劉猛，衷逸群，陳希，肖倩，晏璐

(重慶大學 城市建設(shè)與環(huán)境工程學院； 綠色建筑與人居環(huán)境營造國際合作聯(lián)合實驗室；國家級低碳綠色建筑國際聯(lián)合研究中心,重慶 400045)

近年來，中國商業(yè)綜合體經(jīng)歷了爆發(fā)式增長，城市及經(jīng)濟發(fā)展導(dǎo)致城市功能呈現(xiàn)集約化、復(fù)合化的趨勢，建筑綜合體應(yīng)運而生。“商業(yè)綜合體”[1]是建筑綜合體中的一類，是以商業(yè)經(jīng)營活動為主，結(jié)合餐飲、休閑娛樂、文化、辦公等多種功能于一體的綜合性建筑[2-3]。

商業(yè)綜合體內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)及功能的復(fù)雜性、人員行為及數(shù)量變化的多樣性，導(dǎo)致商業(yè)綜合體建筑室內(nèi)環(huán)境狀況復(fù)雜[4]。商業(yè)綜合體由于其體量大、客流量大、運行時間長、照明等設(shè)備密度高，造成總耗電量較大，通常情況下，空調(diào)系統(tǒng)耗電量比重最大，可達到50%[5-8]。中國除東北外，大部分地區(qū)在節(jié)能標準基礎(chǔ)上降低圍護結(jié)構(gòu)K值，這對降低能耗影響很小，甚至會增大能耗，說明對于商業(yè)建筑的節(jié)能應(yīng)主要關(guān)注室內(nèi)熱源及供冷系統(tǒng)[9]。商業(yè)綜合體這類大體量建筑冷站往往采用多臺大冷量機組，由于負荷的逐時變化，多臺機組同時運行時能達到整體高效就顯得非常重要[10]。商業(yè)綜合體冷機設(shè)計容量大于實際運行時峰值冷量是較為普遍的情況，許多投入運營的商業(yè)綜合體供冷系統(tǒng)設(shè)計容量都大大超過實際需求，不僅浪費投資，還降低了冷機效率，增加了系統(tǒng)能耗[11-13]。

針對商業(yè)綜合體空間、業(yè)態(tài)、室內(nèi)環(huán)境等因素進行調(diào)研，分析其對空調(diào)的使用需求，通過冷站全年運行記錄，分析冷站供冷能力、能耗及運行工況；再對典型商業(yè)綜合體建立模型，分析負荷特征，并根據(jù)業(yè)態(tài)負荷特征或季節(jié)負荷特征對冷源進行優(yōu)化設(shè)計和對比。

1 空調(diào)使用需求特征分析

商業(yè)綜合體內(nèi)熱源是其負荷分析的重點，對空調(diào)使用需求影響大。從空間、業(yè)態(tài)和客流量三方面分析商業(yè)綜合體的特點，與傳統(tǒng)商業(yè)建筑進行比較，為之后室內(nèi)環(huán)境和冷站運行分析及優(yōu)化提供基礎(chǔ)。

1.1 空間布局

商業(yè)綜合體多種多樣的空間布局類型造成相應(yīng)不同的空調(diào)需求特征。20世紀，商業(yè)綜合體整體布局緊湊，而近年來新建商業(yè)綜合體體量大，出現(xiàn)大面積的中庭及貫通空間，對空調(diào)需求影響較大。因此，對5個商業(yè)綜合體空間布局進行調(diào)查，基本信息見表1。

表1 A～E商業(yè)綜合體概況Table 1 Overview of the A～E commercial complexes

同時，結(jié)合文獻調(diào)研的商業(yè)綜合體空間布局，將其分為兩個典型類別：環(huán)繞型和中庭型，見圖1。環(huán)繞型整體空間較緊湊，中庭型空間分布較線性化，以中庭的分布串聯(lián)起整個空間。

圖1 商業(yè)綜合體空間分布典型類型(灰色為主路徑)Fig.1 Typical types of spatial distribution of

1.2 業(yè)態(tài)分布

不同業(yè)態(tài)在商業(yè)綜合體的功能中發(fā)揮不同的作用，其空間分布模式是商業(yè)綜合體規(guī)劃中非常重要的部分，同時，也會影響室內(nèi)不同區(qū)域的負荷需求和變化，影響空調(diào)系統(tǒng)的劃分。對于商業(yè)綜合體，其業(yè)態(tài)主要為5大類[14]：超市、大賣場；百貨店；專業(yè)專賣店；餐飲店；娛樂休閑店。

