建筑空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)與優(yōu)化分析

田軍

(宜昌測試技術(shù)研究所，湖北宜昌443003)

建筑空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)與優(yōu)化分析

田軍

(宜昌測試技術(shù)研究所，湖北宜昌443003)

論文指出當(dāng)前建筑空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)中存在的問題，并從冷熱源、水系統(tǒng)、風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行和管理系統(tǒng)4個方面對問題進(jìn)行了分析，通過設(shè)計(jì)合理的方案、選擇科學(xué)的計(jì)算法則對空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能性能進(jìn)行了優(yōu)化處理，對節(jié)能設(shè)計(jì)相關(guān)研究具有一定的借鑒意義。

空調(diào)系統(tǒng)；節(jié)能設(shè)計(jì)；優(yōu)化分析

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.08.015

1 引言

科技的迅速發(fā)展，促進(jìn)了人們生活質(zhì)量的提高，空調(diào)更是越來越受歡迎。然而這也就意味著空調(diào)系統(tǒng)的能量消耗值也越來越大，尤其是在大型公共建筑場合。在全球變暖的趨勢下，夏季越來越炎熱，空調(diào)耗電量也明顯升高，導(dǎo)致眾多城市供電不足，從而影響了正常的生活用電。由此可見，當(dāng)前城鎮(zhèn)夏季用電緊張主要是由空調(diào)耗能引起的。所以，探究空調(diào)內(nèi)部運(yùn)行系統(tǒng)，改良空調(diào)系統(tǒng)的利用效率，從而降低耗能，是空調(diào)制造行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。在設(shè)計(jì)和制造節(jié)能型空調(diào)系統(tǒng)的同時(shí)，增強(qiáng)綠色意識，這對節(jié)能減排有很大的意義。

2 建筑空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)中存在的問題

2.1 空調(diào)設(shè)計(jì)缺乏經(jīng)驗(yàn)，盲目套用現(xiàn)有技術(shù)

在空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程中，一些專業(yè)人員在沒有認(rèn)清自身技術(shù)水平的情況下，盲目地套用已開發(fā)的技術(shù)，致使產(chǎn)品各方面性能不能達(dá)到最佳，從而導(dǎo)致耗能大大增加，偏離正常標(biāo)準(zhǔn)。更有一些設(shè)計(jì)人員在沒有對將要開發(fā)的產(chǎn)品的工作原理與內(nèi)部構(gòu)造進(jìn)行深入研究的情況下，就開始對產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)，這種做法直接導(dǎo)致產(chǎn)品不達(dá)標(biāo)，更別提起到節(jié)能的效果了。

2.2 設(shè)計(jì)觀念老化保守

設(shè)計(jì)人員通常有一種保守的設(shè)計(jì)理念，他們認(rèn)為空調(diào)系統(tǒng)的安全性是設(shè)計(jì)空調(diào)系統(tǒng)時(shí)首要考慮的問題，然而正是這種保守的思想導(dǎo)致產(chǎn)品的耗能不能有效改善，節(jié)能性大大減弱。例如，空調(diào)系統(tǒng)配置的實(shí)際數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)差值過大，導(dǎo)致空調(diào)系統(tǒng)超負(fù)荷運(yùn)行，而所用的內(nèi)泵尺寸過大，結(jié)合口過小，在連接配置時(shí)出現(xiàn)不對應(yīng)的狀況。出現(xiàn)以上問題主要是由于設(shè)計(jì)人員思想保守，不懂變通，致使空調(diào)系統(tǒng)嚴(yán)重超負(fù)荷運(yùn)行，進(jìn)而約束了空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能性的提升。

2.3 靜態(tài)設(shè)計(jì)

所謂靜態(tài)設(shè)計(jì)，就是指以產(chǎn)品的配置運(yùn)行狀態(tài)為考慮對象對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，而一般情況下的靜態(tài)設(shè)計(jì)并沒有考慮節(jié)能的配置問題，這一般是按固定的設(shè)計(jì)模板來進(jìn)行裝配的。比如，冬天與夏天的外界環(huán)境是大不相同的，如果從節(jié)能的角度來講，空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)該設(shè)計(jì)一個人工甚至智能調(diào)節(jié)器，使空調(diào)的出風(fēng)口與入風(fēng)口能夠及時(shí)地更新，避免新?lián)Q季而導(dǎo)致的空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷增加，冷暖水機(jī)不能及時(shí)調(diào)換，耗能大大增加。

