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商業(yè)建筑空調(diào)節(jié)能技術(shù)措施探討
摘要：本文針對空調(diào)系統(tǒng)能耗的影響因素和商業(yè)建筑的特點，以實際商業(yè)建筑空調(diào)節(jié)能改造為例，從減少冷熱負荷、提高冷熱源效率、利用自然冷源、減少水泵電耗、減少風(fēng)機電耗、改進氣流組織、改善控制七個方面分析了商業(yè)建筑空調(diào)節(jié)能的具體技術(shù)措施和實施辦法。1 概述
隨著經(jīng)濟建設(shè)的發(fā)展，商用建筑（寫字樓、賓館飯店、大中型商場等）大量興建，1997年全國房屋建筑竣工面積達62244萬平方米，其中住宅占53.8%、商業(yè)建筑占25.4%[2]。目前國內(nèi)興建的采用中央空調(diào)的商用建筑普遍存在著高能耗的問題，例如清華大學(xué)在1998年對北京市的十家營業(yè)較好的大商場進行了全面的測試和統(tǒng)計，這些商場的全年運行能耗平均大約是188 kwh/m2.a，而氣候條件大致相當(dāng)?shù)娜毡镜耐惤ㄖ钠骄昴芎拇蠹s是135 kwh/m2.a，也就是說北京市的商場的能耗要比日本高出將近40％�？照{(diào)能耗是商業(yè)建筑的能耗的主要部分，占總能耗的50～60％。初步估計目前全國商用中央空調(diào)用電量為400萬～450萬kW。按重慶和上海的統(tǒng)計，中央空調(diào)用電量已分別占全市總用電量的23％和31.1%[3]，給各城市的供配電帶來了沉重的壓力。隨著現(xiàn)代化建設(shè)的發(fā)展，能源供應(yīng)會更加緊張，將會導(dǎo)致影響經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展。一般中央空調(diào)能耗約占整個建筑總能耗的50％左右，對于商場和綜合大樓可能要高達60％以上，因此節(jié)約商業(yè)建筑空調(diào)能耗是刻不容緩的。
空調(diào)系統(tǒng)的能耗主要有兩個方面，一方面是為了供給空氣處理設(shè)備冷量和熱量的冷熱源能耗，如壓縮式制冷機耗電，吸收式制冷機耗蒸汽或燃氣，鍋爐耗煤、燃油、燃氣或電等；另一方面是為了給房間送風(fēng)和輸送空調(diào)循環(huán)水，風(fēng)機和水泵所消耗的電能。
冷熱源的能耗由建筑物所需要的供冷量和供熱量決定，建筑物的空調(diào)需冷量和需熱量的影響因素有室外氣象參數(shù)（如室外空氣溫度、空氣濕度、太陽輻射強度等），室內(nèi)空調(diào)設(shè)計標準，外墻門窗的傳熱特性，室內(nèi)人員、照明、設(shè)備的散熱、散濕狀況以及新風(fēng)量的多少等。風(fēng)機、水泵的輸送能耗受所輸送的空氣量、水量和水系統(tǒng)、風(fēng)系統(tǒng)的輸送阻力影響，風(fēng)系統(tǒng)、水系統(tǒng)的流量和阻力的影響因素有系統(tǒng)型式、送風(fēng)溫差、供回水溫差、送風(fēng)和送水流速、空氣處理設(shè)備和冷熱源設(shè)備的阻力和效率等。針對上述影響因素和商業(yè)建筑的特點，商業(yè)建筑空調(diào)節(jié)能的技術(shù)措施可歸納為七個方面：減少冷熱負荷、提高冷熱源效率、利用自然冷源、減少水泵電耗、減少風(fēng)機電耗、改進氣流組織、改善控制。
2 減少冷熱負荷
