大型分散式商業(yè)空調(diào)系統(tǒng)方案模擬優(yōu)化研究

韋古強，董 黎，劉 燁，崔 宏

(1.魯能集團(tuán)有限公司，北京 100020; 2.山東?？菩畔⒓夹g(shù)有限公司，山東 青島 266071；3.清華大學(xué)，北京 100084)

隨著經(jīng)濟(jì)和時代發(fā)展，針對越來越個性化的消費群體，大型商業(yè)建筑的布局開始由傳統(tǒng)的大體量、高樓層、高密度型的集中式建筑，向低樓層(一般不超過24 m)、低密度、商鋪分散且靈活多變的分散式建筑發(fā)展。這種商業(yè)區(qū)的地上部分由多個建筑面積不大的獨棟小樓構(gòu)成，建筑內(nèi)區(qū)不多，具備較好的開門、開窗條件，可充分利用自然通風(fēng)實現(xiàn)室內(nèi)換氣和溫度控制。另外，由于商業(yè)區(qū)業(yè)態(tài)較多，租戶類型不一，其運行經(jīng)營的靈活度也很大，不同租戶的使用需求都會有較大差別。針對這種類型的商業(yè)建筑，傳統(tǒng)的集中型冷熱源系統(tǒng)不利于末端靈活調(diào)控及租戶主動節(jié)能，更適合采用租戶能夠靈活控制調(diào)節(jié)的分散冷熱源系統(tǒng)[1-2]。在進(jìn)行這類商業(yè)建筑的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計時，為兼顧建筑外立面美觀及空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的需求，需要因地制宜，對冷熱源系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，力求盡可能在保證用戶舒適性的基礎(chǔ)上節(jié)約空調(diào)系統(tǒng)能耗。

本項目位于成都，是典型的大型分散式商業(yè)建筑。成都地區(qū)氣候溫和，日照較少，春、夏、秋氣溫均較低[3]，可充分利用自然通風(fēng)。所以，該商業(yè)區(qū)更適合采用分散冷熱源系統(tǒng)，可以很好的適應(yīng)租戶不同的運行參數(shù)、不同的運行時間，解決集中系統(tǒng)效率低的問題，而且因方便計量收費，使得用戶會盡量優(yōu)先利用開門開窗的通風(fēng)方式代替空調(diào)，降低能源消耗。

下面以成都某大型分散商業(yè)項目(建筑面積30余萬m3)為例，分析比較不同空調(diào)系統(tǒng)形式在該工程應(yīng)用中的可行性，并在全年逐時冷負(fù)荷模擬的基礎(chǔ)上，比較各模式下的系統(tǒng)能耗，提出冷熱源方案的改進(jìn)建議。

1 系統(tǒng)形式討論

1.1 常見分散冷熱源系統(tǒng)

常見分散冷熱源系統(tǒng)形式有變制冷劑流量多聯(lián)式空調(diào)系統(tǒng)(以下簡稱VRV)和水環(huán)熱泵系統(tǒng)。

VRV系統(tǒng)比較適用于本項目商業(yè)區(qū)建筑的形式和運營需求，成都地區(qū)的氣候也較適合采用VRV系統(tǒng)，應(yīng)用在此項目的主要問題在于每棟樓都需要有擺放室外機(jī)的室外空間，由于商業(yè)樓周邊的地面上是商業(yè)步行街，不宜設(shè)置空調(diào)室外機(jī)，只能在建筑屋面或其他位置安排室外機(jī)，因此對建筑外觀設(shè)計要求較高。考慮到保護(hù)商業(yè)區(qū)中式建筑風(fēng)格，室外機(jī)僅能考慮安裝于坡屋面下，為保證空調(diào)效果，室外機(jī)安放空間還需要保證空氣流通效果，與建筑屋面、墻面設(shè)計的結(jié)合較難處理[4]。如能結(jié)合建筑特點，合理布置室外機(jī)，VRV系統(tǒng)也是較合適的空調(diào)方案。