2.4 空調(diào)節(jié)能控制管理有待完善

對空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行控制操作方面，運(yùn)行狀態(tài)管理存在很大的不可取性，甚至可以說是一大缺陷，現(xiàn)今大多數(shù)的空調(diào)系統(tǒng)控制管理方式都采用手動操作，而這樣很容易導(dǎo)致控制參數(shù)不符合理論值，大大增加浪費(fèi)比。雖然絕大多數(shù)的產(chǎn)品制造商與空調(diào)交易方都簽訂定時(shí)保養(yǎng)空調(diào)系統(tǒng)的協(xié)議，但是在實(shí)際情況中，公司并沒有很好地履行責(zé)任，這就造成產(chǎn)品內(nèi)部配置運(yùn)行的阻值增大，效率降低，使系統(tǒng)的損耗值增加，能耗值上升。

3 空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化研究實(shí)例分析

某建筑實(shí)例是一個商務(wù)酒店，該建筑內(nèi)部包括標(biāo)間、商務(wù)區(qū)、健身房、餐廳、中心花園，其中豪華房間和標(biāo)間套房共300間，住房區(qū)占地面積共600m2。該建筑全為框架結(jié)構(gòu)，墻體較厚，外墻均為單層玻璃幕墻，并未配置保溫層，內(nèi)部墻體只以普通磚土填充，未設(shè)置紫外線防護(hù)設(shè)施。

3.1 空調(diào)冷熱源系統(tǒng)節(jié)能分析

此建筑中的冷原主要來源于一組同額度容量的制冷劑量的離散式液冷機(jī)組，要想使此制冷機(jī)組達(dá)到最高的運(yùn)行制冷效率，從而達(dá)到節(jié)能的效果，首先要考慮的是提高機(jī)組的內(nèi)部耗能效率。由此，若恰當(dāng)分配冷原機(jī)組混合使用，以便冷源儀器負(fù)荷適應(yīng)性更強(qiáng)，更加符合建筑的要求。

3.2 空調(diào)水系統(tǒng)節(jié)能分析

一般的空調(diào)冷卻水系統(tǒng)都是由冷卻塔、制冷機(jī)組冷凝器、冷卻水泵等組成，并且內(nèi)部水泵也是采用普通壓力水泵，這種系統(tǒng)雖然使用時(shí)間很長，但是容易出現(xiàn)冷卻水分布不均，制冷量偏低的狀況。所以，建議使用冷凍水制冷系統(tǒng)來代替冷卻水制冷系統(tǒng)，并且水泵采用變頻系統(tǒng)水泵，這樣就可以很方便地調(diào)節(jié)溫度差和水流量的差值，更便于調(diào)控冷卻塔中風(fēng)量和出水量的大小。

3.3 空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能分析

此建筑中所有的房間使用風(fēng)機(jī)組圈管新風(fēng)系統(tǒng)，最底下地下層的公眾大廳整體利用空氣輪換系統(tǒng)，因此，在換季的特殊時(shí)期，應(yīng)該充分利用外界環(huán)境以及大自然的自我調(diào)節(jié)特點(diǎn)，增大對自然風(fēng)的利用，只要室內(nèi)空氣的質(zhì)量處于達(dá)標(biāo)的狀態(tài)，那么就可以不使用空調(diào)系統(tǒng)來調(diào)節(jié)室內(nèi)空氣，這樣一來就可以盡可能地節(jié)約能耗提高風(fēng)能的利用率。3.4空調(diào)運(yùn)行管理系統(tǒng)分析

