鄭程升 梁亞紅

西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院

西安某商場空調(diào)系統(tǒng)能耗模擬與節(jié)能研究

鄭程升 梁亞紅

西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院

本文采用了調(diào)研、測試和EnergyPlus軟件模擬相結(jié)合的分析方法，對西安市某大型商場空調(diào)系統(tǒng)能耗作了研究分析。通過測試對室內(nèi)外溫度以及制冷機(jī)冷凍水、冷卻水溫度進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)商場中各樓層存在著溫度分布不均勻現(xiàn)象。隨著樓層升高，每層的室內(nèi)溫度也升高。同時對機(jī)組測試中還發(fā)現(xiàn)，冷機(jī)處于部分負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行，制冷機(jī)低效運(yùn)行。最后通過模擬結(jié)果提出了幾項節(jié)能措施并對其節(jié)能效果進(jìn)行分析。

大型商場能耗模擬節(jié)能措施

目前我國正處在建筑業(yè)高速蓬勃發(fā)展時期，建筑能耗已經(jīng)占到我國總商品能耗的20%～30%左右[1]，隨著經(jīng)濟(jì)水平的持續(xù)上升這個比例還將有逐漸升高的趨勢。當(dāng)前我國大型公共建筑面積只有城鎮(zhèn)建筑總面積的3.3%，但其能耗卻占我國城鎮(zhèn)建筑總能耗18%[2]，并且隨著城市化進(jìn)程的加快，建筑能耗還在不斷增大?；诖笮途C合購物廣場類商業(yè)建筑有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、高能耗、功能多樣、人員流動性大、照明能耗高等眾多特點，本文選擇西安市某大型商場作為研究對象，對其能耗進(jìn)行實測并利用能耗模擬軟件EnergyPlus模擬，將實測能耗與模擬能耗對比分析，最后提出有效的節(jié)能措施。

1 建筑及空調(diào)系統(tǒng)概況

該商場建筑面積為103551m2，其中地下六級人防和設(shè)備用房共占18043m2，地上部分為85508m2。商場地下兩層，地上七層，總高度29.45m。該商場為全框架結(jié)構(gòu)體系，填充墻外墻、內(nèi)防火墻、衛(wèi)生間廚房墻為240空心磚墻，其余隔墻為250厚加氣混凝土填充墻。

商場空調(diào)面積約為9.0萬m2，空調(diào)夏季冷負(fù)荷為16100kW，冬季熱負(fù)荷為5757kW，制冷站及換熱站設(shè)于地下二層，選用五臺特靈離心式冷水機(jī)組，其中四臺制冷量為3500kW，一臺制冷量為2100kW，提供7～12℃的冷凍水，冬季由換熱器提供60/50℃的熱水，熱源由城市外網(wǎng)提供95/70℃的熱水。

2 商場測試結(jié)果分析

在2012年7月24日到2012年12月24日近半年的時間內(nèi)，分別在供冷季、過渡季、采暖季各自選取一周的時間對商場進(jìn)行了實際測量，測量內(nèi)容包括建筑室內(nèi)、外溫度，制冷機(jī)的冷凍水及冷卻水進(jìn)、出口水溫度等。

2.1 室內(nèi)熱環(huán)境實測結(jié)果分析

對商場建筑內(nèi)全空氣空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行時不同區(qū)域的溫度狀態(tài)進(jìn)行了逐時測量，測點布置見圖1所示。由于夏季測試結(jié)果比其他季節(jié)結(jié)果明顯，故選取夏季測試為例，從圖2顯示中發(fā)現(xiàn)，該商場內(nèi)的溫度分布有較明顯的差異。除了一層和七層外，其余各層的溫度平均值基本保持在設(shè)計值26℃左右。一層溫度也比較高，是由于一層門沒有設(shè)置空氣幕導(dǎo)致了室外熱空氣進(jìn)入室內(nèi)，故一層溫度比較高。七層是商場的餐廳，人流量大，廚灶設(shè)備散熱量也比較大，故該層所測溫度就明顯較高。

