商業建筑空調節能管理論文

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摘要：本文針對空調系統能耗的影響因素和商業建筑的特點，以實際商業建筑空調節能改造為例，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、減少風機電耗、改進氣流組織、改善控制七個方面分析了商業建筑空調節能的具體技術措施和實施辦法。

1概述

隨著經濟建設的發展，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%、商業建筑占25.4%[2]。目前國內興建的采用中央空調的商用建筑普遍存在著高能耗的問題，例如清華大學在1998年對北京市的十家營業較好的大商場進行了全面的測試和統計，這些商場的全年運行能耗平均大約是188kwh/m2.a，而氣候條件大致相當的日本的同類建筑的平均全年能耗大約是135kwh/m2.a，也就是說北京市的商場的能耗要比日本高出將近40％。空調能耗是商業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用電量為400萬～450萬kW。按重慶和上海的統計，中央空調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。隨著現代化建設的發展，能源供應會更加緊張，將會導致影響經濟的持續發展。一般中央空調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，因此節約商業建筑空調能耗是刻不容緩的。

空調系統的能耗主要有兩個方面，一方面是為了供給空氣處理設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和輸送空調循環水，風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，建筑物的空調需冷量和需熱量的影響因素有室外氣象參數（如室外空氣溫度、空氣濕度、太陽輻射強度等），室內空調設計標準，外墻門窗的傳熱特性，室內人員、照明、設備的散熱、散濕狀況以及新風量的多少等。風機、水泵的輸送能耗受所輸送的空氣量、水量和水系統、風系統的輸送阻力影響，風系統、水系統的流量和阻力的影響因素有系統型式、送風溫差、供回水溫差、送風和送水流速、空氣處理設備和冷熱源設備的阻力和效率等。針對上述影響因素和商業建筑的特點，商業建筑空調節能的技術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

冷熱負荷是空調系統最基礎的數據，制冷機、供熱鍋爐、冷熱水循環泵以及給房間送冷、送熱的空調箱、風機盤管等規格型號的選擇都是以冷熱負荷為依據的。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、冷熱水循環泵、空調箱、風機盤管等的型號，降低空調系統的初投資，而且這些設備型號減小后，所需的配電功率也會減少，這會造成變配電設備初投資減少以及上述空調設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建筑節能最根本的措施。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：

Ø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。

Ø合理設計窗戶遮陽。

Ø充分利用保溫隔熱性能好的玻璃窗。

2.2選擇合理的室內設計參數

商業建筑空調的主要目的是創造一個舒適的室內空氣環境，滿足人們辦公、學習、娛樂等的舒適及衛生要求。美國供熱制冷空調工程師學會設計手冊[1]（ASHRAEHandbook）的基礎篇里，給出了人體感覺舒適的室內空氣參數區域，大約是空氣溫度13℃～23℃，空氣相對濕度20％～80％。

如果夏季設計溫度太低或冬季室內設計溫度太高，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設計溫度和相對濕度，盡量降低冬季的室內設計溫度和相對濕度，不要盲目追求夏季室內空氣溫度過低、過干，冬季室內設計溫度過高。

2.3局部熱源就地排除

商業建筑中的有些房間，由于使用功能的需要，會在房間的局部產生較大的散熱量，例如廚房的灶臺、醫院消毒間的消毒柜、電話機房的交換機等。在空調系統設計過程中，應考慮在發熱量比較大的局部熱源附近設置局部排風，將設備散熱量直接排出室外，防止熱量散發到室內，以減少夏季的冷負荷。但是在運行中，這些排風機可能沒有開啟或者發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熱環境。

2.4控制和正確使用室外新風量

由于新風負荷占建筑物總負荷的20～30％，控制和正確使用新風量是空調系統最有效的節能措施之一。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

由于新風負荷接近總負荷的1/3，所以要嚴格控制新風量的大小。除了嚴格控制新風量的大小之外，還要合理利用新風。春秋季或冬季，有些房間仍需供冷，此時當室外空氣焓值小于室內空氣設計狀態的焓值時，可采用室外新風為室內降溫，可減少冷機的開啟量，節省能耗。

減少新風負荷應從以下兩方面著手：

Ø不要隨意提高最小新風量標準

Ø杜絕非正常渠道引入新風

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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（COP，CoefficientOfPerformance），是指單位功耗所能獲得的冷量。制冷系數與制冷劑的性質無關，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，制冷系數越高[4]。所以空調系統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，否則制冷系數就會較低，產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該關閉，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，冷機的制冷系數就減低了。冷卻塔使用一段時間后，應及時檢修，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與冷凍水供水溫度的關系。從圖中可看出，冷凍水供水溫度提高1℃，冷機的制冷系數可提高3％，所以在日常運行中不要盲目降低冷凍水溫度。例如，不要設置過低的冷機冷凍水設定溫度；關閉停止運行的冷機的水閥，防止部分冷凍水走旁通管路，經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

由于建筑室內的人員、照明燈光、電腦的設備的散熱量的影響，在春秋季當室外空氣溫度較低時，室內空氣溫度仍然較高，仍需要供冷。尤其是沒有外墻、外窗的內區房間，即使在寒冷的冬季，由于室內的散熱量沒有途徑散發到室外，室內仍需供冷。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系統提供冷量，而且冬季還可以利用水源熱泵機組為空調系統提供熱量。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，可用于空調系統供冷。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，可用于空調系統供冷。

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，當室外空氣溫度較低時，可以直接將室外低溫空氣送至室內，為室內降溫。為了能實現在春秋季利用低溫室外空氣供冷，空調系統設計時注意要有足夠的新風道引入室外新風。第二種方法是利用冷卻塔供冷，適合沒有足夠的新風道為室內送室外新風。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水，被降低了溫度的冷凍水送到末端的散冷設備，如風機盤管、空調箱，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，也可起到很大的節能作用。為了保證室內空氣足夠新鮮，滿足人們的舒適要求，空調系統需要從室外抽取一定量新鮮空氣送入室內，同時將室內污染物濃度較高的空氣排至室外。而這部分排風的溫度、濕度參數是室內的空調設計參數，冬季比室外空氣熱，夏季比室外空氣冷。通過全熱交換器，將排風的冷熱量傳遞給新風，可以回收排風冷熱量的70～80％左右[5]，有明顯的節能作用。

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5減少水泵電耗

空調系統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家星級賓館空調水泵耗電量的調查結果：

圖3-4空調水泵耗電量比例

從上圖可以看出，空調水泵的耗電量占建筑總耗電量的8％～16％，占空調系統耗電量的15％～30％，耗電量接近于全樓照明用的電量，所以水泵節能非常重要，節能潛力也比較大。減少空調水泵電耗可從以下幾個方面著手：

5.1冷卻水開式系統改為閉式系統

開式冷卻水系統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，這種冷卻水系統成為閉式冷卻水系統，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