西安某商场空调系统能耗模拟与节能研究

郑程升 梁亚红

西安建筑科技大学环境与市政工程学院

西安某商场空调系统能耗模拟与节能研究

郑程升 梁亚红

西安建筑科技大学环境与市政工程学院

本文采用了调研、测试和EnergyPlus软件模拟相结合的分析方法，对西安市某大型商场空调系统能耗作了研究分析。通过测试对室内外温度以及制冷机冷冻水、冷却水温度进行了分析，发现商场中各楼层存在着温度分布不均匀现象。随着楼层升高，每层的室内温度也升高。同时对机组测试中还发现，冷机处于部分负荷状态下运行，制冷机低效运行。最后通过模拟结果提出了几项节能措施并对其节能效果进行分析。

大型商场能耗模拟节能措施

目前我国正处在建筑业高速蓬勃发展时期，建筑能耗已经占到我国总商品能耗的20%～30%左右[1]，随着经济水平的持续上升这个比例还将有逐渐升高的趋势。当前我国大型公共建筑面积只有城镇建筑总面积的3.3%，但其能耗却占我国城镇建筑总能耗18%[2]，并且随着城市化进程的加快，建筑能耗还在不断增大。基于大型综合购物广场类商业建筑有结构复杂、高能耗、功能多样、人员流动性大、照明能耗高等众多特点，本文选择西安市某大型商场作为研究对象，对其能耗进行实测并利用能耗模拟软件EnergyPlus模拟，将实测能耗与模拟能耗对比分析，最后提出有效的节能措施。

1 建筑及空调系统概况

该商场建筑面积为103551m2，其中地下六级人防和设备用房共占18043m2，地上部分为85508m2。商场地下两层，地上七层，总高度29.45m。该商场为全框架结构体系，填充墙外墙、内防火墙、卫生间厨房墙为240空心砖墙，其余隔墙为250厚加气混凝土填充墙。

商场空调面积约为9.0万m2，空调夏季冷负荷为16100kW，冬季热负荷为5757kW，制冷站及换热站设于地下二层，选用五台特灵离心式冷水机组，其中四台制冷量为3500kW，一台制冷量为2100kW，提供7～12℃的冷冻水，冬季由换热器提供60/50℃的热水，热源由城市外网提供95/70℃的热水。

2 商场测试结果分析

在2012年7月24日到2012年12月24日近半年的时间内，分别在供冷季、过渡季、采暖季各自选取一周的时间对商场进行了实际测量，测量内容包括建筑室内、外温度，制冷机的冷冻水及冷却水进、出口水温度等。

2.1 室内热环境实测结果分析

对商场建筑内全空气空调系统运行时不同区域的温度状态进行了逐时测量，测点布置见图1所示。由于夏季测试结果比其他季节结果明显，故选取夏季测试为例，从图2显示中发现，该商场内的温度分布有较明显的差异。除了一层和七层外，其余各层的温度平均值基本保持在设计值26℃左右。一层温度也比较高，是由于一层门没有设置空气幕导致了室外热空气进入室内，故一层温度比较高。七层是商场的餐厅，人流量大，厨灶设备散热量也比较大，故该层所测温度就明显较高。

2.2 制冷机组运行状况实测结果分析

图3和图4分别给出了2012年7月24日至7月 30日测试期间该商场1号制冷机组的冷冻水和冷却水进出口温度逐时曲线。从图3可以看出，商场1号冷机冷冻水实际平均供、回水温度为10.8℃和14.1℃，实际供水温度高于设定值7/12℃。实际的平均供、回水温差为3.3℃小于设定的供、回水温差5℃。从图4中可以看出测试期间商场1号冷机冷却水实际供水温度基本保持在29℃左右，回水温度保持在32℃左右，冷却水实际供回水温度均低于设定值32/37℃。在测试期间商场冷却水实际的平均供、回水温差为3℃小于设定的供、回水温差5℃。测试期间冷机冷冻水、冷却水供回水温差大部分时间在3℃左右，说明制冷机大部分时间处于低效运行。

3 商场空调系统能耗模拟与结果分析

本文采用EnergyPlus第三方软件Design Builder进行建模并对建筑的空调系统能耗进行模拟分析，通过模拟结果最后提出了节能措施。

3.1 建筑模型

运用Design Builder对该商场建筑进行建模，根据设计图纸所提供的信息设置围护结构尺寸并输入材料的详细信息。表1是围护结构传热系数详细信息。由于该建筑是1998年设计的，所以外墙和屋面均未采用保温层，导致传热系数超出节能规范的规定值[3]。

3.2 模拟能耗与实际能耗对比及分析

气象参数采用的是EnergyPlus官方网站提供的，和实际的天气状况存有差异；因此，实际测量的结果与模拟结果有一定的出入。图5和图6分别给出了商场冷机、风机与泵全年实际耗电量与模拟耗电量结果的对比，图7给出了全年能耗模拟值与实际值对比。