2.2 制冷機(jī)組運(yùn)行狀況實測結(jié)果分析

圖3和圖4分別給出了2012年7月24日至7月 30日測試期間該商場1號制冷機(jī)組的冷凍水和冷卻水進(jìn)出口溫度逐時曲線。從圖3可以看出，商場1號冷機(jī)冷凍水實際平均供、回水溫度為10.8℃和14.1℃，實際供水溫度高于設(shè)定值7/12℃。實際的平均供、回水溫差為3.3℃小于設(shè)定的供、回水溫差5℃。從圖4中可以看出測試期間商場1號冷機(jī)冷卻水實際供水溫度基本保持在29℃左右，回水溫度保持在32℃左右，冷卻水實際供回水溫度均低于設(shè)定值32/37℃。在測試期間商場冷卻水實際的平均供、回水溫差為3℃小于設(shè)定的供、回水溫差5℃。測試期間冷機(jī)冷凍水、冷卻水供回水溫差大部分時間在3℃左右，說明制冷機(jī)大部分時間處于低效運(yùn)行。

3 商場空調(diào)系統(tǒng)能耗模擬與結(jié)果分析

本文采用EnergyPlus第三方軟件Design Builder進(jìn)行建模并對建筑的空調(diào)系統(tǒng)能耗進(jìn)行模擬分析，通過模擬結(jié)果最后提出了節(jié)能措施。

3.1 建筑模型

運(yùn)用Design Builder對該商場建筑進(jìn)行建模，根據(jù)設(shè)計圖紙所提供的信息設(shè)置圍護(hù)結(jié)構(gòu)尺寸并輸入材料的詳細(xì)信息。表1是圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)詳細(xì)信息。由于該建筑是1998年設(shè)計的，所以外墻和屋面均未采用保溫層，導(dǎo)致傳熱系數(shù)超出節(jié)能規(guī)范的規(guī)定值[3]。

3.2 模擬能耗與實際能耗對比及分析

氣象參數(shù)采用的是EnergyPlus官方網(wǎng)站提供的，和實際的天氣狀況存有差異；因此，實際測量的結(jié)果與模擬結(jié)果有一定的出入。圖5和圖6分別給出了商場冷機(jī)、風(fēng)機(jī)與泵全年實際耗電量與模擬耗電量結(jié)果的對比，圖7給出了全年能耗模擬值與實際值對比。

從圖5可以看出，冷機(jī)每月耗電量的模擬值與實測值變化趨勢基本吻合。在空調(diào)運(yùn)行期間，模擬與實際冷機(jī)耗電高峰值均出現(xiàn)在七月份。從圖6可以看出，商場空調(diào)系統(tǒng)中風(fēng)機(jī)與泵全年的模擬耗電量與實際耗電量的變化趨勢也基本一致。模擬值比實際值稍大一些，這是由于模擬時風(fēng)機(jī)與泵的運(yùn)行時間是提前設(shè)置好，每天運(yùn)行時間是固定的，而實際中風(fēng)機(jī)與泵的運(yùn)行時間是根據(jù)天氣情況變化的，有可能會提前關(guān)閉或者只開部分。而從圖7看出商場模擬全年能耗與實際全年能耗也很接近，基于以上三幅圖的對比分析，說明運(yùn)用Design Builder所建立的模型與實際的建筑相接近，認(rèn)為EnergyPlus模擬計算的結(jié)果可以代替實際值。

3.3 空調(diào)系統(tǒng)模擬結(jié)果及分析

通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，此商場每年空調(diào)供冷實際運(yùn)行7個月，總共214天。每天運(yùn)行的時間是10:00～21:00，所以全年空調(diào)期運(yùn)行的時間為2354小時。圖8就是使用軟件模擬空調(diào)期2354小時的逐時冷負(fù)荷。從圖中可以看出，過渡季節(jié)其冷負(fù)荷大部分時間較小，空調(diào)系統(tǒng)可以采用全新風(fēng)運(yùn)行。5～9月這幾個月中，其中5月和6月還有9月的冷負(fù)荷在4000～6000kW之間，而7月和8月的冷負(fù)荷處于8000～10000kW，主要由于西安市最熱月在7～8月這兩個月，所以負(fù)荷在這兩個月明顯高于其他幾個月的，在極端情況下冷負(fù)荷在10000kW以上，但是所占的比例很小，這說明了空調(diào)系統(tǒng)在大部分時間內(nèi)是處于部分負(fù)荷運(yùn)行的。

