大型分散式商业空调系统方案模拟优化研究

韦古强，董 黎，刘 烨，崔 宏

(1.鲁能集团有限公司，北京 100020; 2.山东海科信息技术有限公司，山东 青岛 266071；3.清华大学，北京 100084)

随着经济和时代发展，针对越来越个性化的消费群体，大型商业建筑的布局开始由传统的大体量、高楼层、高密度型的集中式建筑，向低楼层(一般不超过24 m)、低密度、商铺分散且灵活多变的分散式建筑发展。这种商业区的地上部分由多个建筑面积不大的独栋小楼构成，建筑内区不多，具备较好的开门、开窗条件，可充分利用自然通风实现室内换气和温度控制。另外，由于商业区业态较多，租户类型不一，其运行经营的灵活度也很大，不同租户的使用需求都会有较大差别。针对这种类型的商业建筑，传统的集中型冷热源系统不利于末端灵活调控及租户主动节能，更适合采用租户能够灵活控制调节的分散冷热源系统[1-2]。在进行这类商业建筑的空调系统设计时，为兼顾建筑外立面美观及空调系统节能的需求，需要因地制宜，对冷热源系统进行改进，力求尽可能在保证用户舒适性的基础上节约空调系统能耗。

本项目位于成都，是典型的大型分散式商业建筑。成都地区气候温和，日照较少，春、夏、秋气温均较低[3]，可充分利用自然通风。所以，该商业区更适合采用分散冷热源系统，可以很好的适应租户不同的运行参数、不同的运行时间，解决集中系统效率低的问题，而且因方便计量收费，使得用户会尽量优先利用开门开窗的通风方式代替空调，降低能源消耗。

下面以成都某大型分散商业项目(建筑面积30余万m3)为例，分析比较不同空调系统形式在该工程应用中的可行性，并在全年逐时冷负荷模拟的基础上，比较各模式下的系统能耗，提出冷热源方案的改进建议。

1 系统形式讨论

1.1 常见分散冷热源系统

常见分散冷热源系统形式有变制冷剂流量多联式空调系统(以下简称VRV)和水环热泵系统。

VRV系统比较适用于本项目商业区建筑的形式和运营需求，成都地区的气候也较适合采用VRV系统，应用在此项目的主要问题在于每栋楼都需要有摆放室外机的室外空间，由于商业楼周边的地面上是商业步行街，不宜设置空调室外机，只能在建筑屋面或其他位置安排室外机，因此对建筑外观设计要求较高。考虑到保护商业区中式建筑风格，室外机仅能考虑安装于坡屋面下，为保证空调效果，室外机安放空间还需要保证空气流通效果，与建筑屋面、墙面设计的结合较难处理[4]。如能结合建筑特点，合理布置室外机，VRV系统也是较合适的空调方案。

水环热泵系统(图1)主要特点是，制冷、制热设备(热泵)分散在各个租户处，由租户自行控制调节，大厦集中为各个租户的热泵提供环路水，冬季作为热泵的低位热源，夏季作为热泵的冷却水，此系统解决了分散冷热源系统安放室外机困难的问题，也保留了用户独立控制调节的功能。

图1 水环热泵系统示意图

水环热泵系统的一个重要缺点是需要一个辅助加热系统，用燃气锅炉制取高温水然后经板换换给低温的环路水(环路水是热泵水源，冬季一般在20 ℃左右)，然后再通过热泵提升温度进行供热，是一种很不合理的用能方案[5]。另外，水环系统冬季供热需要消耗电能，而成都实行季节性电价，冬季电价较贵，且商业使用时间基本为峰电/平电时段，用热泵制取热水运行费用较高。综上，图1所示的水环热泵系统也不是理想的空调方案。

表1 锅炉与水环热泵供热经济性对比

1.2 项目水环热泵的建议方案

为解决水环热泵系统冬季运行费用高、用能不合理的问题，可利用水环热泵系统的思路，考虑如图2所示的空调系统形式(以下称建议方案)[6-7]。

图2 建议方案的系统示意图

与图1的水环热泵系统相比，图2所示的系统形式有以下主要区别：

(1)热源：设置中央热源系统。前面提到，商业区采用分散空调系统主要是为解决空调季节灵活调控和优先自然通风的问题，供热时，分散系统没有优势，且利用热泵进行供热时电费高，经济性很差，所以不采用租户内的水源热泵进行供热，另外设置中央热源系统，采用燃油燃气锅炉制备热水，经板换获得60/50 ℃热水为商业区供热。

(2)冷源：因为设置了集中供热系统，内区租户的水源热泵机组可更改为单冷的水源冷水机组，对外区也可仍应用水源热泵机组，可在热负荷较小，锅炉尚未开启时，回收内区余热，利用热泵进行供热。

(3)水源冷水(热泵)机组采用水-水形式，为末端提供冷热水，避免机组直接位于空调房间，以免机组噪声影响室内环境。

(4)末端：租户内采用四管制风机盘管，冷水由租户内设置的水源冷水(热泵)机组提供，热水由锅炉经板换换热提供。

以上为根据传统水环热泵系统形式，针对本项目特点进行调整的建议方案，保留了分散冷源的特征，并选用了运行费用较低的供热方案。下面通过空调系统能耗模拟计算，为商业区系统形式确定提供进一步依据。

2 能耗计算分析

2.1 空调负荷模拟

利用建筑环境动态模拟分析软件DeST对商业区全年逐时空调负荷Q进行计算[8]，对运行能耗的分析基于此逐时负荷,结果如图3所示，图中正数表示热负荷，负数表示冷负荷。

