调水供回水温差越大，空调水流量越小，从而水泵的耗电量越小。但是空调水流量减少，流经制冷机的蒸发器时流速就会降低，引起换热系数降低，需要的换热面积增大，最终使得设备的金属耗量增大。所以经过经济技术比较，空调冷冻水的供回水温差46比较经济合理2，空调热水的供回水温差为10比较经济合理。= SG2 / N （22） 水泵耗电功率，kW；管路阻抗，表征管路特性的参数，kPa.s/m6；水流量，m3/s；水泵效率。实际工程中，有很多空调系统的供回水温差

22、只有23。如果将供回水温差提高到5，有些房间就会出现夏季室温降不下来的情况，出现这种情况的原因一般是因为水系统中各个支路阻力不平衡，夏季温度降不下来的房间的环路阻力大，当温差加大时，流量会减少，当阻力大的支路水流量减小到不能满足需要的程度时，该房间就会过热。这时只好加大系统流量，使阻力大的支路的水流量满足要求，而阻力小的支路就会超过需要的水流量。可见，这种空调系统的运行是以增大流量和增加耗电量为代价的。2.5.5 变频技术的使用变频水泵的使用对系统节能有着重要意义。室外空气温度、湿度参数在整个制冷季和采暖季是在不断变化的，所以，空调系统的冷热负荷也在一年中不断地变化，而且空调的冷热负荷在一年中

23、的变化很大，全年大部分时间的负荷只有最大负荷的50左右。当空调冷热负荷变化时，由公式（21）可知，系统所需要的空调冷热循环水量也随负荷相应变化。水泵的流量、扬程、轴功率和转速间的关系如下： G1/G2 = n1/n2；H1/H2 =（n1/n2）2 N1/N2 =（n1/n2）3 （23）n1，n2电机转速；G1，G2水流量；H1，H2水泵扬程；N1，N2水泵轴功率；可见，通过改变水泵电机的转速，就可以连续地改变水泵的流量。电机的转速跟交流电的频率成正比。通常市政电网的电流频率是50hz，变频调速水泵就是利用变频器改变电流频率来改变水泵转速和流量的。 由于建筑全年平均冷热负荷一般只有最大冷热负

24、荷的50左右，如果通过使用变频调速水泵使水量随冷热负荷变化，那么全年平均的水量只有最大水流量的50左右，水泵能耗只有定水量系统水泵能耗的12.5，节能效果是非常明显的。 在中环广场空调设计中，考虑到各出租经营单元营业时间、使用性质的不同，系统负荷变化很大，冷冻水系统采用了一次泵定流量，二次泵做变频的设计方案。系统中，因为一次泵主要是负责冷冻水制备，阻力小，泵的功率就很小，而二次泵负责冷冻水的输配，则会根据系统的负荷的变化而改变频率，达到了节能的目的。测算表明：当冷冻水流量超过300 m3/h时，节能效果会越来越明显。2.6 改善空调系统控制目前，很多公共建筑的投资商出于对初投资的考虑，空调系统

25、不愿设空调自控，也有很多公建的空调自控系统因年久失修而无法使用，这使得空调系统的运行管理很不方便。特别是对于面积较大的商用建筑，可能有上百台空调箱、新风机组，运行管理人员连每天启停空调箱都没有足够的精力去实现，更不用说适时地调整空调箱的运行参数，让其节能运行了。因此，如果为空调系统加装自控系统，即使是最简单的启停控制，也可以极大地节约空调能耗。中环广场有空调箱、新风机组80多台，如果仅靠运行管理人员手动开机、停机，将耗费很长时间，难免会有机器全天运行的情况。投资了BAS系统以后，虽然初投资增加了一些，但初步测算，每年可节电120万度，节约运行费72万元。3 结束语目前，在我国经济快速发展的大好

26、形势下，房地产行业表现得更是如火如荼，全国大量的房地产项目正在不断地兴建。一方面，随着社会财富的积聚，人们生活水平的提高，人们对生活品质的追求也在不断提高，空调已成为建筑不可或缺的一部分，另一方面，我国是资源比较匮乏的国家之一，而我国商业建筑的能耗却比发达国家高40左右，因此，公共建筑的节能是非常重要的、刻不容缓的。因此，对于在建和要建的项目无论是设计人员，还是投资方都要坚决贯彻节能的思想，对于已建成的公共建筑，要认真分析，适当改造，可以通过上述具体措施，有效的降低其空调能耗。建筑节能的经济效益是长期的，可观的，应引起全社会的重视问题。参考文献1 ASHRAE handbook 1991 :

27、Heating, ventilating, and air-conditioning applications，American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers, c1991。2 彦启森主编，空气调节用制冷技术，中国建筑工业出版社，1981年7月第一版。3 钱以明，高层建筑空调与节能，同济大学出版社，1990年2月第一版。4 周谟仁主编，流体力学泵与风机，中国建筑工业出版社，1985年12月第二版。5 陆耀庆主编，实用供热空调设计手册，中国建筑工业出版社，1993年6月第一版 6 江亿，我国建筑节能现状及技术发展趋势，2005年1月7 江亿，薛志峰，北京市的建筑节能现状与节能途径分析，2005年1月8 顾晓光，空调系统的节能，2005年4月9 何耀东，天津市发展天然气直燃型溴冷机组的市场前景，2001年9月8