結(jié)合商業(yè)綜合體環(huán)繞型和中庭型兩類典型的空間分布，對各業(yè)態(tài)的空間分布進行對比，見表2。環(huán)繞型空間布局相對緊湊，業(yè)態(tài)分布集中；中庭型空間布局較分散，體量普遍較環(huán)繞型更大。

表2 兩類商業(yè)綜合體典型空間分布下的分層業(yè)態(tài)空間分布模式Table 2 Layered spatial distribution patterns of businessStates under typical spatial distribution of two types of commercial complexes

1.3 客流量

商業(yè)綜合體相較其他類型建筑而言，客流量大、隨時間波動頻繁，因此，人員負荷的分布情況對負荷計算以及冷源設(shè)計優(yōu)化至關(guān)重要。

結(jié)合文獻及實際調(diào)研發(fā)現(xiàn)：標準及設(shè)計手冊的取值單一，只對商業(yè)建筑人均占有面積有統(tǒng)一參考值，不能涵蓋不同時代和不同類型商業(yè)綜合體的真實情況。相關(guān)設(shè)計標準規(guī)范中對商業(yè)建筑的客流量取值有相關(guān)規(guī)定，如《公共建筑節(jié)能設(shè)計標準》(GB 50189—2015)附錄B中，介紹商業(yè)建筑人均占有面積為8 m2/人；《實用供熱空調(diào)設(shè)計手冊》中對商業(yè)建筑人均占有面積為3 m2/人(一般商店)和4 m2/人(高檔商店)。20世紀90年代，傳統(tǒng)商業(yè)建筑體量小，人均占有面積在2.0～10.0 m2/人[15]，近年來，商業(yè)綜合體爆發(fā)式增長，其人均占有面積在4.0～20.0 m2/人[16]。

2 供冷季室內(nèi)環(huán)境分析

冷站用能問題需要首先關(guān)注室內(nèi)環(huán)境需求，室內(nèi)熱濕環(huán)境狀況對節(jié)能是非常重要的參數(shù)[17]。根據(jù)文獻調(diào)研[18-20]，商業(yè)綜合體室內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，溫度分布范圍大，繁忙時段及客流量較大處易出現(xiàn)CO2濃度超標的情況。原因在于，商業(yè)綜合體體量大、功能多，且商業(yè)綜合體有其特殊空間，如半開放區(qū)域、中庭，其室內(nèi)環(huán)境及控制措施都與傳統(tǒng)商業(yè)建筑有較大差別。

因此，為分析各區(qū)域冷量、新風是否滿足要求，從而為進一步分析冷站運行做基礎(chǔ)，對商業(yè)綜合體供冷季室內(nèi)熱濕環(huán)境進行實測，主要是了解不同區(qū)域室內(nèi)環(huán)境狀況。2017年7月—8月，選取不同典型夏季氣候條件，結(jié)合工作日以及節(jié)假日等分別對A、B、C三個商業(yè)綜合體室內(nèi)環(huán)境進行測試，測試內(nèi)容包括室內(nèi)溫濕度及CO2濃度分布，測試儀器型號及精度見表3。

表3 測試儀器參數(shù)Table 3 Test instrument parameters

2.1 公共區(qū)域室內(nèi)環(huán)境

公共區(qū)域主要包括公共走廊、中庭、大廳等區(qū)域，商業(yè)綜合體內(nèi)的公共區(qū)域往往是客流往來頻繁的地方，因此，顧客對室內(nèi)環(huán)境的感受十分重要。

圖2為3個商業(yè)綜合體的分層室內(nèi)環(huán)境對比，有以下特點：

1)總體來看，室內(nèi)環(huán)境較為舒適，溫度多分布在25～27 ℃，新建綜合體B、C室內(nèi)環(huán)境舒適，溫度穩(wěn)定在25.5～26.5 ℃范圍內(nèi)。相比之下，年代久遠的綜合體A整體溫度偏高且溫度分布差異大。

2)室內(nèi)溫度分布普遍是從底層至頂層溫度逐漸升高，頂層比底層升高3%。主要原因是，頂層傳熱量大，且頂層一般多為餐飲，熱源大，客流量也大。

3)由于客流量大，底層CO2濃度普遍較高，周末CO2濃度明顯高于工作日，一日中CO2濃度逐漸累積，晚間達到峰值。

4)局部區(qū)域存在問題有：頂層溫度易過高，尤其頂層為餐飲；部分位于建筑形體突出處的外區(qū)溫度高；部分區(qū)域CO2質(zhì)量分數(shù)接近或超過1 000×10-6，尤其是底層及部分人員密集的店鋪內(nèi)。