图3 商业区全年逐时空调冷热负荷

2.2 运行能耗分析

按照负荷模拟结果，分别按照常规集中冷热源方案(离心冷机+燃气锅炉)和建议方案进行主要设备选型，见表2。

表2 主要设备参数

从能耗角度，集中冷热源方案与建议方案的初步对比如下：

(1)集中冷热源方案的大型离心式冷水机组效率高，小型水源机组效率偏低(相差约16%)；

(2)集中冷热源方案长途输送冷热水，输送过程有冷热损失和水泵得热影响；建议方案只输送冷却水，水泵输送能耗小，输送过程热损失小(冷量损失5%)；

(3)在只有小部分区域需要开启空调时，集中冷热源方案系统效率低，建议方案的分散机组运行效率高(集中冷热源方案，增加电耗约3%)；

(4)集中冷热源方案统一提供冷热水，一般会在较统一的温度、湿度下运行，所有租户都在较高的标准下运行，不利租户主动节能；建议方案采用分散冷源，租户独立控制空调，可满足不同需求的用户要求，可利用自然通风，减少空调开启时间，节省冷源电耗和新风机电耗；

如前所述，集中冷热源方案的优势主要是大型离心式冷机制冷效率高，而建议方案的优势主要是可灵活控制、利用自然通风减少空调运行时间，输送冷水损失小和低负荷运行效率高。从上面的优缺点对比看，建议的分散冷源方案究竟是否节能，关键在于灵活调控减少空调运行时间这一因素。

地上建筑的租户均可直接对步行街或连廊开门，从经营需求，很多租户会选择开门营业，既便捷了顾客，又可实现自然通风的效果；加上采用分散冷源的系统形式，自行负担空调电费，租户可以根据自然通风状况自行控制空调启停(注，通过对采用分散系统的类似项目调研确认了这种现象)。而且在自然通风状态下，租户对室温的要求会有所降低(自然通风条件下达到同样的热舒适性，允许的温度较高)，比如室温达到28℃时才开启空调，这使得开启空调的时间大大减少，这样一来，商业区采用分散冷源系统时，全年实际的耗冷量大大降低，从而实现节能效果。

当然，并非所有租户都会按照自然通风、超过28℃时开启空调的模式运行，在模拟分析时，设定了以下几个工况(表3)，模式零为所有租户均按照室温要求24℃进行空调，模式一至模式四对室温不同要求的租户给予了不同比例，以模式四为例，有10%的租户按照室温24℃控制，有50%的租户按照26℃控制，有40%按照28℃控制。

表3 租户的运行模式

对集中冷热源方案系统，因为集中供冷，租户基本按照统一的参数运行空调，租户亦无通风节能的主观需求，主要运行在模式零。而对建议方案的分散冷源系统，则会出现类似模式一至模式四的情况，不同租户运行在不同的温度参数，并且采用不同的开启空调策略。下面以表3所列的各个模式为例，对比两种方案下空调能耗及运行费用。

图4为集中冷源方案与建议方案空调电耗对比，随着允许运行温度较高的租户比例增加(从模式零至模式四)，采用分散冷源的建议方案的耗电量逐步下降，在模式四时，空调电耗仅为集中冷热源方案电耗的74%。

图4 空调电耗对比

图5给出了在模式四时，建议方案与集中冷源方案的各设备用电，建议方案与集中冷热源方案相比，节省的耗电主要来自冷机用电及新风机用电，这是因为优先利用自然通风减少了冷量消耗和新风机运行时间。

图5 冷热源能耗消耗

图6和表4给出了两个方案的运行费用对比，当建议方案与集中冷热源方案均按照全部区域24℃运行时，其能耗和运行费相差无几；而随着室温要求较低的租户比例增高，达到模式四时，建议方案的运行费用可比集中冷热源方案下降30%，近200万元/年。

图6 冷热源运行费用对比

表4 运行能耗及运行费用对比

综上，采用建议方案时，租户实际的运营模式决定了其运行能耗，按照本商业建筑项目的建筑特征及成都地区的生活环境，采用分散冷源，应会有较多租户选择提高空调温度、开门营业自然通风，从而比集中冷热源方案会有20%、30%甚至更多的节能效果。

4 结论

综合前文的模拟分析，可以得出以下结论：

(1)常见分散冷源系统为VRV系统和水环热泵系统，VRV系统的室外机摆放位置困难，而水环热泵系统环路水冬季需要辅助加热，且成都冬季电费较高，热泵供热经济性差，所以两个方案均不适合此项目。

(2)在水环热泵系统基础上，夏季空调采用分散冷源，冬季供热采用集中热源。通过能耗分析，针对该商业项目，采用本文中的建议方案(图2)，可比常规集中冷源方案节能20%以上。综上，该方案具有运行调节灵活、适应不同租户的不同需求、运行能耗较低、计量方便等优点，是非常适用于此类分散商业区的空调系统方案。

(3)此外，在采用水环热泵系统的项目中，实际运行后可能出现运行噪音过大，以及运行管理工作量大的问题，在进行此类型项目的暖通设计时，应该在设计阶段优化方案，针对噪声问题，可以采用水-水冷机(热泵)形式，对一个租户设置一个或数个(根据租户规模)冷水(热泵)机组，一个机组带数个风机盘管，冷水机组(热泵)置于设备用房、库房等处，不直接位于空调房间，即可解决噪声问题。并根据商业规划，控制冷水机组(热泵)的数量，对属于一个租户的大面积租户，尽量减少设备台数，由此控制商业区总设备数，减少运行维护工作量。

另外，因有鲁能集团酒店、商业综合体节能降耗研究项目的支持下完成本文，特在此感谢。