冷熱負荷是空調(diào)系統(tǒng)最基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)，制冷機、供熱鍋爐、冷熱水循環(huán)泵以及給房間送冷、送熱的空調(diào)箱、風(fēng)機盤管等規(guī)格型號的選擇都是以冷熱負荷為依據(jù)的。如果能減少建筑的冷熱負荷，不僅可以減小制冷機、供熱鍋爐、冷熱水循環(huán)泵、空調(diào)箱、風(fēng)機盤管等的型號，降低空調(diào)系統(tǒng)的初投資，而且這些設(shè)備型號減小后，所需的配電功率也會減少，這會造成變配電設(shè)備初投資減少以及上述空調(diào)設(shè)備日常運行耗電量減少，運行費用降低。所以減少冷熱負荷是商業(yè)建筑節(jié)能最根本的措施。減少冷熱負荷有以下一些具體措施：
2.1 改善建筑的保溫隔熱性能
房間內(nèi)冷熱量的損失通過房間的墻體、門窗等傳遞出去的。改善建筑的保溫隔熱性能可以直接有效地減少建筑物的冷熱負荷。改善建筑的保溫隔熱性能可以從以下幾個方面著手：
確定合適的窗墻面積比例，不要盲目追求大窗戶、全玻璃幕墻。
合理設(shè)計窗戶遮陽。
充分利用保溫隔熱性能好的玻璃窗。
2.2 選擇合理的室內(nèi)設(shè)計參數(shù)
商業(yè)建筑空調(diào)的主要目的是創(chuàng)造一個舒適的室內(nèi)空氣環(huán)境，滿足人們辦公、學(xué)習(xí)、娛樂等的舒適及衛(wèi)生要求。美國供熱制冷空調(diào)工程師學(xué)會設(shè)計手冊[1]（ASHRAE Handbook）的基礎(chǔ)篇里，給出了人體感覺舒適的室內(nèi)空氣參數(shù)區(qū)域，大約是空氣溫度13℃～23℃，空氣相對濕度20％～80％。
如果夏季設(shè)計溫度太低或冬季室內(nèi)設(shè)計溫度太高，都會增加建筑的冷熱負荷。在滿足舒適要求的條件下，要盡量提高夏季的室內(nèi)設(shè)計溫度和相對濕度，盡量降低冬季的室內(nèi)設(shè)計溫度和相對濕度，不要盲目追求夏季室內(nèi)空氣溫度過低、過干，冬季室內(nèi)設(shè)計溫度過高。
2.3 局部熱源就地排除
商業(yè)建筑中的有些房間，由于使用功能的需要，會在房間的局部產(chǎn)生較大的散熱量，例如廚房的灶臺、醫(yī)院消毒間的消毒柜、電話機房的交換機等。在空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計過程中，應(yīng)考慮在發(fā)熱量比較大的局部熱源附近設(shè)置局部排風(fēng)，將設(shè)備散熱量直接排出室外，防止熱量散發(fā)到室內(nèi)，以減少夏季的冷負荷。但是在運行中，這些排風(fēng)機可能沒有開啟或者發(fā)生故障并得不到及時的更換和修理，那么這些局部熱源就會造成很大的冷負荷，浪費冷量和破壞室內(nèi)熱環(huán)境。
2.4 控制和正確使用室外新風(fēng)量
由于新風(fēng)負荷占建筑物總負荷的20～30％，控制和正確使用新風(fēng)量是空調(diào)系統(tǒng)最有效的節(jié)能措施之一。下圖為北京某寫字樓典型工況的冷熱負荷各分項的比例：
圖3-1 冷熱負荷分項比例
由于新風(fēng)負荷接近總負荷的1/3，所以要嚴格控制新風(fēng)量的大小。除了嚴格控制新風(fēng)量的大小之外，還要合理利用新風(fēng)。春秋季或冬季，有些房間仍需供冷，此時當(dāng)室外空氣焓值小于室內(nèi)空氣設(shè)計狀態(tài)的焓值時，可采用室外新風(fēng)為室內(nèi)降溫，可減少冷機的開啟量，節(jié)省能耗。
