公共建筑空调设计中节能问题的探讨

摘要：随着我国经济社会的发展，一方面，大量新建公共建筑中大型公共建筑的比例不断提高，另一方面既有公共建筑相继改造，由普通建筑升级为大型公共建筑。相关调查显示，现有大型公共建筑空调系统节能潜力在30―50%。鉴于此，现阶段，加强对公共建筑空调设计中节能问题的研究和探讨具有重要的现实意义。

关键词：公共建筑；空调设计；节能

一、前言

随着国民经济的发展和人民生活水平的提高，空调系统的应用越来越广泛，空调系统的设备投资在建筑总投资中的比重越来越大，运行能耗也越来越大，尤其是在公共建筑中。一般宾馆、写字楼空调能耗约占总能耗的 30%～40%，大中型商场空调能耗则高达 50%以上。我国很多城市夏季用电紧张的局面主要是由于建筑空调用电造成的。在我国能源和资源越来越紧张的条件下，如何减少空调系统的能耗是当前研究开发新的节能技术和产品的重要任务。空调系统的节能与很多因素有关，需要在空调建筑的规划设计到空调系统的设计、施工、运行调节的整个过程中贯彻节能的思想，才能取得良好的节能效果。

二、公共建筑中空调系统能耗高的原因

1、不合理的建筑设计与通风方式

在能耗较高的一些办公建筑和综合商厦等建筑中，由开窗通风、机械排风等造成的室内外通风换气形成的冷负荷会占到总冷负荷的50%以上。

2、不合理的系统和设备选型以及运行方式，导致空调系统效率过低。例如，由于设计不合理和缺少有效的调节手段，使冷机、水泵、风机长期在偏离高效点的状态下工作，导致其能源利用率不到其高效工况点工况的 50%；停止的冷机未能及时关闭水回路，使得相连接的循环水泵只能多台运行，水泵的能耗增加一倍；承担能量输送功能的风机水泵由于设计偏大，实际上长期小温差运行，使风机水泵能耗高于正常状况一倍或更多。

3、在运行维护过程中，由于没有直观的参考工具和正确的运行数据，运行维护人员判断系统设备是否处于正常状态多数靠经验或仅考电机是否运转来判断，这种方式存在很大的隐患，降低了系统运行可靠性。

4、在传统空调的新风设计中，一般只考虑了室内人员引起的污染，而忽视了室内污染物引起的污染。再加上有些地区室外的空气质量比室内的空气还要差，同时新风过滤器的效率不高，新风中进入室内的有机化学物质得不到有效的去除，使得室内空气质量往往满足不了人们生活工作的需要。另外，实际运行中，如果排风不畅，新风量供应也不可能满足。各楼层如果不设面积足够的、可开启的排风窗或天窗，无组织排风不能达到设计效果，不仅满足不了最小新风所需要排风量，更实现不了过渡季节的全新风运行，使得室内空气环境恶化。

三、公共建筑空调节能设计措施

1、空调风系统节能运行

公共建筑多采用集中式或半集中式空调系统，其新风量标准的确定是影响能耗的一个关键因素。由于不同空调房间在室内人数等方面的差异，各房间所需要保证室内卫生条件的最小新风量的差别有时可能较大。对于新风量差别较大的个别空调房间，可以考虑将其放入其他系统或采用其他方式来增加其新风量，以满足其卫生条件的要求。按以上方法确定出的新风量是集中式空调系统的最小新风量。对于全年允许变新风量的建筑和空调系统，在过渡季节，可以增大新风量甚至利用全新风，利用新风冷量来节约运行费用，以达到节能的目的，同时也可以得到较好的室内空气品质。在过渡季节，可以利用室外新风的冷量来推迟和减少使用制冷设备的时间，节省制冷系统的能耗。为保持空调运行期间建筑物内部的风平衡，应合理控制新风机组和排风机的运行，避免外窗开启，减少无组织新风，同时避免楼梯间与电梯间等非空调空间与空调空间之间不合理的空气流动。当空调系统所负担区域与厨房、车库等需连接大量排风的空间相连时，应通过自动闭门器等装置切断相连空间。

