商業(yè)建筑空調(diào)節(jié)能技術(shù)方案

1、商業(yè)建筑空調(diào)節(jié)能技術(shù)方案摘要：本文針對(duì)空調(diào)系統(tǒng)能耗的影響因素和商業(yè)建筑的特點(diǎn)，以實(shí)際商業(yè)建筑空調(diào)節(jié)能改造為例，從減 少冷熱負(fù)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(jī)電耗、改進(jìn)氣流組織、改善控 制七個(gè)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(shí)施辦法。1 概述隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，商用建筑（寫字樓、賓館飯店、大中型商場(chǎng)等）大量興建， 1997 年全國(guó)房屋建筑 竣工面積達(dá) 62244 萬(wàn)平方米，其中住宅占 %、商業(yè)建筑占 %2 。目前國(guó)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(wèn)題，例如清華大學(xué)在 1998 年對(duì)北京市的十家營(yíng)業(yè)較好的大商場(chǎng)進(jìn)行了全面的測(cè)試 和統(tǒng)計(jì)，這些商場(chǎng)的

2、全年運(yùn)行能耗平均大約是 188 kwh/ ，而氣候條件大致相當(dāng)?shù)娜毡镜耐惤ㄖ钠骄?全年能耗大約是 135 kwh/ ，也就是說(shuō)北京市的商場(chǎng)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5060%。初步估計(jì)目前全國(guó)商用中央空調(diào)用電量為400萬(wàn)450萬(wàn)kW按重慶和上海的統(tǒng)計(jì)，中央空調(diào)用電量已分別占全市總用電量的23和%3 ，給各城市的供配電帶來(lái)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(huì)更加緊張，將會(huì)導(dǎo)致影響經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展。一般中央 空調(diào)能耗約占整個(gè)建筑總能耗的50%左右，對(duì)于商場(chǎng)和綜合大樓可能要高達(dá)60%以上，因此節(jié)約商業(yè)建筑空調(diào)能耗是刻不容緩的?？照{(diào)系統(tǒng)的能

3、耗主要有兩個(gè)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(jī)耗電，吸收式制冷機(jī)耗蒸汽或燃?xì)猓仩t耗煤、燃油、燃?xì)饣螂姷?；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(jī)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(yáng)輻射強(qiáng)度等） ，室內(nèi)空調(diào)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，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(jī)、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

4、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(duì)上述影響因 素和商業(yè)建筑的特點(diǎn)，商業(yè)建筑空調(diào)節(jié)能的技術(shù)措施可歸納為七個(gè)方面：減少冷熱負(fù)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(jī)電耗、改進(jìn)氣流組織、改善控制。2 減少冷熱負(fù)荷冷熱負(fù)荷是空調(diào)系統(tǒng)最基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)，制冷機(jī)、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(jī)盤管等規(guī)格型號(hào)的選擇都是以冷熱負(fù)荷為依據(jù)的。如果能減少建筑的冷熱負(fù)荷，不僅可以減小制冷 機(jī)、供熱鍋爐、冷熱水循環(huán)泵、空調(diào)箱、風(fēng)機(jī)盤管等的型號(hào)，降低空調(diào)系統(tǒng)的初投資，而且這些設(shè)備型 號(hào)減小后，所需的配電功率也會(huì)減少，這會(huì)造成變配電設(shè)備初投資減少以及

5、上述空調(diào)設(shè)備日常運(yùn)行耗電 量減少，運(yùn)行費(fèi)用降低。所以減少冷熱負(fù)荷是商業(yè)建筑節(jié)能最根本的措施。減少冷熱負(fù)荷有以下一些具 體措施：改善建筑的保溫隔熱性能房間內(nèi)冷熱量的損失通過(guò)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(fù)荷。改善建筑的保溫隔熱性能可以從以下幾個(gè)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(jì)窗戶遮陽(yáng)。充分利用保溫隔熱性能好的玻璃窗。選擇合理的室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)商業(yè)建筑空調(diào)的主要目的是創(chuàng)造一個(gè)舒適的室內(nèi)空氣環(huán)境，滿足人們辦公、學(xué)習(xí)、娛樂(lè)等的舒適及衛(wèi)生要求。美國(guó)供熱制冷空調(diào)工程師學(xué)會(huì)設(shè)計(jì)手冊(cè)1 (ASHRAE Handbook

