商業建筑空調節能技術措施

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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：

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：

不要隨意提高最小新風量標準

杜絕非正常渠道引入新風

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。

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

比開式冷卻水系統小得多，因此水泵的能耗也就小很多。例如北京某飯店冷卻水系統為開式系統，制冷機房和冷卻水池設在一層，冷卻塔設在十層屋頂，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后，冷卻水泵揚程只需25米，配電功率僅為75kW，每年可節電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水管路系統中主要的阻力部件。在空調系統的運行管理過程中，要定期清洗過濾器，如果過濾器被沉淀物堵塞，空調循環水流經過濾器的阻力會增加數倍。

閥門是調節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節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，所以應盡量避免使用閥門調節阻力的方法。

實際工程中有很多不合理地調節閥門開度，造成水泵電耗無謂浪費的現象。例如北京某飯店的空調水系統的壓力分布如下圖所示：

根據上圖水系統的運行壓力分析可以看出，在熱交換器和熱水循環泵之間的閥門（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，每年可節省電耗22萬度，節省運行費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，空調系統設計時要選擇型號規格合適的水泵，使其工作在高效率狀態點。空調系統運行管理時，也要注意讓水泵工作在高效率狀態點。

5.4設定合適的空調系統水流量

空調系統的水流量是由空調冷熱負荷和空調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，空調水供回水溫差越大，空調水流量越小，從而水泵的耗電量越小。但是空調水流量減少，流經制冷機的蒸發器時流速降低，引起換熱系數降低，需要的換熱面積增大，金屬耗量增大。所以經過技術經濟比較，空調冷凍水的供回水溫差4～6℃較經濟合理[4]，空調熱水的供回水溫差10℃較經濟合理，大多數空調系統都按照5℃的冷凍水供回水溫差和10℃空調熱水供回水溫差的工況設計。

空調循環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，kPa.s/m6；

G――水流量，m3/s；

――水泵效率。

實際工程中有很多空調系統的供回水溫差只有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％，節能效果非常明顯。但是實際工程中常出現如果減少水流量，有些房間就會出現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。出現這種情況的原因是水系統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，不會出現夏季室溫降不下來的情況。這種空調系統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、濕度參數在整個供冷季和供暖季是在不斷變化的，所以空調系統的冷熱負荷在一年中也在不斷變化，并不保持一成不變。空調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。當空調冷熱負荷變化時，由公式（3－1）可知，所需要的空調冷熱循環水量也隨負荷相應變化。水泵的流量、揚程、軸功率和轉速間的關系如下：[7]

(3-3)

式中：

n1，n2――電機轉速；

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速，就可以連續地改變水泵的流量。電機的轉速跟交流電的頻率成正比。通常市政電網的電流頻率是50hz，變頻調速水泵就是利用變頻器改變電流頻率來改變水泵轉速和流量。

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水泵能耗的12.5％，節能效果是非常明顯的。

6減少風機電耗

空調系統中風機包括空調風機以及其它送風機、排風機的，這些設備的電耗占空調系統耗電量的比例是最大的，右圖顯示了北京某飯店空調系統各設備能耗所占的比例：

空調系統風機電耗所占比例最大，風機節能的潛力也就最大，風機的節能也應引起最大的重視。減少風機能耗主要從以下幾個方面入手：定期清洗過濾

圖3-6某飯店空調系統各設備耗電量比例

定期檢修、檢查皮帶是否太松、工作點是否偏移、送風狀態是否合適。

7改善空調系統控制

目前很多商業建筑的空調系統未設空調自控，也有很多商業建筑的空調自控系統因年久失修而無法使用，這使得空調系統的運行管理很不方便。特別是對于面積較大的商業建筑，可能有上百臺空調箱、新風機組，運行管理人員連每天啟停空調箱都沒有足夠的精力去實現，更不用說適時地調整空調箱的運行參數，讓其節能運行。因此很多商業建筑的空調箱、新風機在空調季節只得讓它們全天24小時運行。如果為空調系統加裝自控系統，即使是最簡單的啟停控制，也可以極大節省空調能耗。例如北京某寫字樓、飯店，面積13.5萬平方米，有空調箱、新風機組90多臺，而運行管理人員只有十幾人，空調箱、新風機在空調季只能全天24小時運行。如果只為空調系統增加啟停控制，每年可節電130萬度，節約運行費78萬元。

8總結

目前中國商業建筑建設量大，商業建筑的能耗較發達國家高40％左右，商業建筑的節能是非常重要、刻不容緩的一項工作。商業建筑的空調能耗是商業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建筑的空調能耗，并且已建成的商業建筑空調節能具有投資回收期短、效益高的特點，有利于商業建筑空調節能工作的開展。

參考文獻

[1]ASHRAEhandbook1991:Heating,ventilating,andair-conditioningapplications，AmericanSocietyofHeating,RefrigeratingandAirConditioningEngineers,c1991。

[2]中國統計年鑒(1998)，中國統計出版社。

[3]何雪冰，劉憲英，中央空調節能有關問題的研討，99西南地區暖通制冷學術年會論文集。

[4]彥啟森主編，空氣調節用制冷技術，中國建筑工業出版社，1981年7月第一版。

[5]錢以明，高層建筑空調與節能，同濟大學出版社，1990年2月第一版。

[6]周謨仁主編，流體力學泵與風機，中國建筑工業出版社，1985年12月第二版。

[7]陸耀慶主編，實用供熱空調設計手冊，中國建筑工業出版社，1993年6月第一版