水環(huán)熱泵系統(tǒng)(圖1)主要特點是，制冷、制熱設(shè)備(熱泵)分散在各個租戶處，由租戶自行控制調(diào)節(jié)，大廈集中為各個租戶的熱泵提供環(huán)路水，冬季作為熱泵的低位熱源，夏季作為熱泵的冷卻水，此系統(tǒng)解決了分散冷熱源系統(tǒng)安放室外機(jī)困難的問題，也保留了用戶獨立控制調(diào)節(jié)的功能。

圖1 水環(huán)熱泵系統(tǒng)示意圖

水環(huán)熱泵系統(tǒng)的一個重要缺點是需要一個輔助加熱系統(tǒng)，用燃?xì)忮仩t制取高溫水然后經(jīng)板換換給低溫的環(huán)路水(環(huán)路水是熱泵水源，冬季一般在20 ℃左右)，然后再通過熱泵提升溫度進(jìn)行供熱，是一種很不合理的用能方案[5]。另外，水環(huán)系統(tǒng)冬季供熱需要消耗電能，而成都實行季節(jié)性電價，冬季電價較貴，且商業(yè)使用時間基本為峰電/平電時段，用熱泵制取熱水運行費用較高。綜上，圖1所示的水環(huán)熱泵系統(tǒng)也不是理想的空調(diào)方案。

表1 鍋爐與水環(huán)熱泵供熱經(jīng)濟(jì)性對比

1.2 項目水環(huán)熱泵的建議方案

為解決水環(huán)熱泵系統(tǒng)冬季運行費用高、用能不合理的問題，可利用水環(huán)熱泵系統(tǒng)的思路，考慮如圖2所示的空調(diào)系統(tǒng)形式(以下稱建議方案)[6-7]。

圖2 建議方案的系統(tǒng)示意圖

與圖1的水環(huán)熱泵系統(tǒng)相比，圖2所示的系統(tǒng)形式有以下主要區(qū)別：

(1)熱源：設(shè)置中央熱源系統(tǒng)。前面提到，商業(yè)區(qū)采用分散空調(diào)系統(tǒng)主要是為解決空調(diào)季節(jié)靈活調(diào)控和優(yōu)先自然通風(fēng)的問題，供熱時，分散系統(tǒng)沒有優(yōu)勢，且利用熱泵進(jìn)行供熱時電費高，經(jīng)濟(jì)性很差，所以不采用租戶內(nèi)的水源熱泵進(jìn)行供熱，另外設(shè)置中央熱源系統(tǒng)，采用燃油燃?xì)忮仩t制備熱水，經(jīng)板換獲得60/50 ℃熱水為商業(yè)區(qū)供熱。

(2)冷源：因為設(shè)置了集中供熱系統(tǒng)，內(nèi)區(qū)租戶的水源熱泵機(jī)組可更改為單冷的水源冷水機(jī)組，對外區(qū)也可仍應(yīng)用水源熱泵機(jī)組，可在熱負(fù)荷較小，鍋爐尚未開啟時，回收內(nèi)區(qū)余熱，利用熱泵進(jìn)行供熱。

(3)水源冷水(熱泵)機(jī)組采用水-水形式，為末端提供冷熱水，避免機(jī)組直接位于空調(diào)房間，以免機(jī)組噪聲影響室內(nèi)環(huán)境。

(4)末端：租戶內(nèi)采用四管制風(fēng)機(jī)盤管，冷水由租戶內(nèi)設(shè)置的水源冷水(熱泵)機(jī)組提供，熱水由鍋爐經(jīng)板換換熱提供。

以上為根據(jù)傳統(tǒng)水環(huán)熱泵系統(tǒng)形式，針對本項目特點進(jìn)行調(diào)整的建議方案，保留了分散冷源的特征，并選用了運行費用較低的供熱方案。下面通過空調(diào)系統(tǒng)能耗模擬計算，為商業(yè)區(qū)系統(tǒng)形式確定提供進(jìn)一步依據(jù)。

2 能耗計算分析

2.1 空調(diào)負(fù)荷模擬

利用建筑環(huán)境動態(tài)模擬分析軟件DeST對商業(yè)區(qū)全年逐時空調(diào)負(fù)荷Q進(jìn)行計算[8]，對運行能耗的分析基于此逐時負(fù)荷,結(jié)果如圖3所示，圖中正數(shù)表示熱負(fù)荷，負(fù)數(shù)表示冷負(fù)荷。

