大型公共建筑：空调系统节能设计的问题与策略

    大型公共建筑是城市能源消耗的 " 大户 ", 其空调系统运行耗能占建筑总能耗的 30%~50% 。 然而 , 由于设计不合理、运行粗放等原因 , 当前公共建筑空调系统普遍存在能效低、浪费大的问题。 本文以商场、酒店、写字楼等典型公建为例来 剖析其高能耗的成因 , 涵盖负荷估算、设备选型、控制策略、运行管理等各环节。

一、大型公共建筑能耗特点

   

大型公共建筑如商场、酒店、写字楼等,以其装饰豪华、设施先进、规模宏大而著称,但与之相伴的是大量的能源消耗。以空调系统为例,其耗能占建筑总能耗的30%~50%,是仅次于照明的第二大"能耗大户"。究其原因,主要有以下几个方面：

1、高冷热负荷   ：

大型公建常设有大面积玻璃幕墙,遮阳性能差,夏季得热量大。同时,内部人员密度高,设备众多,产热量大,导致空调负荷居高不下。以商场为例,其空调负荷指标可达150W/m2,是普通民用建筑的数倍。

2、长运行时间：

  不同于办公建筑,商场、酒店等公建在节假日运行时间更长,空调系统每天运行14h以上。   写字楼则要兼顾白天办公和夜间加班,空调系统年运行时间可达4000h以上,能耗十分可观。

3、部分负荷低效：

公建内部空间分隔多,人员流动性大,空调系统常在部分负荷下运行。然而,定速定流量的传统系统在部分负荷时能效比骤降,能源浪费严重。数据显示,部分负荷下的终端设备能效比仅为满负荷时的50%。

4、群控不完善：

大型公建的空调系统复杂,子系统众多,控制要求高。然而,当前公建普遍缺乏完善的群控系统,无法实现各子系统的协同优化控制,导致"分而治之",能源利用效率不高。
因此,解决大型公建空调系统的高耗能问题,需要从建筑节能、系统优化、智能控制等多方面综合施策。

 

 

二、大型公建空调系统高耗能的主要原因      

         

1、设计参数过于"宽裕"  
在空调系统设计中,为确保满足使用要求,设计参数普遍偏于"保守",如室内设计温度偏低,相对湿度偏高,新风量过大等。以大型商场为例,有研究发现其夏季室内设计温度普遍低于26℃,部分甚至低至23℃,而标准仅要求26~28℃,这就导致冷负荷"虚高",设备选型和能耗超标。

2、设备能效等级偏低

受成本驱动,目前公建空调设备的选型仍以效率较低的定速设备为主。以冷水机组为例,虽然高效机组的COP可达6.0以上,但占市场主流的仍是COP仅为4.5左右的定速机组。而风机、水泵等设备也大多采用能效较低的三相异步电机,变频调速设备尚未普及。

3、输配系统水力失调  
大型公建的空调水系统复杂,环路多,配水支管长,沿程阻力不均匀,极易产生水力失调。失调会导致末端设备供冷量不足,室内温度难以达标。为弥补这一不足,设计者往往采取提高水泵扬程和风机风量的"粗放"解决方案,导致输配系统在满足室内舒适度的同时,能耗大幅攀升。

4、控制策略粗放  
当前公建的空调控制多采用就地单回路控制,即各区域独立控制,缺乏协同优化。这种"分散式"控制虽然简单易行,但在应对负荷波动时,各子系统往往出现"打架"现象,导致冷热源和输配系统频繁启停,能源利用效率低下。同时,由于缺乏需求侧响应措施,无法实现电网峰谷调节,也加剧了空调系统的能源浪费。

5、调试运行不专业

空调系统调试运行是发掘节能潜力的重要环节。但纵观当前工程实践,调试运行普遍流于形式。如调试人员专业性不足,调试时间严重缩水,运行工况设定不合理等,都影响了系统实际运行的节能效果。加之后期运行缺乏持续的能耗监测和科学的节能管理,使得前期节能设计的效果大打折扣。

 

三、大型公建空调系统的节能设 计策略      

         

1、合理确定空调设计参数  
空调设计参数是影响建筑能耗的首要因素。设计阶段应结合建筑功能、气候特点等,合理确定逐时冷热负荷、室内设计参数等,避免盲目追求过高标准导致能耗虚高。如在保证舒适度的前提下,夏季室温可适度提高,相对湿度可放宽至60%。同时,可利用CFD等软件优化建筑布局,改善自然通风,减少新风负荷。