空調(diào)期冷負(fù)荷率是指空調(diào)期內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)某一時刻冷負(fù)荷與系統(tǒng)實際運(yùn)行峰值冷負(fù)荷的比值，對于指導(dǎo)冷源系統(tǒng)的選擇、運(yùn)行自控方案的確定、全年的能耗分析與經(jīng)濟(jì)分析等具有重要價值[4]。圖9為空調(diào)期冷負(fù)荷率分布圖。從圖中分析得到建筑的負(fù)荷多數(shù)時間在最大冷負(fù)荷的1%～50%之間，共1489個小時；而以最大冷負(fù)荷的90%～100%運(yùn)行的時間只22個小時，這說明空調(diào)機(jī)組大部分時間是在部分負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行的。因此，如果能夠采用合理的運(yùn)行方式和先進(jìn)的控制系統(tǒng)，就可以有效地減少空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行的能耗。

4 節(jié)能措施模擬研究

通過對商場空調(diào)能耗模擬分析發(fā)現(xiàn)，商場空調(diào)系統(tǒng)在能耗方面的節(jié)能空間比較大。根據(jù)模擬結(jié)果提出了以下幾種節(jié)能措施并對其節(jié)能效果進(jìn)行了模擬分析。

4.1 不同冷凍水供回水溫差節(jié)能

在制冷量不變的情況下，冷凍水供回水溫差減小，使冷凍水的流量增大，導(dǎo)致水泵的能耗增大。實際測量時發(fā)現(xiàn)，商場冷凍水的供回水溫差小于設(shè)定值。運(yùn)用軟件模擬不同的冷凍水供回水溫差設(shè)定值下空調(diào)系統(tǒng)的能耗情況，其中供水溫度設(shè)定為7℃，不同冷凍水供回水溫差能耗模擬結(jié)果如表2所示。

從表2可以看出隨著冷凍水供回水溫差的增大，空調(diào)系統(tǒng)總能耗是逐漸減小的；當(dāng)冷水溫差達(dá)到8℃時，總能耗為347.87萬kWh，比5℃時減少9.16萬kWh，節(jié)能2.57%；當(dāng)溫差減小為3℃時，空調(diào)系統(tǒng)總能耗升高到391.78萬kWh，能耗增加9.73%。但是從表中同樣可得出結(jié)論，當(dāng)溫差小于5℃時，冷機(jī)的能耗隨著冷水供回水溫差增大而減小，當(dāng)溫差大于5℃時，冷機(jī)的能耗隨著冷水供回水溫差增大而增大。對于水泵在不同冷凍水供回水溫差下，其耗能量是隨著冷凍水供回水溫差的增大而減小的。分析空調(diào)系統(tǒng)各設(shè)備能耗產(chǎn)生上述變化的主要原因是：冷凍水供回水溫差增大導(dǎo)致冷機(jī)的蒸發(fā)溫度升高，壓縮比減小，從而使冷機(jī)的能耗降低。冷凍水溫差增大，在制冷量不變的情況下，所需的冷凍水的流量減小，從而使水泵的功率減小，那么水泵的耗電量自然也就下降。