圖3 商業(yè)區(qū)全年逐時空調(diào)冷熱負(fù)荷

2.2 運行能耗分析

按照負(fù)荷模擬結(jié)果，分別按照常規(guī)集中冷熱源方案(離心冷機(jī)+燃?xì)忮仩t)和建議方案進(jìn)行主要設(shè)備選型，見表2。

表2 主要設(shè)備參數(shù)

從能耗角度，集中冷熱源方案與建議方案的初步對比如下：

(1)集中冷熱源方案的大型離心式冷水機(jī)組效率高，小型水源機(jī)組效率偏低(相差約16%)；

(2)集中冷熱源方案長途輸送冷熱水，輸送過程有冷熱損失和水泵得熱影響；建議方案只輸送冷卻水，水泵輸送能耗小，輸送過程熱損失小(冷量損失5%)；

(3)在只有小部分區(qū)域需要開啟空調(diào)時，集中冷熱源方案系統(tǒng)效率低，建議方案的分散機(jī)組運行效率高(集中冷熱源方案，增加電耗約3%)；

(4)集中冷熱源方案統(tǒng)一提供冷熱水，一般會在較統(tǒng)一的溫度、濕度下運行，所有租戶都在較高的標(biāo)準(zhǔn)下運行，不利租戶主動節(jié)能；建議方案采用分散冷源，租戶獨立控制空調(diào)，可滿足不同需求的用戶要求，可利用自然通風(fēng)，減少空調(diào)開啟時間，節(jié)省冷源電耗和新風(fēng)機(jī)電耗；

如前所述，集中冷熱源方案的優(yōu)勢主要是大型離心式冷機(jī)制冷效率高，而建議方案的優(yōu)勢主要是可靈活控制、利用自然通風(fēng)減少空調(diào)運行時間，輸送冷水損失小和低負(fù)荷運行效率高。從上面的優(yōu)缺點對比看，建議的分散冷源方案究竟是否節(jié)能，關(guān)鍵在于靈活調(diào)控減少空調(diào)運行時間這一因素。

地上建筑的租戶均可直接對步行街或連廊開門，從經(jīng)營需求，很多租戶會選擇開門營業(yè)，既便捷了顧客，又可實現(xiàn)自然通風(fēng)的效果；加上采用分散冷源的系統(tǒng)形式，自行負(fù)擔(dān)空調(diào)電費，租戶可以根據(jù)自然通風(fēng)狀況自行控制空調(diào)啟停(注，通過對采用分散系統(tǒng)的類似項目調(diào)研確認(rèn)了這種現(xiàn)象)。而且在自然通風(fēng)狀態(tài)下，租戶對室溫的要求會有所降低(自然通風(fēng)條件下達(dá)到同樣的熱舒適性，允許的溫度較高)，比如室溫達(dá)到28℃時才開啟空調(diào)，這使得開啟空調(diào)的時間大大減少，這樣一來，商業(yè)區(qū)采用分散冷源系統(tǒng)時，全年實際的耗冷量大大降低，從而實現(xiàn)節(jié)能效果。

當(dāng)然，并非所有租戶都會按照自然通風(fēng)、超過28℃時開啟空調(diào)的模式運行，在模擬分析時，設(shè)定了以下幾個工況(表3)，模式零為所有租戶均按照室溫要求24℃進(jìn)行空調(diào)，模式一至模式四對室溫不同要求的租戶給予了不同比例，以模式四為例，有10%的租戶按照室溫24℃控制，有50%的租戶按照26℃控制，有40%按照28℃控制。

表3 租戶的運行模式

對集中冷熱源方案系統(tǒng)，因為集中供冷，租戶基本按照統(tǒng)一的參數(shù)運行空調(diào)，租戶亦無通風(fēng)節(jié)能的主觀需求，主要運行在模式零。而對建議方案的分散冷源系統(tǒng)，則會出現(xiàn)類似模式一至模式四的情況，不同租戶運行在不同的溫度參數(shù)，并且采用不同的開啟空調(diào)策略。下面以表3所列的各個模式為例，對比兩種方案下空調(diào)能耗及運行費用。

