大楼中央空调耗能及其节能简述

周 俊

上海上电电力运营有限公司

大楼中央空调耗能及其节能简述

周 俊

上海上电电力运营有限公司

以某大厦中央空调系统为例，首先阐述某大厦中央空调系统的能耗现状，然后探究某大厦中央空调系统优化存在的问题，针对存在的问题最后提出中央空调系统运行节能应用研究上的几种措施。

能耗；节能；中央空调

1 中央空调系统的能耗概述

国内建筑中央空调系统使用率正在不断提高，大约占世界空调使用市场份额的12%，除了美国和日本，中国已经成为世界第三大空调使用市场。不仅各个用户的空调能耗在不断增加，公共建筑中的中央空调系统能源消耗也在迅猛增长，目前国内的公共建筑广泛釆用中央空调系统，由于受到建设综合投资以及理念和技术水平的制约，浪费了非常大的电能资源。随着社会经济的进一步发展和人民生活水平的逐步改善，中央空调的使用量和用电量也会以一个比较高的速度增长。因此，选择节能降耗的中央空调系统以及提高其电能综合能效比就成了当今一直不变的主题。

首先，中央空调空气处理系统本身包含大量空气输送设备，其运行能耗是中央空调系统整体运行能耗的重要组成部分。本文以广东省邮政局办公大楼为例，该大楼空气处理系统能耗占中央空调系统总能耗的 36%左右，仅次于空调主机，是中央空调系统最主要的能耗设备之一。

其次，空气处理系统是中央空调最重要的热湿处理设备，也是室内热舒适性调节的核心装置，其运行性能直接影响着室内热舒适性状况。因此，空气处理系统优化运行研究不仅可降低系统运行能耗，同时也是保障室内热舒适性的要求。

再次，中央空调系统是相互耦合相互关联的运行整体，空气处理系统与冷源系统相互影响，其运行状况对于中央空调冷源的能耗及运行效率也具有不可忽视的影响。当末端空气处理系统运行参数设置不合理时，将极大地限制冷源水系统的变流量调节空间，导致冷冻水输送装置的能量浪费。

2 大楼基本情况

2.1 建筑概况

信源大厦，是广东省邮政局的行政综合办公楼，1996 年8 月破土动工，2000 年5月投入使用。位于广州市中心商业区天河北路与五山路交汇处，是一座超高层现代甲级综合办公楼，2008年获得“国家物业管理示范大厦”称号。大厦占地34 820 m2，总建筑面积83 988 m2，空调面积67 267 m2，主体主楼和附楼组成，主楼楼高36层，第15层为设备技术层，也是大厦的避难层，9～12层为网络机房，地下室两层为停车场；附楼高7层，大厦以行政办公为主，部分楼层用作写字楼出租。信源大厦建筑外观图见图1，建筑平面简图见图2。

2.2 中央空调系统介绍

信源大厦中央空调冷源主要采用3台特灵900RT离心式制冷机和1台特灵430RT螺杆式制冷机为大厦提供冷量。16～34层由两台制冷量（热交换量）2 300 kW的板式换热器提供冷源；冷却水系统由4台90 kW和1台55 kW冷却水泵、3台800 m3/h和1台400 m3/h冷却塔、冷却水管路构成一个开式循环水系统，它主要作用是将冷水机组运行时的冷凝器热量通过与冷却水热交换散发到外界大气中；冷冻水系统由制冷机房4台75kW冷冻水泵和1台45 kW冷水泵、设备技术层3台75 kW（专供16～34层）、集水器、分水器和空调末端设备（风机盘管、新风机、空气处理柜）构成一个闭式循环水系统，它主要作用是将冷水机组运行时产生的冷量通过冷冻水传输到用冷区域内，满足建筑物内的空气调节要求。