6、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13C23C，空氣相對(duì)濕度 20%80%。如果夏季設(shè)計(jì)溫度太低或冬季室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度太高，都會(huì)增加建筑的冷熱負(fù)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(jì)溫度和相對(duì)濕度，盡量降低冬季的室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度和相對(duì)濕度，不要盲目追求 夏季室內(nèi)空氣溫度過(guò)低、過(guò)干，冬季室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度過(guò)高。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(huì)在房間的局部產(chǎn)生較大的散熱量，例如廚房的灶臺(tái)、 醫(yī)院消毒間的消毒柜、電話機(jī)房的交換機(jī)等。在空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)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)

7、到室內(nèi)，以減少夏季的冷負(fù)荷。但是 在運(yùn)行中，這些排風(fēng)機(jī)可能沒(méi)有開啟或者發(fā)生故障并得不到及時(shí)的更換和修理，那么這些局部熱源就會(huì) 造成很大的冷負(fù)荷，浪費(fèi)冷量和破壞室內(nèi)熱環(huán)境。控制和正確使用室外新風(fēng)量由于新風(fēng)負(fù)荷占建筑物總負(fù)荷的2030%,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(fù)荷各分項(xiàng)的比例：圖 3-1 冷熱負(fù)荷分項(xiàng)比例由于新風(fēng)負(fù)荷接近總負(fù)荷的 1/3 ,所以要嚴(yán)格控制新風(fēng)量的大小。除了嚴(yán)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(shí)當(dāng)室外空氣焓值小于室內(nèi)空氣設(shè)計(jì)狀態(tài)的焓值 時(shí),可采用室外新風(fēng)為室內(nèi)降溫,可減少冷機(jī)的開

8、啟量,節(jié)省能耗。減少新風(fēng)負(fù)荷應(yīng)從以下兩方面著手：不要隨意提高最小新風(fēng)量標(biāo)準(zhǔn)杜絕非正常渠道引入新風(fēng)3 提高冷源效率評(píng)價(jià)冷源制冷效率的性能指標(biāo)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(wú)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(jī)的實(shí)際運(yùn)行過(guò)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(huì)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：降低冷卻水溫度由于冷卻水溫度越低，冷機(jī)的制冷系數(shù)越高。下圖

9、顯示了某離心壓縮制冷機(jī)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1C,冷機(jī)的COP下降近4%降低冷卻水溫度需要加強(qiáng)運(yùn)行管理，停止的冷卻塔的進(jìn)出水管的閥門應(yīng)該關(guān)閉，否則，來(lái)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(jī)的制冷系數(shù)就減低了。冷卻塔使用一段時(shí)間后，應(yīng)及時(shí)檢修，否則冷卻塔的效率會(huì)下降， 不能充分地為冷卻水降溫。提高冷凍水溫度由于冷凍水溫度越高，冷機(jī)的制冷效率越高，右圖顯示了某冷機(jī)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1C,冷機(jī)的制冷系數(shù)可提高 3%,所以在日常運(yùn)行中不要盲目降低冷凍水溫度。例如，不要設(shè)置過(guò)低的冷機(jī)冷凍水

10、設(shè)定溫度；關(guān)閉停止運(yùn)行的冷機(jī)的水閥，防止部 分冷凍水走旁通管路,經(jīng)過(guò)運(yùn)行中的冷機(jī)的水量較少,冷凍水溫度被冷機(jī)降低到過(guò)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(shí),室內(nèi) 空氣溫度仍然較高,仍需要供冷。尤其是沒(méi)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(méi)有途徑散發(fā)到室外,室內(nèi)仍需供冷。此時(shí)如果開啟冷機(jī)供冷,不僅由于此時(shí)冷負(fù)荷較小,冷機(jī) 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 18C左右的溫度，所以地下水不

11、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(jī)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(shí)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15C,冬季室外空氣濕球溫度一般低于 0C,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(shí)，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(shí)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(jì)時(shí)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(méi)有足夠的新風(fēng)道為室內(nèi)送 室外新風(fēng)。

12、具體方法是春秋季利用冷卻塔將冷卻水溫度降低，再通過(guò)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(jī)盤管、空調(diào)箱，將冷量送到各個(gè)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(shí)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(jì)參數(shù)，冬季比室外空氣熱，夏季比室外空氣冷。通過(guò)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7080%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

13、作用，而且耗電量也非常大。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(yáng)程除了要克服冷卻水在管道中的流動(dòng)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(lái)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(jī)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(dòng)的阻力，所以所需要的水泵 揚(yáng)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(jī)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(yáng)程為 67米，