圖2 A、B、C商業(yè)綜合體室內(nèi)環(huán)境分布Fig.2 Commercial integrated somatic environmental distribution of A,B and

2.2 不同業(yè)態(tài)室內(nèi)環(huán)境

百貨、專業(yè)專賣、休閑娛樂、餐飲及超市5種不同業(yè)態(tài)及公共區(qū)域的室內(nèi)熱濕環(huán)境狀況均值，見表4。數(shù)據(jù)表明，各業(yè)態(tài)的溫度值相差不大，休閑娛樂及超市溫度低于26 ℃；專業(yè)專賣和超市的相對濕度偏低；各業(yè)態(tài)CO2濃度相差較大，百貨的CO2濃度較其他區(qū)域最低，這與其內(nèi)部客流量較小有關(guān)。

表4 不同業(yè)態(tài)區(qū)域室內(nèi)環(huán)境Table 4 Indoor environment in different industries

為了比較不同業(yè)態(tài)的室內(nèi)熱濕環(huán)境參數(shù)是否有顯著差異，用Kruskal-Wallis檢驗對不同商業(yè)體內(nèi)不同業(yè)態(tài)進行分析，結(jié)果見表5?？煽闯觯珺商業(yè)綜合體的超市、百貨、專業(yè)專賣、餐飲、娛樂5個業(yè)態(tài)間的室內(nèi)環(huán)境存在顯著差異，說明由于功能的特點，不同的業(yè)態(tài)形式形成了不同的室內(nèi)熱濕環(huán)境狀況。

3 冷站運行特點分析

通過供冷季室內(nèi)環(huán)境分析可以看出，商業(yè)綜合體整體環(huán)境舒適，說明冷站運行基本不存在大的問題，室內(nèi)環(huán)境問題主要表現(xiàn)為局部時間和局部空間的不舒適，該問題可通過空調(diào)設(shè)計及控制加以優(yōu)化改善。以下對冷站全年運行情況進行分析。

表5 B商業(yè)綜合體不同業(yè)態(tài)室內(nèi)熱濕環(huán)境Kruskal-Wallis檢驗Table 5 Kruskal-wallis test for indoor hot and wet conditionsin different types of the B business complex

注：顯著性水平為0.01(雙側(cè)檢驗)。

獲取A商業(yè)綜合體2017年7月15日—7月19日、8月7日—8月10日及B商業(yè)綜合體2015年全年運行記錄數(shù)據(jù)進行分析。A、B商業(yè)綜合體的冷站設(shè)備見表6、表7。

表6 A商業(yè)綜合體冷站設(shè)備表Table 6 List of cold station equipment for the A commercial complex

表7 B商業(yè)綜合體冷站冷機表Table 7 List of cold station equipment for the B commercial complex

3.1 冷站設(shè)計容量過大

圖3 B商業(yè)綜合體不同機組開啟小時數(shù)Fig.3 Hours of start-up for different units of the

3.2 冷站開啟時間長

B商業(yè)綜合體內(nèi)部為貫通大空間，存在大面積內(nèi)區(qū)，全年都存在空調(diào)冷負荷。根據(jù)商業(yè)綜合體冷站運行數(shù)據(jù)，冷站每天都運行，從圖4中也可看出，2015年、2016年冬季冷站能耗均占13%。

圖4 B商業(yè)綜合體2015年、2016年冷站季節(jié)能耗Fig.4 Cold station quarter energy consumption of the B commercial complex in 2015 and

3.3 冷站負荷率及COP分布

從圖5負荷率分布可以看出，絕大部分時間均在50%以上，無低于25%的情況，說明大型商業(yè)綜合體負荷率波動較為穩(wěn)定。

圖5 商業(yè)綜合體負荷率分布Fig.5 Load-rate distribution of commercial

圖6 商業(yè)綜合體冷機運行COP分布Fig.6 Cop distribution of cold machine operation

圖6為機組COP分布情況，可以看出，小冷機運行使用頻率高，COP大多達到或超過額定值；大冷機由于容量大，反而易處于低COP工況運行；單臺機組運行時COP 較高，多臺機組組合運行往往不能同時實現(xiàn)高效；不同組合開啟方式存在供冷量大小重疊的區(qū)域。如部分“1大”的運行COP低于4.0，這部分工況供冷量較低，可由“2小”的工況代替，負荷率高且波幅小，基本在50%以上，說明商業(yè)綜合體負荷穩(wěn)定，臺數(shù)控制相對來看更為重要。

