大樓中央空調耗能及其節能簡述

周 俊

上海上電電力運營有限公司

大樓中央空調耗能及其節能簡述

周 俊

上海上電電力運營有限公司

以某大廈中央空調系統為例，首先闡述某大廈中央空調系統的能耗現狀，然后探究某大廈中央空調系統優化存在的問題，針對存在的問題最后提出中央空調系統運行節能應用研究上的幾種措施。

能耗；節能；中央空調

1 中央空調系統的能耗概述

國內建筑中央空調系統使用率正在不斷提高，大約占世界空調使用市場份額的12%，除了美國和日本，中國已經成為世界第三大空調使用市場。不僅各個用戶的空調能耗在不斷增加，公共建筑中的中央空調系統能源消耗也在迅猛增長，目前國內的公共建筑廣泛釆用中央空調系統，由于受到建設綜合投資以及理念和技術水平的制約，浪費了非常大的電能資源。隨著社會經濟的進一步發展和人民生活水平的逐步改善，中央空調的使用量和用電量也會以一個比較高的速度增長。因此，選擇節能降耗的中央空調系統以及提高其電能綜合能效比就成了當今一直不變的主題。

首先，中央空調空氣處理系統本身包含大量空氣輸送設備，其運行能耗是中央空調系統整體運行能耗的重要組成部分。本文以廣東省郵政局辦公大樓為例，該大樓空氣處理系統能耗占中央空調系統總能耗的 36%左右，僅次于空調主機，是中央空調系統最主要的能耗設備之一。

其次，空氣處理系統是中央空調最重要的熱濕處理設備，也是室內熱舒適性調節的核心裝置，其運行性能直接影響著室內熱舒適性狀況。因此，空氣處理系統優化運行研究不僅可降低系統運行能耗，同時也是保障室內熱舒適性的要求。

再次，中央空調系統是相互耦合相互關聯的運行整體，空氣處理系統與冷源系統相互影響，其運行狀況對于中央空調冷源的能耗及運行效率也具有不可忽視的影響。當末端空氣處理系統運行參數設置不合理時，將極大地限制冷源水系統的變流量調節空間，導致冷凍水輸送裝置的能量浪費。

2 大樓基本情況

2.1 建筑概況

信源大廈，是廣東省郵政局的行政綜合辦公樓，1996 年8 月破土動工，2000 年5月投入使用。位于廣州市中心商業區天河北路與五山路交匯處，是一座超高層現代甲級綜合辦公樓，2008年獲得“國家物業管理示范大廈”稱號。大廈占地34 820 m2，總建筑面積83 988 m2，空調面積67 267 m2，主體主樓和附樓組成，主樓樓高36層，第15層為設備技術層，也是大廈的避難層，9～12層為網絡機房，地下室兩層為停車場；附樓高7層，大廈以行政辦公為主，部分樓層用作寫字樓出租。信源大廈建筑外觀圖見圖1，建筑平面簡圖見圖2。

2.2 中央空調系統介紹

信源大廈中央空調冷源主要采用3臺特靈900RT離心式制冷機和1臺特靈430RT螺桿式制冷機為大廈提供冷量。16～34層由兩臺制冷量（熱交換量）2 300 kW的板式換熱器提供冷源；冷卻水系統由4臺90 kW和1臺55 kW冷卻水泵、3臺800 m3/h和1臺400 m3/h冷卻塔、冷卻水管路構成一個開式循環水系統，它主要作用是將冷水機組運行時的冷凝器熱量通過與冷卻水熱交換散發到外界大氣中；冷凍水系統由制冷機房4臺75kW冷凍水泵和1臺45 kW冷水泵、設備技術層3臺75 kW（專供16～34層）、集水器、分水器和空調末端設備（風機盤管、新風機、空氣處理柜）構成一個閉式循環水系統，它主要作用是將冷水機組運行時產生的冷量通過冷凍水傳輸到用冷區域內，滿足建筑物內的空氣調節要求。