2、优选高效节能设备  
空调设备的能效水平直接决定了系统运行能耗。设计时应优选能效等级高、部分负荷性能好的设备,如采用磁悬浮变频离心式冷水机组,其IPLV可达7.0以上,比定速螺杆机组提高30%。风机、水泵等可采用永磁同步电机,其效率可达90%以上。同时,合理确定设备台数和比例,优化部分负荷运行性能。

3、因地制宜采用新技术  
针对不同气候区和建筑特点,灵活采用适宜的节能新技术。如在过渡季和冬季,可利用自然冷源,采用分体式热泵系统。对于高温潮湿地区,可采用转轮除湿+高温送风的除湿新风系统,节省显冷量30%以上。对于商场、体育馆等大空间建筑,可采用地板辐射空调系统,改善室内热舒适,节能40%。

4、优化输配系统  
针对大型公建的输配系统复杂、管路长的特点,可采用变频泵调节、定压补水装置、动态水力平衡等措施,实现输配系统的节能运行。同时,合理选择冷媒水管路,减少沿程阻力,并采取保温措施减少输配损失。对易产生堵塞的设备,如板式换热器,可优化流道设计,减少水垢积聚,维持高效运行。

5、分区设置变流量系统  
针对人员密度变化大、空间分割多的特点,细分空调区域,并在分区的基础上采用变风量、变水量等调节措施,实现冷热量的按需供应。变流量系统可根据房间温度、CO2浓度等参数自动调节新风量和送风量,在满足舒适度要求的同时,显著降低输配能耗。VAV技术可使风机能耗降低30%~50%。

6、实现智能化群控  
大型公建空调系统的节能运行,需打破分散式控制模式,实现智能化群控。基于大数据和人工智能技术,通过对负荷数据的挖掘分析,实时优化各子系统的控制策略,协调冷热源、输配、末端的高效联动,并适时开展需求响应,实现电网峰谷调节。研究表明,智能化群控可实现空调系统节能15%~20%。  

 

四、节能技术的集成优化展望      

         

随着节能减排的迫切需求和技术的飞速进步,未来大型公建空调系统节能的方向必将是多种技术的集成优化。以下几个前沿理念值得关注：

1、冰蓄冷技术与智能电网的融合  
利用夜间电价低谷producting ice蓄冷,白天peak释放,可显著降低空调运行成本。结合智能电网需求响应,可进一步提高电网运行效率。研究表明,蓄冷空调与智能电网耦合运行,可实现空调系统节能30%以上。

2、分布式能源与梯级利用  
利用分布式能源系统,实现冷、热、电三联供,提高能源综合利用效率。同时,合理规划能源品位,实现梯级利用。如利用溴化锂机组对发电机组余热制冷,利用冷凝热制取生活热水等。在系统设计时,应统筹兼顾,因地制宜,力求达到能源利用效率最优。

3、空调系统与建筑的一体化集成  
未来空调系统与建筑将更加紧密集成,统筹考虑气流组织、遮阳隔热、自然采光通风等建筑设计因素,实现建筑与空调的协同优化。如在南向立面大面积植入遮阳百叶,可减少40%的太阳得热量。合理布置进风口和出风口,利用热压通风,减少机械通风能耗。

4、Digital Twin助力空调节能  
借助CIM、BIM等信息技术,构建空调系统的数字孪生模型。运用大数据分析和机器学习算法,持续优化空调控制策略,并精准预测故障,实现设备预测性维护。Digitaltwin将成为未来空调节能不可或缺的利器。

 

参考文献：
[1] 夏天,张寅平.公共建筑空调系统的节能设计研究[J].制冷与空调,2020,34(4):1-7.
[2] 李晋,王怀伟.大型公共建筑空调系统节能优化设计策略研究[J].建筑节能,2019,47(9):38-43.
[3] 刘加平,陈飞.复杂公共建筑空调系统的节能控制策略[J].暖通空调,2018,48(8):33-38.
[4] Aynur T N. Variable refrigerant flow systems: A review[J]. Energy andBuildings, 2010, 42(7): 1106-1112.
[5] Ma Z, Wang S. Energy efficient control of variable speed pumps in complexbuilding central air-conditioning systems[J]. Energy and Buildings, 2009,41(2): 197-205.
[6] 王怀伟,贾晓明.公共建筑空调系统的智能优化控制[J].暖通空调,2016,46(8):48-53.       

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