4 冷源設(shè)計優(yōu)化

商業(yè)綜合體冷站耗能大，冷源設(shè)計優(yōu)化尤為重要。傳統(tǒng)負荷計算及進行冷源設(shè)計時，關(guān)注負荷的最大值，再以不同容量比例的大小機進行配置，并未對負荷的季節(jié)分布、業(yè)態(tài)分布進行詳細分析。結(jié)合商業(yè)綜合體常見冷源的調(diào)研發(fā)現(xiàn)：

1)多將建筑整體考慮設(shè)1個冷源，少數(shù)將超市、百貨和其他業(yè)態(tài)分設(shè)冷源。

2)商業(yè)綜合體負荷穩(wěn)定，冷機多采用離心機，少數(shù)會加設(shè)1～2臺螺桿機(冷量通常約為離心機的1/2)。

以上方案多根據(jù)慣例或經(jīng)驗確定，而針對商業(yè)綜合體這類與傳統(tǒng)商業(yè)建筑空調(diào)需求有較大差異的建筑，應(yīng)根據(jù)自身負荷特征合理進行冷源設(shè)計。由于不同業(yè)態(tài)的負荷在時間、空間方面的分布特征不盡相同，可考慮不同業(yè)態(tài)負荷由不同冷水機組承擔。結(jié)合不同業(yè)態(tài)空間分布模式以及不同業(yè)態(tài)負荷特征，利用DeST軟件對B、D商業(yè)綜合體建模，并對比根據(jù)業(yè)態(tài)負荷和季節(jié)負荷選擇機組兩類冷源設(shè)計方法來具體分析冷源設(shè)計優(yōu)化。

“一生四夢，得意處惟在牡丹”[1]的《牡丹亭還魂記》，主要依據(jù)《杜麗娘慕色還魂》改編，這是不爭的事實。但魏晉志怪、唐人傳奇對《牡丹亭》創(chuàng)作的影響，人們常常估計不足。湯顯祖在《牡丹亭題詞》里明明白白寫道：

4.1 根據(jù)業(yè)態(tài)負荷選擇機組

將商業(yè)綜合體分為公共區(qū)域、商鋪、餐飲、超市、娛樂5個區(qū)域，統(tǒng)計其峰值負荷，見圖7?？梢钥闯觯珺、D商業(yè)綜合體的各業(yè)態(tài)負荷特征不同：D業(yè)態(tài)布局比較規(guī)整，同一業(yè)態(tài)大多組團集中分布，因此，各業(yè)態(tài)負荷相近；而B體量大，專業(yè)專賣類占比大且較集中，因此，專業(yè)專賣的負荷占了非常大的比例。

圖7 B、D商業(yè)綜合體各業(yè)態(tài)峰值冷負荷Fig.7 Peak cold load for various industries in the B and D business

4.2 根據(jù)季節(jié)負荷選擇機組

結(jié)合商業(yè)綜合體負荷時間規(guī)律進行分析：全年都有冷負荷，且不同季節(jié)冷負荷數(shù)量相差巨大，低于50%最大建筑冷負荷的小時數(shù)過半；商業(yè)綜合體日負荷較穩(wěn)定，一日中負荷峰谷差不顯著。因此，考慮可由季節(jié)負荷的變化規(guī)律選擇冷機，以適應(yīng)不同負荷段的需求。

圖8 建筑冷負荷率分布Fig.8 Cold load rate distribution in

圖8為不同冷負荷率的小時數(shù)分布，從圖中可以看出，絕大多數(shù)時間內(nèi)建筑的冷負荷率低于50%，主要原因是內(nèi)區(qū)負荷持續(xù)穩(wěn)定。

從圖9看，1月—3月及12月平均逐時供冷量穩(wěn)定，與1臺小冷機冷量相近， 4月、5月、11月與2臺小冷機冷量相近，6月、10月與1臺大冷機冷量相近，7月—9月與2臺大冷機冷量相近。

圖9 B商業(yè)綜合體不同月份平均逐時供冷量Fig.9 Average hourly coolant supply for different months of the B commercial