2、合理选择空调系统的形式

空调系统形式的不同，对空调系统运行能耗有较大的影响。在以舒适性为主的空调系统中，尽量不采用定风量再热式系统，而应当采用较大的送风温差。在办公、商业等大型公共建筑的内区，变风量空调系统是节能空调的一种形式。近年来，冰蓄冷技术的发展，可以为空气处理提供 1.1～3.3℃的低温冷冻水，这为在空调系统中采用低温送风方式创造了条件。对于集中式空调系统，在与冰蓄冷相结合的条件下，低温送风与常规全空气送风方式比较，具有初投资少、运行费用低、节省空间等特点，是值得关注的节能空调方式。

3、冷热源的节能设计

目前，环境污染和能源危机日益成为全球关注和重视的课题。以环保和节能为特征的绿色建筑及与之相应地空调系统应运而生。水源热泵空调系统正是满足这一要求应运而生的空调系统之一。水源热泵主要利用地球表面浅层水源如河流、湖泊和地下水中吸收地太阳能和地热能而形成低温低位热能资源 ，并利用热泵原理 ，把不能直接利用的低位热能 ，通过少量的高位热能的输入 ，转化为可以利用的高位能 ，进而达到节约部分高位能的目的。水源热泵具有节能、经济、运行可靠等特点。水源热泵空调系统的应用范围拥有良好的发展前景。水源热泵空调系统在设计安装中，与传统的空气源热泵有所不同 ，在设计使用时应注意如下几方面问题：（1）开、闭式形式的转换：1）夏季采用开式。开式系统与闭式相比较 ：开式系统的冷却塔远比闭式的冷却塔经济，但采用开式冷却塔，要注意水质和除垢 ；闭式冷却塔虽然不经济 ，但可以保证水质不受污染。如采用板式换热器 ，则多一套水循环系统。此外 ，板式换热器的冷却水往往达不到热泵机组进、出水设计温度的要求。2）季节转换。要实现夏季与冬季的季节转换 ，通过在管路系统合理设置阀门就可进行。（2）重力作用的影响。在水力计算中 ，不同形式的水源热泵系统 ，其重力作用的影响也不同。重力作用在闭式系统中 ，垂直各用户影响不太大 ；而在开式系统中的垂直各用户影响甚大 ，即必须考虑高差产生的重力作用。这个重力压差 ，对标高低的用户有利 ，而对标高高的用户不利。要解决重力作用产生的垂直方向水力不平衡问题，设计上，应将每一层作为一个独立的水系统分支 ，每层支管应设流量调节阀（或平衡阀）。（3）管径的确定。在水系统管段管径的确定中 ，由于夏季在管道内的水流量远大于冬季工况 ，故设计时应按夏季工况考虑。通过水力计算 ，合理的管径设计 ，即可避免管材的浪费 ，又可降低初投资。（4）接管组合。水源热泵系统为保证机组的正常工作 ，需要一些特殊的接管组合。常见的有手动控制流量球阀接管组合 ，手动文丘里平衡阀组合和自动流量接管组合。其中手动文丘里平衡阀组合是在手动球阀组合的基础上增加了一个用来测流量的文丘里接头 ；自动流量接管组合增加了自动流量控制阀 ，从而可以自动调节，以保证流量。（5）空调的末端设备。比较理想的热泵机组中央空调系统是附加末端设备――风机盘管。水源热泵厂家提供的热水温度多数是 50℃～55℃，但对于我国北方地区来说 ，还是有些偏低。因而建议在必要的时候应对大风量的末端设备辅以额外的加热措施 ，或将大风量的末端设备分解成若干个小风量的末端设备 ，以确保冬季送风的设计参数要求。