图1 大楼外观

图2 信源大厦标准层平面图

2.3 能耗构成特点

根据信源大厦中央空调系统2009 年度的能耗数据，并对其进行整理、统计和分析，中央空调系统的能耗特性，找出运行中存在问题，指明中央空调系统节能运行的方向，为下一步提出节能措施打下基础。评价建筑节能时，通常采用单位面积的一次能耗量作为评价指标，对中央空调系统而言，就是将中央空调系统每年制冷所消耗的能量转化为一次能量，再除以空调面积，称为单位面积空调能耗。本文就是采用这一方法对信源大厦机电设备总能耗和中央空调系统能耗进行分析评价。

（1）中央空调系统能耗量及所占比例

表1是2009 年总能耗及中央空调系统能耗情况。取电力（以kWh 计）一次能源转化率为30%。

表1 2009年总能源消耗统计

（2）中央空调系统能耗分析

为进一步了解信源大厦中央空调系统能耗，特将空调能耗从建筑能耗中分离出来单独统计分析。从表1中可以看出，信源大厦中央空调系统能耗2009 年为4 309 650 kWh，折合一次能源为51 715.81 GJ；2009 年建筑能耗为114 415.68 GJ，大厦建筑总面积83 998 m2，空调面积67 267 m2， 2009年单位面积空调系统能耗为0.769 GJ/m2，占单位建筑能耗1.362 GJ/m2的56.4%。

同类建筑中，上海为47.1%，重庆为45.2%，北京为45.6%，可见，信源大厦中央空调能耗较其他城市超高层写字楼高出很多。不同地区的建筑能耗水平相差较大，反映出能耗绝对量指标的差异，但并不能体现建筑机电设备系统的能效水平，不同地区统计分析时引用数据来源不同，调查采样的建筑范围有限，不同地区所采用的能源消费统计计算方法和依据也存在一定的差异，因此，引用的具体数据不具备绝对的可比性，只是相对比较而已。建筑机电设备系统能耗强度大小反映的是能源消耗的多少，与耗能设备运行时间成正比，与耗能设备效率成反比。

信源大厦能耗在广州地区处于中等水平，单位面积空调能耗高出广州地区的其他大楼，经分析，主要原因是省邮政局的网络机房和广州移动的通信机房设置在该大厦，由大厦的中央空调系统来降温。网络机房和通信机房发热设备多且集中，发热量非常大。且24 h不间断运行，因此大厦的中央空调系统，也24 h连续工作。

除了中央空调系统全天候24 h不间断工作之外，人为浪费也能耗较大的因素之一，信源大厦是广东省邮政局的综合行政办公楼，办公人员的节能意识不高，经常是把风机盘管的温控器的温度调到20℃以下，下班却切断风机盘管电源。《空调通风系统运行管理规范》GB 50365-2005 指出：在制冷工况下，室内温度每升高1℃，能耗可减少8～10%，可见这是行政办公楼人为能耗浪费的一个重要方面。

冷水机组在系统中的能耗比例最大，但其自身具有随用冷的变化而相应的变化，因此单台冷水机组节能的空间不大，但夏季两台机组并联运行时采用机组群控的方式，达到节能的效果。

3 中央空调系统优化存在的问题

3.1 空调冷冻水系统的水力不平衡

有时因为各种原由，导致了空调水系统中的水管上没有安设电动调节阀情况的发生，使空调水系统不能实现自动控制，而有的时候即使空调机组安设了所谓的电动的调节阀，但由于空调机组不能进行正常的工作所以也没有办法去实现自控。上述这些原因，都可能会造成各个空调机组的水力的不平衡等问题。

3.2 负荷、系统分区等问题引发冷热不均匀

中央空调系统在运行中往往会存在夏季外区正常甚至偏热、内区偏冷等冷热不均匀的现象，其主要原因是在中央空调设计时，没有考虑计算得出的负荷欠准确、内区外区空间大小分区不合理等因素。内区全年几乎都表现出冷负荷的现象，原因是内区不受室外气候条件的影响，并且其他室内负荷相对都比较稳定，所以需要对内区长年供冷。外区则跟内区有很大的区别，它的负荷随季节变化明显，并出现冷、热负荷的交替变化。根据以上情况，我们在对中央空调设计时应正确选择设备和计算负荷，对内区和外区分开进行设计，以避免建筑物内部的冷热不均勻现象，以满足内区和外区对系统的不同要求。但是由于现实中我们要考虑很多因素，所以将会根据每个工程的实际情况去选择性价比最高的内外区组合方式。