4.2 使用變頻技術(shù)的節(jié)能

由于空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷受室外天氣隨時變化，但是在空調(diào)設(shè)計、設(shè)備選擇通常都是按照最不利工況進(jìn)行的，而空調(diào)系統(tǒng)在部分負(fù)荷下工作占絕大部分時間，其中空調(diào)機(jī)組在75%設(shè)計負(fù)荷以下運(yùn)行的時間占到了全部運(yùn)行時間的97.5%[5]，這就導(dǎo)致了空調(diào)系統(tǒng)絕大多數(shù)時間按照大流量小溫差的方式運(yùn)行。目前在我國廣泛采用的是定流量系統(tǒng)，盡管對此采取了多臺水泵并聯(lián)運(yùn)行，采用臺數(shù)調(diào)節(jié)的方式，但這種方式的調(diào)節(jié)范圍非常有限，節(jié)能效果自然也不是最好[6]。比較科學(xué)的做法是采用變頻調(diào)速技術(shù)，它是一項成熟高效節(jié)能的新技術(shù)，將變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用到空調(diào)行業(yè)，可以使系統(tǒng)的調(diào)節(jié)手段更為先進(jìn)高效，在很大的程度上消除了能量的浪費。通過對水泵與風(fēng)機(jī)使用變頻進(jìn)行模擬，從模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，采用變頻后冷機(jī)的年耗電量約減少6.83萬kWh，而水泵的年耗電量減少達(dá)60.16萬kWh，可以看出水泵采用變頻技術(shù)對于水泵的節(jié)能的潛力很大。風(fēng)機(jī)采用變頻技術(shù)實現(xiàn)變風(fēng)量同樣也能達(dá)到節(jié)能效果。風(fēng)機(jī)變頻后冷機(jī)年耗電量約減少34.12萬kWh，風(fēng)機(jī)的年耗電量減少7.38 kWh。

4.3 使用夜間通風(fēng)技術(shù)節(jié)能

西安地區(qū)屬于寒冷地區(qū)，夏季室外最高溫度高，空調(diào)運(yùn)行期長，夏季夜間溫度較低，溫度不超過25℃。亓?xí)粤盏热私Y(jié)合我國各地區(qū)夏季的氣象條件引入CCP（“Climatic Cooling Potential”）的概念[7]，分析了夜間通風(fēng)在北方地區(qū)辦公建筑中的適用性。同時還對各典型城市氣候降溫潛力進(jìn)行了計算，其中西安七月份的平均溫度日較差為8.38℃，CCP為10.55[8]，這就說明了西安地區(qū)日較差在8℃左右比較適宜采用夜間通風(fēng)，根據(jù)西安市空調(diào)期室外逐時干球溫度得知6～9月日較差大于8℃共有80天，故適合采用夜間通風(fēng)天數(shù)約80天。通過模擬夜間通風(fēng)，可以達(dá)到推遲人工制冷的開啟時間?？照{(diào)期應(yīng)用夜間通風(fēng)延遲人工制冷開啟時間共80h。空調(diào)期共節(jié)省電量44000kWh，節(jié)能率約為3.1%。

5 結(jié)論

本文通過對西安市某大型商場進(jìn)行測試并利用能耗模擬軟件對該商場的空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行能耗模擬研究，得到如下結(jié)論：

1）由測試得知，該商場中各樓層存在著溫度分布不均勻現(xiàn)象。隨著樓層升高，每層的室內(nèi)溫度也升高。

2）通過模擬軟件計算，得到該商場夏季空調(diào)設(shè)計負(fù)荷只有11480kW，而原來設(shè)計通過冷指標(biāo)估算得到的負(fù)荷近16100kW，造成設(shè)備選型嚴(yán)重偏大，使得制冷機(jī)冷凍水供回水溫差大部分時間在3～4℃之間，制冷機(jī)低效運(yùn)行。

3）由模擬結(jié)果得出利用冷凍水供回水大溫差進(jìn)行節(jié)能，只有在冷凍水泵的能耗減少大于冷凍機(jī)能耗的增加時,其節(jié)能才有實際意義。

4）采用變頻技術(shù)可以達(dá)到較好的節(jié)能效果。采用水泵變頻后冷機(jī)的年耗電量約減少6.83萬kWh，而水泵的年耗電量減少達(dá)60.16萬kWh。采用風(fēng)機(jī)變頻后冷機(jī)年耗電量約減少34.12萬kWh，風(fēng)機(jī)的年耗電量減少7.38kWh。

5）通過采用夜間通風(fēng)技術(shù)延遲人工制冷開啟時間共80h?？照{(diào)期共節(jié)省電量44000kWh，節(jié)能率約為3.1%。與其它的節(jié)能措施相比，夜間通風(fēng)不需要對原有系統(tǒng)進(jìn)行任何修改和投資任何費用，只要通過簡單的措施控制新風(fēng)機(jī)組的啟停即可實現(xiàn)。

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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

鄭程升（1986～），男，碩士研究生；陜西省西安市碑林區(qū)雁塔路13號西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院（710055）；E-mail:1556691851@qq.com