西安中贸广场中央空调方案设计探讨及节能分析

连志强,赵有民,安锦锋

(1.陕西中贸房地产开发有限公司,西安710061;2.延安热电厂,延安716000;3.陕西省制冷学会,西安710045)

0 项目概况

该项目位于西安市长安路与友谊西路交汇口西北处,长安路沿线,地铁二号线南稍门站附近。项目占地面积约6.4万m2,总建筑面积约60余万m2,其中商业建筑面积约13万m2。项目南区商业面积约为8万m2,分为商业主楼、商业副楼两部分。商业主楼地下2层,地上5层裙房,商业副楼地上4层。商业主副楼之间部分为商业步行街,主副楼之间2层以上有连廊连通。

商业主楼地下1层为超市,地上1～4层为品牌百货,5层为影院和餐饮等。商业副楼1～2层邻步行街分隔为独立店铺,其它地方均为商业租赁区。

1 空调冷热源

1.1 冷热源选择

冷热源选择应根据项目相关情况合理选择。项目住宅、公寓部分采暖采用市政集中供暖,商业冬季空调采用市政换热站供暖即为最合理经济的方式。在此基础上空调冷源一般有以下几种方式:(1)电制冷离心、螺杆制冷机组;(2)冰蓄冷、水蓄冷制冷机组系统;(3)高温冷冻水机组,温湿度独立控制空调系统。

1.2 冷热源系统分析

冰蓄冷、水蓄冷系统首先要考虑的是峰谷电价,西安地区电价峰谷比值不到3,高峰电价也只有约1元/kWh,且蓄冷设备又将占用紧张的车库面积。以上因素的限制已使得蓄冷系统的投资回收期超过5年甚至更长。

高温冷水机组也已在市场上出现,温湿度独立控制空调系统是由电制冷机组制备18℃左右冷冻水来消除室内显热,用溶液调湿空调机组来消除室内的余湿量从而达到空调目的的空调系统。

现有的热湿联合处理的空调方式存在如下问题:(1)热湿联合处理的能源浪费。(2)难以适应热湿比的变化。(3)室内空气品质不佳。(4)室内末端装置吹风感。(5)输配能耗的问题。然而上述问题是基于对湿度有一定要求的情况下,而在实际工程中,舒适性空调常常不对湿度有较高要求而且人员也对湿度的变化感觉较为迟钝,并不因为湿度的稍微增大而产生较强的闷热感,此种情况下就应根据工程实际综合分析来评估此种系统的适用性。比如,空调季的平均室外空气含湿量、人员新风量大小、湿负荷所占空调总负荷的比重、溶液调湿空调机组的选型与控制等因素均应具体分析,实际工程的应用也对新系统的应用具有很大借鉴意义。

分析该系统应用于本工程尚有以下几点疑问:(1)温湿度独立控制空调系统相对于常规空调露点送风是否有明显的节能优势。(2)室内温湿度变化,露点温度也随之变化,现有经济的自控水平如何保证所有末端始终维持干工况运行。(3)在低负荷时段或室外空气湿度较小时,系统是否还具有同样的节能优势。任何新型空调系统都并非能适用任何类型的工程,每个空调系统都有与其它空调系统不同的基因,只有全面把握深刻认识每一个问题才能作出正确的选择。

1.3 系统集中及节能

中央空调制冷,是一个按照热力学第二定律进行的 “热量逆向传递”过程。该过程涉及到空调末端装置、冷水机蒸发器、冷水机组冷凝器以及冷却塔装置等四个热交换设备中的传热过程,涉及到室内空气循环、冷冻水循环、冷水机组制冷剂循环、冷却水循环和室外空气循环等5个流体循环,还涉及到系统的负荷及实际工况的变化,运行情况复杂,制约因素很多,使得中央空调系统具有时滞、时变、非线性和大惰性等一系列复杂特征。

这种复杂性使得与供热不同,并非越集中越好。虽然商业主、副楼相距很近并且地下室连通,然而其使用单位不同,商业功能不同。若硬要并入同一空调系统,会在物业管理、系统控制及经济运行等方面带来问题。国内较大的区域集中冷源,有的冷价已和电价相同,系统能效之低可见一斑。由于商业主副楼营业时间和负荷峰值时间基本相同,最后方案趋向于主副楼各设一个冷源,制冷机组采用离心和螺杆制冷机组。

2 空调水系统

2.1 冷冻水系统

空调水系统循环水泵变频调速 (以下简称VFD)运行的节能性已在业界得到普遍认可,然而只有选择合适的控制方式才能达到节能最大化的理想效果。

水泵运行的控制方式是指:用某种被控参数实现水泵的变频调速运行,通常被控参数取循环水系统中某处的压差/压力或温度等。本文定义了四种控制方式 (其中控制方式4为特例,因为属于非变频调速运行),它们分别是:

①运行控制方式1:恒定系统供/回母管间压差,系统工况点在图1之曲线-1上。

②运行控制方式2:恒定系统最不利环路压差,系统工况点在图1之曲线-2上。

③运行控制方式3:在供水温度满足要求的前提下,恒定系统的供、回水温差,系统工况点在图1之曲线-3上。其特点是:末端不设随负荷动作的流量调节阀,管网S值等于常数,为主动变流量运行。此运行控制方式节能效果最显著,但管网动态流量分配的可靠性差,很少采用。