3.3 冷水机组装机容量偏大

对于一些商场类的建筑，规定夏季冷负荷的概算指标为210～240 W/m2。目前大多数用户都有一个误区，他们判断中央空调效果好坏的标准，或是冬季室内的温度越高越好，或是夏季室内的温度越低越好，如果不满足他们的这个标准，即便屋内的温度达到了设计标准，他们也认为空调的效果不好。所以，许多设计人员在设计中央空调时，往往会首先考虑到人们的标准和各种各样的安全系数，设计偏于保守，结果造成建筑物单位空调而积的装机容量远大于实际运行中的卑位空调峰值冷负荷。

3.4 管理水平低和自控程度差

通过调研发现，部分中央空调系统运行中存在的问题，除了与系统自身的运行管理情况有关以外，与系统的设计也密切相关，例如中央空调设备的清洗次数过少，结果会导致冷凝器、过滤器都会或多或少有阻塞现象，从而使空调系统的正常运行受到严重的影响。

此外，调研中还发现，有些大楼虽然有一些中央空调系统安装了自控系统，但是在实际运行时大部分都处于全关或全开的状态，或是调节精度不高，或是不能进行正常工作。由此可见，为了节省运行费用和保证空调效果，我们要根据建筑的不同情况，对中央空调系统采用不同的自控方案，尽最大努力提高中央空调系统的自控程度。

4 中央空调系统节能应用研究上的几种措施

4.1 空调冷热源的节能

（1）准确确定冷负荷

冷热负荷是空调系统最基础的数据，制冷机、供热锅炉、冷热水循环泵以及给房间送冷、送热的空调箱、风机盘管等规格型号的选择都是以冷热负荷为依据的。如果能减少建筑的冷热负荷，不仅可以减小制冷机、供热锅炉、冷热水循环泵、空调箱、风机盘管等的型号，降低空调系统的初投资，也会减少所需的配电功率，这会造成变配电设备初投资减少以及上述空调设备日常运行耗电量减少，运行费用降低。所以减少冷热负荷是民用建筑节能最根本的措施。

（2）选择冷热水机组须根据全年负荷情况，合理平衡

1）要避免机组台数过少。台数过少存在的问题有: 负荷可靠性下降，一旦负荷高峰时机组出现故障，影响的比例就大；负荷适应性也差，其面积不大、冷负荷也不大，而使用场所又往往有提前和延长制冷要求，机组台数少，意味着单台制冷负荷大，一旦开启，只有部分负荷时就不适应，对离心式机组，往往易发生喘振现象。

2）要避免机组台数过多。机组台数过多有如下缺点: 单机容量下降，机组COP 下降，能耗高；机组台数多，配置的循环水泵也多，水泵并联多，并联损失高；机组台数多，配置的循环水泵多，占用机房面积就大；机组台数过多，也意味着绝对故障点增多。

3）要避免不恰当的使用多机头机组(包括多机头风冷热泵或模块化风冷热泵、模块化冷水机组)，绝对故障点太多，增大启动电流。

4）要避免一味地采用等容量机组。采用等容量机组，机房布置也许会划一整齐，备品各件会少，但工程中往柱有小负荷的不同使用功能的场所，如采用等容量机组，就容易造成负荷适应性差的缺点。

4.2 水输送系统的节能

在许多旧的中央空调系统中，采用了开式冷却水系统。开式冷却水系统中冷却水泵的扬程除了要克服冷却水在管道中的流动阻力外，还要提供将冷却水从冷却水池送至高位冷却塔克服水位高差所需要的能量。如果取消冷却水池，将从冷却塔回来的水管直接接至冷却水泵的入口，这种冷却水系统成为闭式冷却水系统，冷却水泵就不需提供将冷却水从制冷机提升到冷却塔克服水位高差所需要的能量，只需提供能量克服冷却水在管道中流动的阻力，所以所需要的水泵扬程要比开式冷却水系统小得多，因此水泵的能耗也就小很多。