根據(jù)以上分析，可初步得出依據(jù)負荷季節(jié)變化確定商業(yè)綜合體的冷機容量配置的方法：冬季冷負荷配置1臺小冷機；夏季冷負荷配置1～2臺大冷機；過渡季負荷一般在2臺小冷機至1臺大冷機的冷量之間。對B、D商業(yè)綜合體冷站用能模擬計算過程中，冷機設(shè)計為“1大2小”。

4.3 根據(jù)業(yè)態(tài)/季節(jié)選擇對比

通過以上分析，現(xiàn)將按業(yè)態(tài)負荷和按季節(jié)負荷兩類冷源設(shè)計方案進行計算，機組配置及全年能耗模擬結(jié)果見表8。

可以看出，按照業(yè)態(tài)負荷選擇冷源設(shè)計方案的冷站總能耗較低，尤其是對于B商業(yè)綜合體來說，節(jié)能效果更好，主要原因是，中庭型的B商業(yè)綜合體空間分散，不同業(yè)態(tài)負荷特征變化明顯。D商業(yè)綜合體按照業(yè)態(tài)負荷選擇與按季節(jié)負荷方案總能耗略低，主機能耗偏高。這說明對于空間聚集的環(huán)繞型D商業(yè)綜合體，各業(yè)態(tài)負荷量相近，采用業(yè)態(tài)負荷選擇冷源方案的節(jié)能效果不如中庭型的B商業(yè)綜合體明顯?？傮w來看，商業(yè)綜合體按照業(yè)態(tài)負荷進行冷源設(shè)計對冷站節(jié)能是有利的，尤其是對于中庭型、體量較大、業(yè)態(tài)空間布局分散，且各業(yè)態(tài)負荷量相差較大的商業(yè)綜合體，更應(yīng)按照不同業(yè)態(tài)負荷進行冷源設(shè)計。

表8 B、D商業(yè)綜合體業(yè)態(tài)/季節(jié)負荷選擇機組全年冷站能耗Table 8 Annual Station Energy Consumption for the B and D commercial Complex Operations/Seasonal Load Selection Units

5 結(jié)論

對商業(yè)綜合體進行調(diào)研，根據(jù)負荷特征分析了空調(diào)使用需求特征。通過室內(nèi)熱濕環(huán)境實測和冷站全年運行記錄，分析不同業(yè)態(tài)、不同區(qū)域的室內(nèi)熱濕環(huán)境的差異和問題，分析冷站供冷能力、能耗及運行工況。再對兩類典型空間分布(環(huán)繞型/中庭型)的商業(yè)綜合體建立模型，分析不同區(qū)域、不同時間段的負荷特征，并根據(jù)業(yè)態(tài)負荷特征或季節(jié)負荷特征對冷源進行優(yōu)化設(shè)計和對比，以提供對實際商業(yè)綜合體設(shè)計工作的支撐。

主要結(jié)論如下：

1)將商業(yè)綜合體空間類型分為環(huán)繞型和中庭型兩類，環(huán)繞型商業(yè)綜合體業(yè)態(tài)分布較中庭型更為集中，商業(yè)綜合體由于各業(yè)態(tài)使用時間連續(xù)，峰谷特征不明顯。人員密度方面，近年來新建商業(yè)綜合體人均占有面積在10 m2左右，較傳統(tǒng)商業(yè)建筑大。

2)商業(yè)綜合體由于功能的綜合性，室內(nèi)環(huán)境較傳統(tǒng)商業(yè)建筑波動較大，不同業(yè)態(tài)室內(nèi)環(huán)境有顯著差異。總體來看，室內(nèi)環(huán)境舒適，溫度多分布在25～27 ℃。局部區(qū)域存在兩方面問題，一是頂層溫度易過高，尤其頂層為餐飲；二是部分底層及部分人員密集區(qū)域CO2質(zhì)量分數(shù)接近或超過1 000×10-6。

3)針對冷站實際運行分析發(fā)現(xiàn)，商業(yè)綜合體體量大，存在每天都有冷負荷的情況，冷站運行時間長；冷機設(shè)計容量普遍過大；冷機負荷率較高，新建綜合體冷機運行COP在5～7。

4)商業(yè)綜合體按照業(yè)態(tài)負荷特征進行冷源設(shè)計對冷站節(jié)能有利，尤其是對于體量大、業(yè)態(tài)布局分散且各業(yè)態(tài)負荷差異大的中庭型商業(yè)綜合體來說，更應(yīng)按照不同業(yè)態(tài)負荷選擇冷源方案。