圖1 大樓外觀

圖2 信源大廈標準層平面圖

2.3 能耗構成特點

根據信源大廈中央空調系統2009 年度的能耗數據，并對其進行整理、統計和分析，中央空調系統的能耗特性，找出運行中存在問題，指明中央空調系統節能運行的方向，為下一步提出節能措施打下基礎。評價建筑節能時，通常采用單位面積的一次能耗量作為評價指標，對中央空調系統而言，就是將中央空調系統每年制冷所消耗的能量轉化為一次能量，再除以空調面積，稱為單位面積空調能耗。本文就是采用這一方法對信源大廈機電設備總能耗和中央空調系統能耗進行分析評價。

（1）中央空調系統能耗量及所占比例

表1是2009 年總能耗及中央空調系統能耗情況。取電力（以kWh 計）一次能源轉化率為30%。

表1 2009年總能源消耗統計

（2）中央空調系統能耗分析

為進一步了解信源大廈中央空調系統能耗，特將空調能耗從建筑能耗中分離出來單獨統計分析。從表1中可以看出，信源大廈中央空調系統能耗2009 年為4 309 650 kWh，折合一次能源為51 715.81 GJ；2009 年建筑能耗為114 415.68 GJ，大廈建筑總面積83 998 m2，空調面積67 267 m2， 2009年單位面積空調系統能耗為0.769 GJ/m2，占單位建筑能耗1.362 GJ/m2的56.4%。

同類建筑中，上海為47.1%，重慶為45.2%，北京為45.6%，可見，信源大廈中央空調能耗較其他城市超高層寫字樓高出很多。不同地區的建筑能耗水平相差較大，反映出能耗絕對量指標的差異，但并不能體現建筑機電設備系統的能效水平，不同地區統計分析時引用數據來源不同，調查采樣的建筑范圍有限，不同地區所采用的能源消費統計計算方法和依據也存在一定的差異，因此，引用的具體數據不具備絕對的可比性，只是相對比較而已。建筑機電設備系統能耗強度大小反映的是能源消耗的多少，與耗能設備運行時間成正比，與耗能設備效率成反比。

信源大廈能耗在廣州地區處于中等水平，單位面積空調能耗高出廣州地區的其他大樓，經分析，主要原因是省郵政局的網絡機房和廣州移動的通信機房設置在該大廈，由大廈的中央空調系統來降溫。網絡機房和通信機房發熱設備多且集中，發熱量非常大。且24 h不間斷運行，因此大廈的中央空調系統，也24 h連續工作。

除了中央空調系統全天候24 h不間斷工作之外，人為浪費也能耗較大的因素之一，信源大廈是廣東省郵政局的綜合行政辦公樓，辦公人員的節能意識不高，經常是把風機盤管的溫控器的溫度調到20℃以下，下班卻切斷風機盤管電源?！犊照{通風系統運行管理規范》GB 50365-2005 指出：在制冷工況下，室內溫度每升高1℃，能耗可減少8～10%，可見這是行政辦公樓人為能耗浪費的一個重要方面。

冷水機組在系統中的能耗比例最大，但其自身具有隨用冷的變化而相應的變化，因此單臺冷水機組節能的空間不大，但夏季兩臺機組并聯運行時采用機組群控的方式，達到節能的效果。

3 中央空調系統優化存在的問題

3.1 空調冷凍水系統的水力不平衡

有時因為各種原由，導致了空調水系統中的水管上沒有安設電動調節閥情況的發生，使空調水系統不能實現自動控制，而有的時候即使空調機組安設了所謂的電動的調節閥，但由于空調機組不能進行正常的工作所以也沒有辦法去實現自控。上述這些原因，都可能會造成各個空調機組的水力的不平衡等問題。