減少新風(fēng)負荷應(yīng)從以下兩方面著手：
不要隨意提高最小新風(fēng)量標準
杜絕非正常渠道引入新風(fēng)
3 提高冷源效率
評價冷源制冷效率的性能指標是制冷系數(shù)（COP，Coefficient Of Performance ），是指單位功耗所能獲得的冷量。制冷系數(shù)與制冷劑的性質(zhì)無關(guān)，僅取決于被冷卻物的溫度T0’ 和冷卻劑溫度Tk’， T0’越高，Tk’越低，制冷系數(shù)越高[4]。所以空調(diào)系統(tǒng)冷機的實際運行過程中不要使冷凍水溫度太低、冷卻水溫度太高，否則制冷系數(shù)就會較低，產(chǎn)生單位冷量所需消耗的功量多，耗電量高，增加建筑的能耗。提高冷源效率可采取以下一些措施：
3.1 降低冷卻水溫度
由于冷卻水溫度越低，冷機的制冷系數(shù)越高。下圖顯示了某離心壓縮制冷機的制冷效率與冷卻水溫度的變化關(guān)系：
從右圖可以看出，冷卻水的供水溫度每上升1℃，冷機的COP下降近4%。降低冷卻水溫度需要加強運行管理，停止的冷卻塔的進出水管的閥門應(yīng)該關(guān)閉，否則，來自停開的冷卻塔的溫度較高的水使混合后的水溫提高，冷機的制冷系數(shù)就減低了。冷卻塔使用一段時間后，應(yīng)及時檢修，否則冷卻塔的效率會下降，不能充分地為
冷卻水降溫。
3.2 提高冷凍水溫度
由于冷凍水溫度越高，冷機的制冷效率越高，右圖顯示了某冷機制冷系數(shù)與冷凍水供水溫度的關(guān)系。從圖中可看出，冷凍水供水溫度提高1℃，冷機的制冷系數(shù)可提高3％，所以在日常運行中不要盲目降低冷凍水溫度。例如，不要設(shè)置過低的冷機冷凍水設(shè)定溫度；關(guān)閉停止運行的冷機的水閥，防止部
分冷凍水走旁通管路，經(jīng)過運行中的冷機的水量較少，冷凍水溫度被冷機降低到過低的水平。
4 利用自然冷源
由于建筑室內(nèi)的人員、照明燈光、電腦的設(shè)備的散熱量的影響，在春秋季當(dāng)室外空氣溫度較低時，室內(nèi)空氣溫度仍然較高，仍需要供冷。尤其是沒有外墻、外窗的內(nèi)區(qū)房間，即使在寒冷的冬季，由于室內(nèi)的散熱量沒有途徑散發(fā)到室外，室內(nèi)仍需供冷。此時如果開啟冷機供冷，不僅由于此時冷負荷較小，冷機制冷系數(shù)較低、能耗大，而且極端不合理。
比較常見而且容易利用的自然冷源主要有兩種，一種是地下水，另一種是春秋季和冬季的室外冷空氣。由于地下水常年保持在18℃左右的溫度，所以地下水不僅可以在夏季可作為冷卻水為空調(diào)系統(tǒng)提供冷量，而且冬季還可以利用水源熱泵機組為空調(diào)系統(tǒng)提供熱量。第二種較好的自然冷源是春秋季和冬季的室外冷空氣，此時室外空氣較低，可用于空調(diào)系統(tǒng)供冷。例如，北京春秋季的室外空氣濕球溫度一般低于15℃，冬季室外空氣濕球溫度一般低于0℃，這種溫度下的空氣是較好的冷源，可用于空調(diào)系統(tǒng)供冷。
室外冷空氣的利用有兩種方法：一是春秋季利用低溫室外空氣供冷，當(dāng)室外空氣溫度較低時，可以直接將室外低溫空氣送至室內(nèi)，為室內(nèi)降溫。為了能實現(xiàn)在春秋季利用低溫室外空氣供冷，空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計時注意要有足夠的新風(fēng)道引入室外新風(fēng)。第二種方法是利用冷卻塔供冷，適合沒有足夠的新風(fēng)道為室內(nèi)送室外新風(fēng)。具體方法是春秋季利用冷卻塔將冷卻水溫度降低，再通過板式換熱器冷卻冷凍循環(huán)水，被降低了溫度的冷凍水送到末端的散冷設(shè)備，如風(fēng)機盤管、空調(diào)箱，將冷量送到各個需要供冷的房間。