圖4為集中冷源方案與建議方案空調(diào)電耗對比，隨著允許運行溫度較高的租戶比例增加(從模式零至模式四)，采用分散冷源的建議方案的耗電量逐步下降，在模式四時，空調(diào)電耗僅為集中冷熱源方案電耗的74%。

圖4 空調(diào)電耗對比

圖5給出了在模式四時，建議方案與集中冷源方案的各設(shè)備用電，建議方案與集中冷熱源方案相比，節(jié)省的耗電主要來自冷機(jī)用電及新風(fēng)機(jī)用電，這是因為優(yōu)先利用自然通風(fēng)減少了冷量消耗和新風(fēng)機(jī)運行時間。

圖5 冷熱源能耗消耗

圖6和表4給出了兩個方案的運行費用對比，當(dāng)建議方案與集中冷熱源方案均按照全部區(qū)域24℃運行時，其能耗和運行費相差無幾；而隨著室溫要求較低的租戶比例增高，達(dá)到模式四時，建議方案的運行費用可比集中冷熱源方案下降30%，近200萬元/年。

圖6 冷熱源運行費用對比

表4 運行能耗及運行費用對比

綜上，采用建議方案時，租戶實際的運營模式?jīng)Q定了其運行能耗，按照本商業(yè)建筑項目的建筑特征及成都地區(qū)的生活環(huán)境，采用分散冷源，應(yīng)會有較多租戶選擇提高空調(diào)溫度、開門營業(yè)自然通風(fēng)，從而比集中冷熱源方案會有20%、30%甚至更多的節(jié)能效果。

4 結(jié)論

綜合前文的模擬分析，可以得出以下結(jié)論：

(1)常見分散冷源系統(tǒng)為VRV系統(tǒng)和水環(huán)熱泵系統(tǒng)，VRV系統(tǒng)的室外機(jī)擺放位置困難，而水環(huán)熱泵系統(tǒng)環(huán)路水冬季需要輔助加熱，且成都冬季電費較高，熱泵供熱經(jīng)濟(jì)性差，所以兩個方案均不適合此項目。

(2)在水環(huán)熱泵系統(tǒng)基礎(chǔ)上，夏季空調(diào)采用分散冷源，冬季供熱采用集中熱源。通過能耗分析，針對該商業(yè)項目，采用本文中的建議方案(圖2)，可比常規(guī)集中冷源方案節(jié)能20%以上。綜上，該方案具有運行調(diào)節(jié)靈活、適應(yīng)不同租戶的不同需求、運行能耗較低、計量方便等優(yōu)點，是非常適用于此類分散商業(yè)區(qū)的空調(diào)系統(tǒng)方案。

(3)此外，在采用水環(huán)熱泵系統(tǒng)的項目中，實際運行后可能出現(xiàn)運行噪音過大，以及運行管理工作量大的問題，在進(jìn)行此類型項目的暖通設(shè)計時，應(yīng)該在設(shè)計階段優(yōu)化方案，針對噪聲問題，可以采用水-水冷機(jī)(熱泵)形式，對一個租戶設(shè)置一個或數(shù)個(根據(jù)租戶規(guī)模)冷水(熱泵)機(jī)組，一個機(jī)組帶數(shù)個風(fēng)機(jī)盤管，冷水機(jī)組(熱泵)置于設(shè)備用房、庫房等處，不直接位于空調(diào)房間，即可解決噪聲問題。并根據(jù)商業(yè)規(guī)劃，控制冷水機(jī)組(熱泵)的數(shù)量，對屬于一個租戶的大面積租戶，盡量減少設(shè)備臺數(shù)，由此控制商業(yè)區(qū)總設(shè)備數(shù)，減少運行維護(hù)工作量。

另外，因有魯能集團(tuán)酒店、商業(yè)綜合體節(jié)能降耗研究項目的支持下完成本文，特在此感謝。