从图5可以看出，冷机每月耗电量的模拟值与实测值变化趋势基本吻合。在空调运行期间，模拟与实际冷机耗电高峰值均出现在七月份。从图6可以看出，商场空调系统中风机与泵全年的模拟耗电量与实际耗电量的变化趋势也基本一致。模拟值比实际值稍大一些，这是由于模拟时风机与泵的运行时间是提前设置好，每天运行时间是固定的，而实际中风机与泵的运行时间是根据天气情况变化的，有可能会提前关闭或者只开部分。而从图7看出商场模拟全年能耗与实际全年能耗也很接近，基于以上三幅图的对比分析，说明运用Design Builder所建立的模型与实际的建筑相接近，认为EnergyPlus模拟计算的结果可以代替实际值。

3.3 空调系统模拟结果及分析

通过调研发现，此商场每年空调供冷实际运行7个月，总共214天。每天运行的时间是10:00～21:00，所以全年空调期运行的时间为2354小时。图8就是使用软件模拟空调期2354小时的逐时冷负荷。从图中可以看出，过渡季节其冷负荷大部分时间较小，空调系统可以采用全新风运行。5～9月这几个月中，其中5月和6月还有9月的冷负荷在4000～6000kW之间，而7月和8月的冷负荷处于8000～10000kW，主要由于西安市最热月在7～8月这两个月，所以负荷在这两个月明显高于其他几个月的，在极端情况下冷负荷在10000kW以上，但是所占的比例很小，这说明了空调系统在大部分时间内是处于部分负荷运行的。

空调期冷负荷率是指空调期内空调系统某一时刻冷负荷与系统实际运行峰值冷负荷的比值，对于指导冷源系统的选择、运行自控方案的确定、全年的能耗分析与经济分析等具有重要价值[4]。图9为空调期冷负荷率分布图。从图中分析得到建筑的负荷多数时间在最大冷负荷的1%～50%之间，共1489个小时；而以最大冷负荷的90%～100%运行的时间只22个小时，这说明空调机组大部分时间是在部分负荷状态下运行的。因此，如果能够采用合理的运行方式和先进的控制系统，就可以有效地减少空调系统运行的能耗。

4 节能措施模拟研究

通过对商场空调能耗模拟分析发现，商场空调系统在能耗方面的节能空间比较大。根据模拟结果提出了以下几种节能措施并对其节能效果进行了模拟分析。

4.1 不同冷冻水供回水温差节能

在制冷量不变的情况下，冷冻水供回水温差减小，使冷冻水的流量增大，导致水泵的能耗增大。实际测量时发现，商场冷冻水的供回水温差小于设定值。运用软件模拟不同的冷冻水供回水温差设定值下空调系统的能耗情况，其中供水温度设定为7℃，不同冷冻水供回水温差能耗模拟结果如表2所示。

从表2可以看出随着冷冻水供回水温差的增大，空调系统总能耗是逐渐减小的；当冷水温差达到8℃时，总能耗为347.87万kWh，比5℃时减少9.16万kWh，节能2.57%；当温差减小为3℃时，空调系统总能耗升高到391.78万kWh，能耗增加9.73%。但是从表中同样可得出结论，当温差小于5℃时，冷机的能耗随着冷水供回水温差增大而减小，当温差大于5℃时，冷机的能耗随着冷水供回水温差增大而增大。对于水泵在不同冷冻水供回水温差下，其耗能量是随着冷冻水供回水温差的增大而减小的。分析空调系统各设备能耗产生上述变化的主要原因是：冷冻水供回水温差增大导致冷机的蒸发温度升高，压缩比减小，从而使冷机的能耗降低。冷冻水温差增大，在制冷量不变的情况下，所需的冷冻水的流量减小，从而使水泵的功率减小，那么水泵的耗电量自然也就下降。

4.2 使用变频技术的节能

由于空调系统负荷受室外天气随时变化，但是在空调设计、设备选择通常都是按照最不利工况进行的，而空调系统在部分负荷下工作占绝大部分时间，其中空调机组在75%设计负荷以下运行的时间占到了全部运行时间的97.5%[5]，这就导致了空调系统绝大多数时间按照大流量小温差的方式运行。目前在我国广泛采用的是定流量系统，尽管对此采取了多台水泵并联运行，采用台数调节的方式，但这种方式的调节范围非常有限，节能效果自然也不是最好[6]。比较科学的做法是采用变频调速技术，它是一项成熟高效节能的新技术，将变频调速技术应用到空调行业，可以使系统的调节手段更为先进高效，在很大的程度上消除了能量的浪费。通过对水泵与风机使用变频进行模拟，从模拟结果发现，采用变频后冷机的年耗电量约减少6.83万kWh，而水泵的年耗电量减少达60.16万kWh，可以看出水泵采用变频技术对于水泵的节能的潜力很大。风机采用变频技术实现变风量同样也能达到节能效果。风机变频后冷机年耗电量约减少34.12万kWh，风机的年耗电量减少7.38 kWh。