此外，冬夏季利用全熱交換器回收冷熱量，也可起到很大的節(jié)能作用。為了保證室內(nèi)空氣足夠新鮮，滿足人們的舒適要求，空調(diào)系統(tǒng)需要從室外抽取一定量新鮮空氣送入室內(nèi)，同時將室內(nèi)污染物濃度較高的空氣排至室外。而這部分排風(fēng)的溫度、濕度參數(shù)是室內(nèi)的空調(diào)設(shè)計參數(shù)，冬季比室外空氣熱，夏季比室外空氣冷。通過全熱交換器，將排風(fēng)的冷熱量傳遞給新風(fēng)，可以回收排風(fēng)冷熱量的70～80％左右[5]，有明顯的節(jié)能作用。
5 減少水泵電耗
空調(diào)系統(tǒng)中的水泵不僅起著非常重要的作用，而且耗電量也非常大。下圖是對北京12家星級賓館空調(diào)水泵耗電量的調(diào)查結(jié)果：圖3-4 空調(diào)水泵耗電量比例
從上圖可以看出，空調(diào)水泵的耗電量占建筑總耗電量的8％～16％，占空調(diào)系統(tǒng)耗電量的15％～30％，耗電量接近于全樓照明用的電量，所以水泵節(jié)能非常重要，節(jié)能潛力也比較大。減少空調(diào)水泵電耗可從以下幾個方面著手：
5.1 冷卻水開式系統(tǒng)改為閉式系統(tǒng)
開式冷卻水系統(tǒng)中冷卻水泵的揚程除了要克服冷卻水在管道中的流動阻力外，還要提供將冷卻水從冷卻水池送至高位冷卻塔克服水位高差所需要的能量。如果取消冷卻水池，將從冷卻塔回來的水管直接接至冷卻水泵的入口，這種冷卻水系統(tǒng)成為閉式冷卻水系統(tǒng)，冷卻水泵就不需提供將冷卻水從制冷機提升到冷卻塔克服水位高差所需要的能量，只需提供能量克服冷卻水在管道中流動的阻力，所以所需要的水泵揚程要
比開式冷卻水系統(tǒng)小得多，因此水泵的能耗也就小很多。例如北京某飯店冷卻水系統(tǒng)為開式系統(tǒng)，制冷機房和冷卻水池設(shè)在一層，冷卻塔設(shè)在十層屋頂，距地面33米，冷卻水泵揚程為67米，配電功率為180kW，而改成閉式冷卻水系統(tǒng)后，冷卻水泵揚程只需25米，配電功率僅為75kW，每年可節(jié)電18萬度，合人民幣10.8萬元。
5.2 減小閥門、過濾器阻力
閥門和過濾器是空調(diào)水管路系統(tǒng)中主要的阻力部件。在空調(diào)系統(tǒng)的運行管理過程中，要定期清洗過濾器，如果過濾器被沉淀物堵塞，空調(diào)循環(huán)水流經(jīng)過濾器的阻力會增加數(shù)倍。
閥門是調(diào)節(jié)管路阻力特性的主要部件，不同支路阻力不平衡時主要靠調(diào)節(jié)閥門開度來使各支路阻力平衡，以保證各個支路的水流量滿足需要。由于閥門的阻力會增加水泵的揚程和電耗，所以應(yīng)盡量避免使用閥門調(diào)節(jié)阻力的方法。
實際工程中有很多不合理地調(diào)節(jié)閥門開度，造成水泵電耗無謂浪費的現(xiàn)象。例如北京某飯店的空調(diào)水系統(tǒng)的壓力分布如下圖所示：
根據(jù)上圖水系統(tǒng)的運行壓力分析可以看出，在熱交換器和熱水循環(huán)泵之間的閥門（此閥門的開度僅有25％）和管路消耗了0.2Mpa的揚程，泵后閥門（此閥門的開度僅有25％）消耗了0.08Mpa，而加壓泵總的揚程才0.25MPa，加壓泵出口的閥后壓力為1.12Mpa，還低于熱交換器的出口壓力，加壓泵的加壓都消耗在了其前后的管路閥門上了，并不起到真正的加壓作用。所以從冬季供熱工況而言，加壓泵是多余的。如果取消標準層加壓泵，每年可節(jié)省電耗22萬度，節(jié)省運行費16.5萬元。