4、空调水系统节能设计

据调查，空调冷冻水系统的设计都是按建筑最大负荷设计，而空调系统处于最大负荷运行的时间只占很小一部分。例如某工程冷水系统总运行时间数为2160小时，为4.5个月，满负荷运行为360小时，占总运行时数的16.6%，其余的83.4%都是在部分负荷下运行的，这就给我们提出了一个问题，如何使空调系统在部分负荷运行的时候最大程度的节能，这也为系统的节能提供了可行空间。现有楼宇大厦空调系统大都采用集中供风的方式，由空调冷水机组产生冷源，利用冷冻水泵和管路将冷冻水输送到每个房间，再由房内风机的盘管与空气进行热交换，调节室内温度。冷水机组内部释放的热量由其冷凝器中的水通过冷却泵传递给冷却水塔冷却，冷却水再由管路送回冷水机组的冷凝器循环使用。这种空调系统的冷水机、冷却水泵和冷冻水泵均由交流电机带动。其中，冷水机组在设计时大多已考虑到节能，可根据负荷大小自动调节输出功率。冷却水泵和冷冻水泵一般为连续工作方式，全年恒速运行，均根据最大负荷即当地最热天气及整座空调建筑全部使用空调所需负荷来选定，如在较凉爽天气及大厦初期入住率低时仍按此运行，会使进出冷水机组的冷却水及冷冻水温差变小，造成能源浪费。设计时针对冷冻水系统，由于它的水温取决于蒸发器的设定值,回水温度取决于蒸发器接收的热量,空调冷冻水出的温度与冷冻水的回水温度设计最大温差为5℃(出水为8℃, 回水为13℃)。在蒸发器的出水管和回水管上装有检测温度的变送器。再与工控机和变频器组成闭环控制系统, 通过冷冻水的温差来控制, 使冷冻水泵机组的转速相应于热负载的变化而变化, 当第一台电机已达到工频时, 还达不到要求时就可起动第二台电机, 工频运行, 然后调控第一台电机。这样不断调整控制, 使其达到最佳的效果。对冷却水系统而言，降低水的温度取决于冷却塔的工作状态,我们只需控制高温冷却水的温度(冷凝器出水口) 即可控制温差。现采用温度变送器、工控机和变频器组成的闭环控制系统，使冷却水泵的转速相应于热负载的变化而变化。同样，当第一台电机已达到工频时,还达不到要求时,就可起动第二台电机实行工频运行,然后调控第一台电机，使之达到最佳的状态。同时根据负荷需要相应增开或则停运冷却塔风机。

5、热回收设计

传统上，空调运行中，热量的排出会造成较大的能源浪费,这些热量的散发又使周围环境温度升高,造成严重的环境热污染和大气温室效应。若将制冷机放出的冷凝热予以回收用来加热生活热水和生产工艺热水,不但可以减少冷凝热对环境造成的热污染,而且还是一种变废为宝的节能方法。从节能设计角度看，大型公共建筑例如大型的宾馆，需要生活热水，如果在空调系统中安装有冷凝热回收系统的装置，有效回收冷凝热，可替代传统锅炉对大楼进行热水供应，节约锅炉燃油消耗。空调设计中，对于中高档宾馆，一般取冷负荷指标为100-150W/ m2，目前，制冷机组常用的冷凝器冷却方式主要有风冷式，水冷式和蒸发式。其中蒸发冷凝式制冷机组采用平板液漠蒸发式冷凝技术，通过将冷凝器直接置于冷却塔内部，即可直接获得更接近空气湿球温度的冷却水温度，降低了制冷工质冷凝温度，冷却效率高于其它两种方式。

三、结语

总之，随着社会的发展，大型公共建筑越来越多，人们对其室内环境的要求也越来越高，从而导致空调系统的能耗不断增大。由于受气候条件、建筑物特性的影响，对不同地域、不同结构和功能的建筑物，需要根据具体情况具体分析，做好空调节能设计。