4.3 使用夜间通风技术节能

西安地区属于寒冷地区，夏季室外最高温度高，空调运行期长，夏季夜间温度较低，温度不超过25℃。亓晓琳等人结合我国各地区夏季的气象条件引入CCP（“Climatic Cooling Potential”）的概念[7]，分析了夜间通风在北方地区办公建筑中的适用性。同时还对各典型城市气候降温潜力进行了计算，其中西安七月份的平均温度日较差为8.38℃，CCP为10.55[8]，这就说明了西安地区日较差在8℃左右比较适宜采用夜间通风，根据西安市空调期室外逐时干球温度得知6～9月日较差大于8℃共有80天，故适合采用夜间通风天数约80天。通过模拟夜间通风，可以达到推迟人工制冷的开启时间。空调期应用夜间通风延迟人工制冷开启时间共80h。空调期共节省电量44000kWh，节能率约为3.1%。

5 结论

本文通过对西安市某大型商场进行测试并利用能耗模拟软件对该商场的空调系统进行能耗模拟研究，得到如下结论：

1）由测试得知，该商场中各楼层存在着温度分布不均匀现象。随着楼层升高，每层的室内温度也升高。

2）通过模拟软件计算，得到该商场夏季空调设计负荷只有11480kW，而原来设计通过冷指标估算得到的负荷近16100kW，造成设备选型严重偏大，使得制冷机冷冻水供回水温差大部分时间在3～4℃之间，制冷机低效运行。

3）由模拟结果得出利用冷冻水供回水大温差进行节能，只有在冷冻水泵的能耗减少大于冷冻机能耗的增加时,其节能才有实际意义。

4）采用变频技术可以达到较好的节能效果。采用水泵变频后冷机的年耗电量约减少6.83万kWh，而水泵的年耗电量减少达60.16万kWh。采用风机变频后冷机年耗电量约减少34.12万kWh，风机的年耗电量减少7.38kWh。

5）通过采用夜间通风技术延迟人工制冷开启时间共80h。空调期共节省电量44000kWh，节能率约为3.1%。与其它的节能措施相比，夜间通风不需要对原有系统进行任何修改和投资任何费用，只要通过简单的措施控制新风机组的启停即可实现。

[1]黄俊鹏,陈芬,李峥嵘.知识经济时代的建筑节能[J].暖通空调, 2005,35(6):9-10

[2]薛志峰,江亿.北京市大型公共建筑用能现状与节能潜力分析[J].暖通空调,2004,34(9):8-9

[3]中华人民共和国建设部.公共建筑节能设计标准(GB50189-20 05)[S].北京:中国建筑工业出版社,2005

[4]管厚林,赵加宁.高层办公建筑空调冷负荷率分布影响因素研究[J].哈尔滨工业大学学报,2004,36(5):688-689

[5]李震,肖勇全.固定流量系统改为变流量系统的探讨[J].建筑热能通风空调,2004,33(2):47-50

[6]高吉祥.哈尔滨某办公楼能耗分析及节能方案研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2008

[7]N Artmann,HManz,PHeiselberg.Climatic potential for passive cooling of buildingsby night-time ventilation in Europe[J].Appl -ied Energy,2007,84:187-201

[8]亓晓琳.北方办公建筑夜间通风降温潜力及适用性研究[D].西安:西安建筑科技大学,2009

Sim u la tion an d Stu d y on Ene rg y-sa v ing o f A ir-c on d ition ing Sys tem Ene rg y Con sum p tion o f a Sho p p ing Pla za in X I’an

ZHENGCheng-sheng,LIANG Ya-hong
Schoolof Environmental&MunicipalEngineering,Xi’an University of Architecture and Technology

Themethod of research,testing,and software simulation analysis by using EnergyPluswas used to study energy consumption of the air conditioning system of a large shopping plaza in XI’an in this paper.Indoor and outdoor temperature and the refrigerator of chilled water,cooling water temperature were analyzed.It is found that there is a phenomenon about uneven temperature distribution on each floor in the shopping plaza.With the increase height of floors,each floor indoor temperatures to rise.At the same time it is found that chiller is running under partial load conditions,refrigerator lessefficient to run in the test.Finally a number of energy-savingmeasureswere adopted by the simulation resultsand analyzed itsenergy-saving effect.

largeemporium buildings,energy consumption simulation,energy conservation project

1003-0344（2014）03-038-5

2013-5-15

郑程升（1986～），男，硕士研究生；陕西省西安市碑林区雁塔路13号西安建筑科技大学环境与市政工程学院（710055）；E-mail:1556691851@qq.com