图1 不同控制方式水系统运行曲线

④运行控制方式4:末端变流量,循环水泵工频运行,是一次泵空调水系统的典型运行方式。此控制方式运行能耗较高。

通过文献 [2]对循环水泵变频调速运行实例的研究说明,控制方式2恒定系统最不利环路或最不利环路组压差的变频调速控制方式是较理想的控制方式。

2.2 冷却水系统

相对而言,中央空调冷却水泵变频问题业内研究较少,争议也比较多。表1是冷却水泵占主机10%的变频节能分析。

由表中数据可以看出,低负荷率成为冷却水泵能否变频的主要考虑因素,只有在主机低负荷率、冷却水泵功率占主机功率比例较大时,冷却水泵变频才有意义。而大型商业空调通常由2、3台以上主机组成且具备主机群控系统,单台主机负荷率低于50%的几率很小,所以通过机组群控的台数控制已经能对冷却水泵的能耗进行控制,再进行变频控制意义已经不大。当然具体节能量应通过详细计算来论证是否变频,文献 [3]给出了一种计算冷却水泵变频节能的方法,具有一定指导意思。

表1 冷却水泵占主机10%的节能分析

3 空调风系统

由于大型商场基本采用全空气空调系统,而空调箱风机全年运行,因此商场空调系统中空调箱风机电耗所占比重最大,达到了该商场空调系统总用电的65.4%,浪费最严重、节能潜力最大。因此,大型商场节能的关键环节是空调风系统。

造成大型商场空调箱风机电耗巨大的主要原因是,空调系统采用定风量系统,风机并没有根据商场中的负荷变化而调节。而商场中人流密度的变化较大,因此最有效的节能方案之一就是采用风机变频控制调节策略,将定风量系统改变为变风量系统。采用风机变频控制调节时,在保证送风温度和室内温度不变的前提下,当室内负荷为最大室内负荷的一半时,风机的风量可以降到额定风量的50%,风机电耗可以降到其额定功率的1/8,具有极大的节能潜力。若保证送风温度不变,通过变频器调节风量,可得到定速风机和变频风机的逐时运行功率变化如图2所示。

由图2可以看出,变频风机在部分负荷时运行功率要远低于定速风机的功率,所以从全年累计运行能耗比较来看,两者相差很大。

大型商场建筑由于照明和客流量的影响,内部发热量很大;而且这类建筑往往体形系数也很大,热量不易散出。商场的新排风系统设计时,应考虑过渡季和冬季从室外引入新风作为免费冷源。设计上新风道面积不能过小,应满足过渡季和冬季的新风用量,还应有相应排风系统使得风量平衡,使全新风运行得以实现,以减少空调的开启时间。

图2 两种风机转速控制调节策略下空调箱逐时运行功率比较

4 空调自控系统

目前我国建筑设备智能化的建设与运用情况不容乐观,而在建筑设备智能化中,暖通空调系统智能化又比其他如照明、报警、电梯等智能化运行现状差。暖通空调自控系统在既有公共建筑中的应用较少,即使安装了暖通空调自控系统,也往往未能发挥其应有的优势。原因是多方面的,暖通专业和自控专业缺乏密切配合和自控专业对暖通空调系统缺乏深度理解,是其中的一个重要原因。暖通专业需在设计中明确以下三方面内容:①暖通空调系统的控制逻辑关系要求;②感测元件与执行机构的设置位置和精度要求;③设备控制参数的要求,是指暖通空调系统中各个设备的运行控制参数设定值、参数调节范围、以及感测元件与执行机构的参数性能要求等。

暖通空调系统是一个多变量、强耦合的复杂系统,自控设计中主要的难题是控制对象的难理解性和干扰的复杂性,暖通空调自控设计的成效关键在于暖通专业。空调系统主要矛盾在于末端设备的主动性调节,只有以整个系统的自控观抓住主要矛盾才能理清各控制机构的控制逻辑,而并非仅在机房考虑就能解决系统的整个问题。

5 方案综述

经过以上论述,本商场中央空调设计方案定为以下主要内容:①冷源为常规离心式、螺杆式水冷冷水机组;热源为城市集中供热。②冷冻水系统采用末端具备主动性调节的一次泵变流量系统,依据恒定系统最不利环路的压差来进行水泵变频调速,冷冻水泵均可变频调速,相互并联通过共用集管与冷水机组连接;冷却水为定流量系统,水泵工频运行。③商场空调采用全空气系统,空调箱风机依据回风温度进行变频调节。过渡季节空调系统可全新风运行来最大限度降低能耗,空调区域内气流组织合理且必须设置排风设备,排风设备应使系统风量平衡,全新风运行得以实现。空调箱变频控制应有保证满足人员卫生要求最小新风量的控制措施。④自控系统应主要分为主机系统群控、冷冻水变频调速控制、空调风系统变频控制、末端设备的主动性调节控制及各设备间的连锁调节控制等。

6 结语

大型商业暖通空调能耗占建筑总能耗比重很大,通过本文的讨论,期望在提高中央空调设计质量和降低大型商业建筑空调能耗等方面有所帮助。

[1]江亿.温湿度独立控制空调系统[M].北京:清华大学,2006,1

[2]伍小亭,芦岩.循环水泵变频调速运行实例研究[J].暖通空调,2006,36(8):25-32

[3]曲凯阳.中央空调冷却水泵变频节能的讨论[J].建筑热能通风空调,2009,(5):82-84