3.2 負荷、系統分區等問題引發冷熱不均勻

中央空調系統在運行中往往會存在夏季外區正常甚至偏熱、內區偏冷等冷熱不均勻的現象，其主要原因是在中央空調設計時，沒有考慮計算得出的負荷欠準確、內區外區空間大小分區不合理等因素。內區全年幾乎都表現出冷負荷的現象，原因是內區不受室外氣候條件的影響，并且其他室內負荷相對都比較穩定，所以需要對內區長年供冷。外區則跟內區有很大的區別，它的負荷隨季節變化明顯，并出現冷、熱負荷的交替變化。根據以上情況，我們在對中央空調設計時應正確選擇設備和計算負荷，對內區和外區分開進行設計，以避免建筑物內部的冷熱不均勻現象，以滿足內區和外區對系統的不同要求。但是由于現實中我們要考慮很多因素，所以將會根據每個工程的實際情況去選擇性價比最高的內外區組合方式。

3.3 冷水機組裝機容量偏大

對于一些商場類的建筑，規定夏季冷負荷的概算指標為210～240 W/m2。目前大多數用戶都有一個誤區，他們判斷中央空調效果好壞的標準，或是冬季室內的溫度越高越好，或是夏季室內的溫度越低越好，如果不滿足他們的這個標準，即便屋內的溫度達到了設計標準，他們也認為空調的效果不好。所以，許多設計人員在設計中央空調時，往往會首先考慮到人們的標準和各種各樣的安全系數，設計偏于保守，結果造成建筑物單位空調而積的裝機容量遠大于實際運行中的卑位空調峰值冷負荷。

3.4 管理水平低和自控程度差

通過調研發現，部分中央空調系統運行中存在的問題，除了與系統自身的運行管理情況有關以外，與系統的設計也密切相關，例如中央空調設備的清洗次數過少，結果會導致冷凝器、過濾器都會或多或少有阻塞現象，從而使空調系統的正常運行受到嚴重的影響。

此外，調研中還發現，有些大樓雖然有一些中央空調系統安裝了自控系統，但是在實際運行時大部分都處于全關或全開的狀態，或是調節精度不高，或是不能進行正常工作。由此可見，為了節省運行費用和保證空調效果，我們要根據建筑的不同情況，對中央空調系統采用不同的自控方案，盡最大努力提高中央空調系統的自控程度。

4 中央空調系統節能應用研究上的幾種措施

4.1 空調冷熱源的節能

（1）準確確定冷負荷

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，也會減少所需的配電功率，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民用建筑節能最根本的措施。

（2）選擇冷熱水機組須根據全年負荷情況，合理平衡

1）要避免機組臺數過少。臺數過少存在的問題有: 負荷可靠性下降，一旦負荷高峰時機組出現故障，影響的比例就大；負荷適應性也差，其面積不大、冷負荷也不大，而使用場所又往往有提前和延長制冷要求，機組臺數少，意味著單臺制冷負荷大，一旦開啟，只有部分負荷時就不適應，對離心式機組，往往易發生喘振現象。

2）要避免機組臺數過多。機組臺數過多有如下缺點: 單機容量下降，機組COP 下降，能耗高；機組臺數多，配置的循環水泵也多，水泵并聯多，并聯損失高；機組臺數多，配置的循環水泵多，占用機房面積就大；機組臺數過多，也意味著絕對故障點增多。

3）要避免不恰當的使用多機頭機組(包括多機頭風冷熱泵或模塊化風冷熱泵、模塊化冷水機組)，絕對故障點太多，增大啟動電流。

4）要避免一味地采用等容量機組。采用等容量機組，機房布置也許會劃一整齊，備品各件會少，但工程中往柱有小負荷的不同使用功能的場所，如采用等容量機組，就容易造成負荷適應性差的缺點。