根據(jù)相關(guān)人員調(diào)查分析，該建筑中空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行管理工作還是比較到位的，整體處于正常水平。因此，建筑工程部門在空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能管理方面應(yīng)該做到以下幾點(diǎn)。（1）制定良好的工作秩序策劃，盡好工作人員的職責(zé)，根據(jù)每個機(jī)組的優(yōu)勢與特點(diǎn)制定其專門的系統(tǒng)管理制度和章程，例如怎么操作、對系統(tǒng)的運(yùn)行及時(shí)記錄、對接換班、運(yùn)行安保措施等。（2）增大空調(diào)系統(tǒng)的日常維修檢查力度，確保系統(tǒng)內(nèi)部的正常運(yùn)行連續(xù)性、管道的疏通性。（3）培養(yǎng)相關(guān)人員的專業(yè)水平，增強(qiáng)對空調(diào)系統(tǒng)的預(yù)控制能力，能夠?qū)Τ霈F(xiàn)故障的空調(diào)系統(tǒng)部分進(jìn)行及時(shí)處理與排除故障。（4）合理的冷卻水的溫度監(jiān)測是非常有必要的，有計(jì)劃地對系統(tǒng)負(fù)荷的搭載進(jìn)行調(diào)節(jié)，并對設(shè)備進(jìn)行周期性的保養(yǎng)與檢修。

4 空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化方案

在空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化方案中，首先要灌注綠色的理念，堅(jiān)持節(jié)約的原則、回收利用的意識、環(huán)保的態(tài)度，恰當(dāng)合理地選擇能源，盡量采用可再生資源以及綠色能源，同時(shí)盡最大可能地減少能量輸送過程中產(chǎn)生的能耗，增大利用率。

4.1 冷水機(jī)組的優(yōu)化

冷水機(jī)組的能量消耗在整個空調(diào)系統(tǒng)中相對于其他系統(tǒng)的能耗比率是最大的，這是由于大部分設(shè)備儀器的選擇依賴于冷熱源的核定負(fù)荷，所以對冷水機(jī)組的優(yōu)化選擇對整個空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能有很大意義。一般情況下，在配置冷水機(jī)組的同時(shí)，恰當(dāng)?shù)睾Y選機(jī)組數(shù)量能夠有效地減少四季耗能總量?？傮w來說，綜合能量消耗、性能消耗，以及建筑用負(fù)荷度是對冷水機(jī)組選擇的首要考慮因素。合理地選擇機(jī)組設(shè)備，對于節(jié)能更加有時(shí)效性，下面給出冷水機(jī)組的選擇范圍，詳見表1。

表1 水冷式冷水機(jī)組選型范圍

若要提升冷水機(jī)組的全季節(jié)的能耗效率，并優(yōu)化方案中對于整體建筑動態(tài)的負(fù)荷規(guī)劃，必須對每個季節(jié)的氣溫與氣候配合機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)來綜合配置，綜合分析，表2給出冷水機(jī)組的冷熱性能系數(shù)。

表2 冷水（熱泵）機(jī)組制冷性能系數(shù)

4.1.1 最優(yōu)方案選擇原則

對于如何開展冷水機(jī)組的選擇方法有很多，大多數(shù)冷水機(jī)等空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備中，冷卻器的性能在部分負(fù)荷單獨(dú)隔離，還需要對進(jìn)入控制單元的操作進(jìn)行選擇，整個閉環(huán)單元由冷卻水套，冷卻水泵制備，冷卻水泵幾種設(shè)備構(gòu)成冷卻系統(tǒng)整體的冷卻塔結(jié)構(gòu)，通過計(jì)算整個冷卻系統(tǒng)中各冷卻器系統(tǒng)的能量消耗，來判斷方案的優(yōu)劣，選擇的最優(yōu)方案為在多數(shù)其他條件都相同條件下的能源消耗最低的系統(tǒng)。

4.1.2 耗能分析計(jì)算

假設(shè)空調(diào)系統(tǒng)的總體耗能量用W代表，且整個制冷系統(tǒng)全季節(jié)運(yùn)行能量消耗W1，冷凍泵全季節(jié)運(yùn)行能量消耗W2，冷卻水泵全季節(jié)運(yùn)行能量消耗W3，冷卻機(jī)組總耗能值為W4。

