现代商业建筑中央空调系统的特点及优化方案

【摘要】随着现代城市的发展，商业建筑越来越多。在商业建筑配套设施中，中央空调系统是一项重要的组成部分，消耗很大的能源。本文结合商业建筑中的中央空调应用案例，对其特点进行分析，并根据目前存在的一些问题提出优化方案，以实现节能高效的目的，以供参考。

【关键词】商业建筑；中央空调；节能；冷热源；优化

1.引言

商业建筑是现代建筑中一项重要的组成部分。随着我国经济的不断发展，商业建筑的数量会越来越多。大型商业建筑为业主、消费者提供了一个舒适、安全的工作、购物环境。为了达到这一目的，在商业建筑中几乎都要配有空调系统、电气系统、给排水系统、消防系统以及智能化系统等。所有子系统的设计都需要配合建筑设计，进行合理布局，准确计算，以提高子系统的应用效率、建筑系统的整体利用率。商业建筑中的中央空调系统是建筑能源消耗中的大户，做好空调设计有利于实现建筑节能，满足现代社会发展需求。本文通过对商业建筑的中央空调系统特点入手，结合案例提出优化方案，以提高中央空调的设计质量，降低商业建筑空调能耗，实现可持续发展。

2.中央空调系统概念

商业建筑对环境的要求较高，为了给其创造一个相对舒适的环境，其中央空调系统多采用室内与室外隔绝的方式设计。商业建筑的中央空调系统主要有冷、热源，空气调节与分配系统、控制系统等几大部分。冷、热源主要是对系统加热与排热，从而有效控制周围环境的温度。空气调节与分配系统则是从热量上、化学成分上对空气进行调节，把较高质量的空气在商业建筑内部形成分配与循环，从而提高中央空调的利用率。[1]空气调节主要是把室内的温度、湿度、有害气体等指标控制在一个合理的范围内，不对人体造成危害。控制系统目前多采用智能化自动控制系统，能够对空调的运行、环境进行实时自动监控与自我调节，确保中央空调处于最佳的运行状态，从而实现舒适与节能。

3.商业建筑中央空调系统特点

现代商业建筑风格不断现代化，采用了大量的现代技术与材料。玻璃幕墙是一种典型的外墙体系组成方式。这样的建筑热容量较小，对于外界环境温度的变化较为敏感，对于建筑的不同朝向、高度处受到的影响有所不同，对于空调的负荷也有较大的差异；中央空调系统的组成决定着空调设备会对建筑的立面形成一定的影响。[2]中央空调的冷却塔、新风口、排风口等都需要在商业建筑外、顶布置，甚至直接从商业建筑的外墙处进行开口，对于建筑本身的立面造成一定影响；一般购物商场等商业建筑高度不会太高，而写字楼、SOHO、办公楼等多较高。在高层建筑外侧，风对空调系统的影响也较大，室外风速会在高层外随着楼层的不断提高而增大，高层建筑外侧的渗透风压与放热系统也不断增大，给中央空调造成了较大的负荷；由于商业建筑的功能较多，制冷机组、空调机组需要根据建筑设计的不同安排在不同的位置，一般有地下层、设备层、建筑楼顶等位置，不同的位置在空调效果、维修养护等方面存在着一定的差异性；由于高层商业建筑的空调负荷较大，所以需要尺寸更大的管道才能满足需求，这就需要占用较多的建筑空间。商业建筑设计者需要在对层高进行确定时，根据不同的空调系统特点来进行空调布局设计，充分利用建筑有有效空间，满足预期设计需求。换新风功能是目前中央空调系统中一般都有的功能，在高层商业建筑的外墙上设置风口时，需要注意新风口需要在上风向位置，避免取得被污染了的空气，如果附近有有害气体排放口，则需要远离。而排风口则需要设置在下风向方向，与新风口保持一定的距离、高差，避免空气倒灌。[3]