供热空调泵系统存在设计电功率容量偏大、运行耗电量较高的问题，而泵的电耗在空调供热系统能耗中占的比重也较大，设计泵电功率容量大要求增大发电容量，增大峰谷差;运行耗电量大意味着发电煤耗的增大和污染物排放量的增大;容量增大使初投资加大，运行电耗增大使耗电费增多，两者都提高了空调供热运行成本，加大了热(冷)费用和用户的负担。为此，必须了解空调供热泵容量和能耗增大的原因，探讨泵节能的方法，并从设计、运行和设备上提出改进的措施。

4.3 风系统及末端装置的节能

（1）空调末端装置

FC 是广泛运用的空调/ 采暖末端装置，目前国内生产厂家很多。有些企业特别是一些乡镇企业对产品质量关心不够，技术力量薄弱，在上马过程中，经常为了片面追求冷热量指标而加大风机电机，使得耗功率不合理地上升。目前国家的有关标准中，尚未规定单场开了绿灯。建议在实施产品许可证制度的同时，尽快增加产品能耗指标的有关规定，以利于节能。

（2）VAV 系统

变风量系统适合多房间且负荷有一定变化的建筑。对于负荷变化较小的建筑物，采用变风量系统的意义不大。每种系统形式都有它的优点和缺点，不存在十全十美的系统。比如，变风量系统容易产生噪声问题，对于影剧院和电台录音棚这类声学效果要求较高的场合，拟不要采用变风量系统。对某一系统优劣的评价关键在于实际运行显现出来的优点多还是缺点多。设计人员在方案设计（概念设计）阶段应综合各方面因素- 建筑物用途、建筑格局、室内负荷变化特点、工程造价、系统运行维护以及业主对将来改扩建的考虑等等，进行技术经济比较，权衡利弊。

（3）冷却塔的节能

在制冷空调系统中，冷却塔起着非常重要的作用。目前应用较广泛的是湿式(蒸发式)冷却塔。当冷却水通过冷却塔与外界空气进行换热的同时，实际上还进行着质量的交换，因此量又分为显热和潜热两部分。假如换热量全部为水的潜热，则冷却水降低6℃所蒸发的水量不及总供水量的1/100 。

过渡季中，外界温度较低，少开冷却塔，但用风扇强制冷却并不如多开冷却塔，而用自然冷却节能；在适当的季节，冷却塔直接利用大气冷源通过板式换热器间接制冷方式，是目前值得推广的。在我国大部分地区(如西北地区、北方地区)的空调系统中若采用冷却塔供冷技术，均会收到一定的节能效果。

5 结语

能源对我国未来的发展起着关键作用，在能源稀缺的情况下，节能就显得至关重要。由于中央空调能耗较大，所以要从中央空调的结构和工作原理上对其进行改进，使其既节能又环保，这应成为中央空调未来的研究和发展方向。

我国制冷空调己有良好的基础，我国的自然环境，人文环境以及经济环境为制冷空调事业的发展提供了充裕的条件，结合我国国情，总结他国的历史与现实的经验，必将形成我国的特色。展望未来，信息时代、生命科学时代、要求制冷空调科技工作者，在制造优良的生命（生产）环境以及运行管理智能化方面做出新的贡献，尽快建成一个绿色中国、绿色世界。

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Brief Introduction of Building Central Air-Conditioning System Energy Consumption and Energy Saving

Zhou Jun
Shanghai Electric Power Operation Co.,Ltd

The article takes some building central air-conditioning system as example. The author introduces current energy consumption of some building central air-conditioning system then explores existing problems of some building central air-conditioning system. Finally the author puts forward countermeasures of central air-conditioning system operation energy saving application research focusing on existing problems.

Energy Consumption, Energy Saving, Central Air-Conditioning

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2017.10.007

周俊：本科，上海上电电力运营有限公司总经济师。