14、配電功率為 180kW，而改成閉式冷卻水系統(tǒng)后，冷卻水泵揚(yáng)程只需25米，配電功率僅為 75kW每年可節(jié)電18萬(wàn)度，合人民幣萬(wàn)元。閥門和過(guò)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(yùn)行管理過(guò)程中，要定期清洗過(guò)濾器， 如果過(guò)濾器被沉淀物堵塞，空調(diào)循環(huán)水流經(jīng)過(guò)濾器的阻力會(huì)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(shí)主要靠調(diào)節(jié)閥門開度來(lái)使各支路阻力平衡，以保證各個(gè)支路的水流量滿足需要。由于閥門的阻力會(huì)增加水泵的揚(yáng)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(shí)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(wú)謂浪費(fèi)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

15、：根據(jù)上圖水系統(tǒng)的運(yùn)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）和管路消耗了的揚(yáng)程，泵后閥門（此閥門的開度僅有25）消耗了，而加壓泵總的揚(yáng)程才，加壓泵出口的閥后壓力為，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(biāo)準(zhǔn)層加壓泵，每年可節(jié)省電耗 22 萬(wàn)度，節(jié)省運(yùn)行費(fèi)萬(wàn)元。提高水泵效率水泵功率是指由原動(dòng)機(jī)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(diǎn)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

16、率較低，那么就需要較大的輸入功率，水泵的能耗就會(huì)較大。因此，空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要選擇型號(hào)規(guī)格合適的水泵，使其工作在高效率狀態(tài)點(diǎn)?？照{(diào)系統(tǒng)運(yùn)行管理時(shí)，也要注意讓水泵工作在高效率狀態(tài)點(diǎn)。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(fù)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(fù)荷，kcal/h ; t 供回水溫差，C。 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(jī)的蒸發(fā)器時(shí)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(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，空調(diào)冷凍水的供回水溫差46C較經(jīng)濟(jì)合理4

17、，空調(diào)熱水的供回水溫差10C較經(jīng)濟(jì)合理，大多數(shù)空調(diào)系統(tǒng)都按照5C的冷凍水供回水溫差和 10C空調(diào)熱水供回水溫差的工況設(shè)計(jì)?？照{(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，kWS管路阻抗，表征管路特性的參數(shù)，m6;G水流量， m3/s；水泵效率。實(shí)際工程中有很多空調(diào)系統(tǒng)的供回水溫差只有23C,如果將供回水溫差提高到5C,水流量將減少到原來(lái)的 50左右，所以如果水流量減少50，水泵耗電量將減少，節(jié)能效果非常明顯。但是實(shí)際工程 中常出現(xiàn)如果減少水流量，有些房間就會(huì)出現(xiàn)夏季室溫降不下來(lái)的情況，而不得不提高流量、降低溫差來(lái)運(yùn)行。出現(xiàn)這種情況的原因是水系統(tǒng)中各個(gè)支

18、路阻力不平衡，夏季過(guò)熱的房間所屬的支路阻力大，當(dāng)流量減少時(shí)，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(guò)熱。如果加大流量，阻力小 的支路就會(huì)超過(guò)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(huì)出現(xiàn)夏季室溫降不下 來(lái)的情況。這種空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行是以增大流量和耗電量為代價(jià)的。變頻水泵的使用室外空氣溫度、濕度參數(shù)在整個(gè)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(fù)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(fù)荷一年中變很大，全年大部分時(shí)間的負(fù)荷只有最大負(fù)荷的 50左右。當(dāng)空調(diào)冷熱負(fù)荷變化時(shí)，由公式(3 1)可知，所需要的空調(diào)冷熱循環(huán)水量也隨負(fù)荷相應(yīng)變化。水泵的流量、揚(yáng)程

19、、軸功率和轉(zhuǎn)速間的關(guān)系如下： 7(3-3)式中：n1 , n2電機(jī)轉(zhuǎn)速；G1, G水流量；HI, H水泵揚(yáng)程；N1, N2水泵軸功率；所以通過(guò)改變水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，就可以連續(xù)地改變水泵的流量。電機(jī)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(lái)改變水泵轉(zhuǎn)速和流量。由于建筑全年平均冷熱負(fù)荷只有最大冷熱負(fù)荷的50左右，如果通過(guò)使用變頻調(diào)速水泵使水量隨冷熱負(fù)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，節(jié) 能效果是非常明顯的。6 減少風(fēng)機(jī)電耗空調(diào)系統(tǒng)中風(fēng)機(jī)包括空調(diào)風(fēng)機(jī)以及其它送風(fēng)機(jī)、排風(fēng)機(jī)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