4.现代商业建筑中央空调系统优化趋势

随着现代商业建筑的功能不断强大，其系统设计功能也不断呈现出多样化的趋势。我国早期就已经提出智能化建筑的概念，它是指对建筑内的设备、办公系统、通信系统以建筑本身为平台实现系统集成、管理与服务的最优化组合，提供一个安全、舒适、高效的建筑环境。近年来现代商业建筑更加注重信息设施系统、信息化应用系统、建筑设备管理系统以及公共安全系统等设计与功能的实现。从概念趋势来看，信息化将会成为未来商业建筑中央空调系统进行优化的方向与趋势。[4]

传统的建筑已经与工业能耗、交通能耗一起并称我国能源消耗的三大户。随着居民对环境的要求不断提高，建筑耗能数量还在进一步增加。在建筑能耗中建筑采暖与空调占到其总和的一半以上，最高达到近70%。为切实降低空调能耗，促进我国现代建筑、社会的可持续发展，需要在保持空调区域舒适度的前提下进行中央空调系统的优化，以降低空调能耗，提高利用率。

随着建筑业的不断发展，一些从事建筑能耗评估、建筑能耗监测、建筑节能技术服务的企业数量会不断出现、增多，以满足现代社会发展需求。现代空调系统优化主要是对中央空调系统的冷热源生产、输送与需求三个环节进行评估、提效。在进行系统优化前要对建筑中央空调系统进行评估，对消耗能源数量进行监测，实现更多应用场合的数据采集与传输要求，通过数据中心对硬件网关与软件网关进行配置与管理，如远程配置、权限管理、网关状态、数据流量与在线率等，对数据采集类型、方式、频率进行配置。冷机群控是充分利用自动控制技术来对冷热站系统的冷水机组、水泵、冷却塔、阀门等多种设备进行自动化监控，根据客户需求加载或卸载相关的辅助设备，使其应用效率不断维持在较高状态，实现节能管理。另外对冷热站、空调末端等设备进行持续增效也是对中央空调系统进行优化的必要步骤之一。[5]从设备、管理、监控多角度入手，使中央空调系统在商业建筑中的应用更加高效、环保、优化。

5.商业建筑中央空调系统设计案例

5.1工程概况

某商业建筑工程，地上五层，高度24米，地下二层，地下第2层为车库以及制冷机房、热交换站、配电室等设备房。建筑地上为高档商业商铺，如餐饮、银行、购物商场等，第五层为办公区，整个建筑的占地面积为16000平米，总建筑面积为76000平米，副楼两层。

5.2中央空调系统优化设计方案

5.2.1冷热源的选择

商业建筑冬季采用市政换热站供暖为最合理、经济的方式，空调冷源一般有电制冷离心机组、螺杆制冷机组；冰、水蓄冷制冷机组系统；高温冷冻水机组，温湿度独立控制空调系统等方式。[6]

5.2.2系统优化设计分析

在目前的热湿联合处理中存在着以下问题：热湿联合处理的能源存在着严重浪费的问题；不能够对热湿比变化进行适应；室内的空气品质不佳；室内末端装置有吹风感。在实际的应用过程中，使用者对空调的舒适性要求中对于湿度并不敏感，即使湿度较大，也不会产生严重的闷热感，所以需要进行实际综合分析系统的适用性。所以对于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以及溶液调湿空调机组的选择因素都应该具体分析。但同时对于系统中的自控水平如何才能确保末端维持在干工况运行；低负荷时，系统是否也能够节能等问题，需要在空调系统应用中进行全面考虑。[7]

5.2.3节能设计分析

中央空调制冷实际是一个热量逆向传递过程，它涉及到空调的末端装置、冷水机蒸发器、冷凝器、冷却塔等装置，涉及到的循环主要有室内空气循环、冷冻水循环、冷水机组制冷剂循环、冷却水循环与室外空气循环等，另外根据实际的运行工况复杂情况，涉及到的制约因素也较多。在上述商业建筑中，如果把主楼、副楼并入同一空调系统，在物业管理、系统控制等方面存在着一定的问题，虽然二者在营业时间与负荷峰值时间基本无异，但还是需要在主副楼各设一个冷源，制冷机组使用离心式与螺杆式冷水机组。