4.2 水輸送系統的節能

在許多舊的中央空調系統中，采用了開式冷卻水系統。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。

供熱空調泵系統存在設計電功率容量偏大、運行耗電量較高的問題，而泵的電耗在空調供熱系統能耗中占的比重也較大，設計泵電功率容量大要求增大發電容量，增大峰谷差;運行耗電量大意味著發電煤耗的增大和污染物排放量的增大;容量增大使初投資加大，運行電耗增大使耗電費增多，兩者都提高了空調供熱運行成本，加大了熱(冷)費用和用戶的負擔。為此，必須了解空調供熱泵容量和能耗增大的原因，探討泵節能的方法，并從設計、運行和設備上提出改進的措施。

4.3 風系統及末端裝置的節能

（1）空調末端裝置

FC 是廣泛運用的空調/ 采暖末端裝置，目前國內生產廠家很多。有些企業特別是一些鄉鎮企業對產品質量關心不夠，技術力量薄弱，在上馬過程中，經常為了片面追求冷熱量指標而加大風機電機，使得耗功率不合理地上升。目前國家的有關標準中，尚未規定單場開了綠燈。建議在實施產品許可證制度的同時，盡快增加產品能耗指標的有關規定，以利于節能。

（2）VAV 系統

變風量系統適合多房間且負荷有一定變化的建筑。對于負荷變化較小的建筑物，采用變風量系統的意義不大。每種系統形式都有它的優點和缺點，不存在十全十美的系統。比如，變風量系統容易產生噪聲問題，對于影劇院和電臺錄音棚這類聲學效果要求較高的場合，擬不要采用變風量系統。對某一系統優劣的評價關鍵在于實際運行顯現出來的優點多還是缺點多。設計人員在方案設計（概念設計）階段應綜合各方面因素- 建筑物用途、建筑格局、室內負荷變化特點、工程造價、系統運行維護以及業主對將來改擴建的考慮等等，進行技術經濟比較，權衡利弊。

（3）冷卻塔的節能

在制冷空調系統中，冷卻塔起著非常重要的作用。目前應用較廣泛的是濕式(蒸發式)冷卻塔。當冷卻水通過冷卻塔與外界空氣進行換熱的同時，實際上還進行著質量的交換，因此量又分為顯熱和潛熱兩部分。假如換熱量全部為水的潛熱，則冷卻水降低6℃所蒸發的水量不及總供水量的1/100 。

過渡季中，外界溫度較低，少開冷卻塔，但用風扇強制冷卻并不如多開冷卻塔，而用自然冷卻節能；在適當的季節，冷卻塔直接利用大氣冷源通過板式換熱器間接制冷方式，是目前值得推廣的。在我國大部分地區(如西北地區、北方地區)的空調系統中若采用冷卻塔供冷技術，均會收到一定的節能效果。

5 結語

能源對我國未來的發展起著關鍵作用，在能源稀缺的情況下，節能就顯得至關重要。由于中央空調能耗較大，所以要從中央空調的結構和工作原理上對其進行改進，使其既節能又環保，這應成為中央空調未來的研究和發展方向。

我國制冷空調己有良好的基礎，我國的自然環境，人文環境以及經濟環境為制冷空調事業的發展提供了充裕的條件，結合我國國情，總結他國的歷史與現實的經驗，必將形成我國的特色。展望未來，信息時代、生命科學時代、要求制冷空調科技工作者，在制造優良的生命（生產）環境以及運行管理智能化方面做出新的貢獻，盡快建成一個綠色中國、綠色世界。

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Brief Introduction of Building Central Air-Conditioning System Energy Consumption and Energy Saving

Zhou Jun
Shanghai Electric Power Operation Co.,Ltd

The article takes some building central air-conditioning system as example. The author introduces current energy consumption of some building central air-conditioning system then explores existing problems of some building central air-conditioning system. Finally the author puts forward countermeasures of central air-conditioning system operation energy saving application research focusing on existing problems.

Energy Consumption, Energy Saving, Central Air-Conditioning

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2017.10.007

周?。罕究?，上海上電電力運營有限公司總經濟師。