5.3 提高水泵效率
水泵功率是指由原動機傳到泵軸上的功率被流體利用的程度。水泵的效率隨水泵工作狀態(tài)點的不同從0～最大效率（一般80％左右）變化。在輸送流體的要求相同，即要求的輸出功率相同的條件下，如果水泵的效率較低，那么就需要較大的輸入功率，水泵的能耗就會較大。因此，空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計時要選擇型號規(guī)格合適的水泵，使其工作在高效率狀態(tài)點�？照{(diào)系統(tǒng)運行管理時，也要注意讓水泵工作在高效率狀態(tài)點。
5.4 設(shè)定合適的空調(diào)系統(tǒng)水流量
空調(diào)系統(tǒng)的水流量是由空調(diào)冷熱負荷和空調(diào)水供回水溫差決定的，如下式所示：
(3-1)
式中：
G――水流量，kg/h；
Q――冷熱負荷，kcal/h；
Δt――供回水溫差，℃。
從上式可看出，空調(diào)水供回水溫差越大，空調(diào)水流量越小，從而水泵的耗電量越小。但是空調(diào)水流量減少，流經(jīng)制冷機的蒸發(fā)器時流速降低，引起換熱系數(shù)降低，需要的換熱面積增大，金屬耗量增大。所以經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟比較，空調(diào)冷凍水的供回水溫差4～6℃較經(jīng)濟合理[4]，空調(diào)熱水的供回水溫差10℃較經(jīng)濟合理，大多數(shù)空調(diào)系統(tǒng)都按照5℃的冷凍水供回水溫差和10℃空調(diào)熱水供回水溫差的工況設(shè)計。
空調(diào)循環(huán)水泵的耗電量跟流量的3次方成正比，如下式所示：
(3-2)
式中：
N――水泵耗電功率，kW；
S――管路阻抗，表征管路特性的參數(shù)，kPa.s/m6；
G――水流量，m3/s；
――水泵效率。
實際工程中有很多空調(diào)系統(tǒng)的供回水溫差只有2～3℃，如果將供回水溫差提高到5℃，水流量將減少到原來的50％左右，所以如果水流量減少50％，水泵耗電量將減少87.5％，節(jié)能效果非常明顯。但是實際工程中常出現(xiàn)如果減少水流量，有些房間就會出現(xiàn)夏季室溫降不下來的情況，而不得不提高流量、降低溫差來運行。出現(xiàn)這種情況的原因是水系統(tǒng)中各個支路阻力不平衡，夏季過熱的房間所屬的支路阻力大，當(dāng)流量減少時，阻力大的支路水流量減小到不能滿足需要的程度，致使房間過熱。如果加大流量，阻力小的支路就會超過需要的水流量，那些阻力大的支路的水流量則剛好滿足要求，不會出現(xiàn)夏季室溫降不下來的情況。這種空調(diào)系統(tǒng)的運行是
以增大流量和耗電量為代價的。
變頻水泵的使用
室外空氣溫度、濕度參數(shù)在整個供冷季和供暖季是在不斷變化的，所以空調(diào)系統(tǒng)的冷熱負荷在一年中也在不斷變化，并不保持一成不變�？照{(diào)的冷熱負荷一年中變很大，全年大部分時間的負荷只有最大負荷的50％左右。當(dāng)空調(diào)冷熱負荷變化時，由公式（3－1）可知，所需要的空調(diào)冷熱循環(huán)水量也隨負荷相應(yīng)變化。水泵的流量、揚程、軸功率和轉(zhuǎn)速間的關(guān)系如下：[7]
(3-3)
式中：
n1，n2――電機轉(zhuǎn)速；