5.2.4冷却水系统设计分析

目前行业内对于中央空调冷却水泵的变频问题研究较少。低负荷率是冷却水泵是否变频的主要因素，当主机低负荷率、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。[8]一般大型商业建筑需要多台主机组成的主机群控系统，单台主机低负荷率很小，利用机组群控系统对主机启动台数进行控制，已经能够对冷却水泵的能耗进行控制，再采用变频控制方式对于节能没有太大意义。

5.2.5风系统的设计分析

大型商业建筑基本采用全空气空调系统，空调风箱全年运行，机电消耗比重最大，浪费问题最为严重，也存在着很大的节能潜力。对于风系统的设计分析优化是未来商业建筑中央空调系统优化方案中一项重要的组成部分。

目前空调系统多采用定风量系统，风机没有根据商业建筑中的负荷变化而进行调节。而商业建筑中会在不同的时间、场合，负荷出现一定的变化。采用风机变频控制调节策略是一种新型、有效的节能管理模式，把定风量系统优化为变风量系统。利用风机变频PID控制调节时，在确保送风温度与室内温度不变的前提下，如果室内负荷为最大负荷的一半，风机的风量可以降低到额定风量的一半，风机耗能降低到额定功率的1/8，节能明显。大型商业建筑内部的热量不易散发，新排风系统设计时，需要充分考虑过渡季与冬季在室外引入新风作为免费冷源，满足过流季新风用量，使风量平衡，实现全新风，减少空调的开启时间。[9]

5.2.6自控系统优化分析

在自控系统优化方案中，要明确暖通空调系统的控制逻辑关系，明确感测元件、执行机构的位置与精度要求。中央空调系统是一个多变量复杂系统，自控设计要有效控制这种复杂性，其矛盾主要集中于末端设备的主动性调节，而并非在机房之内考虑就能解决系统的全局控制问题。

6.总结

大型商业建筑是未来城市建筑发展方向，其中央空调系统能源消耗数量巨大。在现代社会可待续发展、能源节约的政策背景下，需要不断进行系统优化，提高空调系统的效率与应用性。本文简单介绍了中央空调系统概念，阐述了商业建筑中央空调系统特点，分析了现代商业建筑中央空调系统优化趋势，最后引入商业建筑中央空调系统设计案例，根据目前存在的一些问题提出优化方案，主要包括冷热源的选择、系统优化设计、节能设计、冷却水系统设计以及风系统与自动控制系统优化，进而达到节能高效的目的。充分结合现代商业建筑本身的层高、高度、材料、管理等问题进行不断优化，也可以提高中央空调的使用效率。

参考文献

[1]代焱，苏虎山，荣庆兴.商业建筑中央空调系统节能途径探讨[J].机电信息，2010，10：44-47.

[2]胡曙敏.中央空调控制系统研究[D].浙江工业大学，2012.

[3]彭小磊.中央空调系统优化及水系统节能研究[D].河北科技大学，2012.

[4]郭红军.公共建筑空调系统设计综合能效比计算方法的研究[D].重庆大学，2010.

[5]陈珊珊.中央空调自控系统设计[D].安徽理工大学，2013.

[6]温晓航.智能建筑中央空调系统的节能分析[J].山西建筑，2005，11：133-134.

[7]李明海.中央空调水系统的优化控制与节能技术研究[D].西安建筑科技大学，2011.

[8]赖雪梅.中央空调系统全年运行能效分析[D].北京工业大学，2007.

[9]李令言.中央空调节能控制系统的研究与开发[D].中国科学技术大学，2011.