冷卻器運(yùn)行負(fù)荷率成若干間隔，冷卻器裝置參數(shù)由制造商提供，以字母擬合方法確定建筑物每個負(fù)載功耗的范圍，以及由動態(tài)負(fù)載模擬結(jié)果的設(shè)備的數(shù)量。以小時(shí)計(jì)算每個負(fù)載消耗的數(shù)值，假設(shè)冷水機(jī)組配置方案中，每個單元模型為n，冷水機(jī)組配置方案W。

式中，j為典型工況下的負(fù)荷率，取20%～80%20個典型工況；ni,j為對應(yīng)i型機(jī)組負(fù)荷率下的運(yùn)行臺數(shù)，ni≤N；Pi,j為對應(yīng)i型制冷機(jī)組在j負(fù)荷率下的功率，kW；Pi2為對應(yīng)i型冷凍水泵的額定功率，kW；Pi3為對應(yīng)i型冷卻水泵的額定功率，kW；Pi4為對應(yīng)i型冷卻塔的額定功率，kW。

4.2 空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化加強(qiáng)

泵和空調(diào)耗電量一般占總功耗的30%～50%。為降低能耗，需要用科學(xué)合理的處理方法，降低整體節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)的用電。具體技術(shù)措施如下。

4.2.1 采用大溫差供回水

循環(huán)系統(tǒng)在冷（熱）負(fù)荷介質(zhì)間的存在供回水溫差質(zhì)量，冷熱負(fù)荷介質(zhì)間的初始溫差比較值用n表示，從流量的公式可以看到，泵或風(fēng)機(jī)功率消耗減少到原來n的1/3，節(jié)能效果顯著。但一般不應(yīng)大于供給和回水溫度差9℃。

4.2.2 選用低流速

泵、風(fēng)扇功率和管道系統(tǒng)流量滿足二次方的比例關(guān)系。因此，使用低流量可以達(dá)到更好的節(jié)能效果，提高流量循環(huán)的穩(wěn)定性。圖1為泵變流量系統(tǒng)示意圖。

4.2.3 提高輸配系統(tǒng)的效率

設(shè)計(jì)合理的選擇泵頭，如果頭太高，可以通過減少閥的開度來調(diào)整液壓平衡系統(tǒng)，以便過多的能量消耗在系統(tǒng)的閥和過濾器。在使用2個泵的系統(tǒng)時(shí)，空氣供應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)保持在高效區(qū)工作。

圖1 泵變流量系統(tǒng)示意圖

5 結(jié)語

空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的設(shè)計(jì)理念，需要利用各種方法和措施，重點(diǎn)對能耗因素進(jìn)行綜合分析。在研究設(shè)備運(yùn)作機(jī)理的基礎(chǔ)上，提高空調(diào)系統(tǒng)能源的循環(huán)利用，盡可能地避免公共建筑的浪費(fèi)，為實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)略國家節(jié)能環(huán)保做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

【1】趙辛，姜國偉.中央空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能方法[J].渤海大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，29(1): 22.

【2】陳麗茹.高層建筑空調(diào)節(jié)能設(shè)計(jì)的探討[J].潔凈與空調(diào)技術(shù)，2011(2): 125.

【3】伍震洲，李小華.建筑空調(diào)的節(jié)能設(shè)計(jì)[J].制冷與空調(diào)，2012，23(2):169.

Analysis on Energy Saving Design and Optimization of Air Conditioning System of Building

TIAN Jun

(Yichang Institute of Testing Technology,Yi chang 443003,China)

Firstly,this paper points out the problems in the current energy-saving design of air conditioning system of building,analyses the problems from the four aspects of cooling and heating source,water system,air system,operation management system,and finally optimizes energy-saving performance of the air conditioning system by designing reasonable scheme,and selecting scientific computation principle.It has certain reference significance on energy-saving design study.

air conditioning system;energy-saving design;optimization analysis

TU831.3+5

A

1007-9467（2016）08-0028-02

2016-08-02

田軍（1982～），男，湖北宜昌人，工程師，從事設(shè)備測試與調(diào)試等研究。