G1，G2――水流量；
H1，H2――水泵揚程；
N1，N2――水泵軸功率；
所以通過改變水泵電機的轉(zhuǎn)速，就可以連續(xù)地改變水泵的流量。電機的轉(zhuǎn)速跟交流電的頻率成正比。通常市政電網(wǎng)的電流頻率是50hz，變頻調(diào)速水泵就是利用變頻器改變電流頻率來改變水泵轉(zhuǎn)速和流量。
由于建筑全年平均冷熱負荷只有最大冷熱負荷的50％左右，如果通過使用變頻調(diào)速水泵使水量隨冷熱負荷變化，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統(tǒng)水泵能耗的12.5％，節(jié)能效果是非常明顯的。
6 減少風(fēng)機電耗
空調(diào)系統(tǒng)中風(fēng)機包括空調(diào)風(fēng)機以及其它送風(fēng)機、排風(fēng)機的，這些設(shè)備的電耗占空調(diào)系統(tǒng)耗電量的比例是最大的，右圖顯示了北京某飯店空調(diào)系統(tǒng)各設(shè)備能耗所占的比例：
空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)機電耗所占比例最大，風(fēng)機節(jié)能的潛力也就最大，風(fēng)機的節(jié)能也應(yīng)引起最大的重視。減少風(fēng)機能耗主要從以下幾個方面入手：定期清洗過濾
圖3-6 某飯店空調(diào)系統(tǒng)各設(shè)備耗電量比例
定期檢修、檢查皮帶是否太松、工作點是否偏移、送風(fēng)狀態(tài)是否合適。
7 改善空調(diào)系統(tǒng)控制
目前很多商業(yè)建筑的空調(diào)系統(tǒng)未設(shè)空調(diào)自控，也有很多商業(yè)建筑的空調(diào)自控系統(tǒng)因年久失修而無法使用，這使得空調(diào)系統(tǒng)的運行管理很不方便。特別是對于面積較大的商業(yè)建筑，可能有上百臺空調(diào)箱、新風(fēng)機組，運行管理人員連每天啟停空調(diào)箱都沒有足夠的精力去實現(xiàn)，更不用說適時地調(diào)整空調(diào)箱的運行參數(shù)，讓其節(jié)能運行。因此很多商業(yè)建筑的空調(diào)箱、新風(fēng)機在空調(diào)季節(jié)只得讓它們?nèi)?4小時運行。如果為空調(diào)系統(tǒng)加裝自控系統(tǒng)，即使是最簡單的啟�？刂疲部梢詷O大節(jié)省空調(diào)能耗。例如北京某寫字樓、飯店，面積13.5萬平方米，有空調(diào)箱、新風(fēng)機組90多臺，而運行管理人員只有十幾人，空調(diào)箱、新風(fēng)機在空調(diào)季只能全天24小時運行。如果只為空調(diào)系統(tǒng)增加啟�？刂�，每年可節(jié)電130萬度，節(jié)約運行費78萬元。
8 總結(jié)
目前中國商業(yè)建筑建設(shè)量大，商業(yè)建筑的能耗較發(fā)達國家高40％左右，商業(yè)建筑的節(jié)能是非常重要、刻不容緩的一項工作。商業(yè)建筑的空調(diào)能耗是商業(yè)建筑的能耗的主要部分，通過上述具體措施，可以有效的降低商業(yè)建筑的空調(diào)能耗，并且已建成的商業(yè)建筑空調(diào)節(jié)能具有投資回收期短、效益高的特點，有利于商業(yè)建筑空調(diào)節(jié)能工作的開展。
參考文獻
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