西安中貿廣場中央空調方案設計探討及節能分析

連志強,趙有民,安錦鋒

(1.陜西中貿房地產開發有限公司,西安710061;2.延安熱電廠,延安716000;3.陜西省制冷學會,西安710045)

0 項目概況

該項目位于西安市長安路與友誼西路交匯口西北處,長安路沿線,地鐵二號線南稍門站附近。項目占地面積約6.4萬m2,總建筑面積約60余萬m2,其中商業建筑面積約13萬m2。項目南區商業面積約為8萬m2,分為商業主樓、商業副樓兩部分。商業主樓地下2層,地上5層裙房,商業副樓地上4層。商業主副樓之間部分為商業步行街,主副樓之間2層以上有連廊連通。

商業主樓地下1層為超市,地上1～4層為品牌百貨,5層為影院和餐飲等。商業副樓1～2層鄰步行街分隔為獨立店鋪,其它地方均為商業租賃區。

1 空調冷熱源

1.1 冷熱源選擇

冷熱源選擇應根據項目相關情況合理選擇。項目住宅、公寓部分采暖采用市政集中供暖,商業冬季空調采用市政換熱站供暖即為最合理經濟的方式。在此基礎上空調冷源一般有以下幾種方式:(1)電制冷離心、螺桿制冷機組;(2)冰蓄冷、水蓄冷制冷機組系統;(3)高溫冷凍水機組,溫濕度獨立控制空調系統。

1.2 冷熱源系統分析

冰蓄冷、水蓄冷系統首先要考慮的是峰谷電價,西安地區電價峰谷比值不到3,高峰電價也只有約1元/kWh,且蓄冷設備又將占用緊張的車庫面積。以上因素的限制已使得蓄冷系統的投資回收期超過5年甚至更長。

高溫冷水機組也已在市場上出現,溫濕度獨立控制空調系統是由電制冷機組制備18℃左右冷凍水來消除室內顯熱,用溶液調濕空調機組來消除室內的余濕量從而達到空調目的的空調系統。

現有的熱濕聯合處理的空調方式存在如下問題:(1)熱濕聯合處理的能源浪費。(2)難以適應熱濕比的變化。(3)室內空氣品質不佳。(4)室內末端裝置吹風感。(5)輸配能耗的問題。然而上述問題是基于對濕度有一定要求的情況下,而在實際工程中,舒適性空調常常不對濕度有較高要求而且人員也對濕度的變化感覺較為遲鈍,并不因為濕度的稍微增大而產生較強的悶熱感,此種情況下就應根據工程實際綜合分析來評估此種系統的適用性。比如,空調季的平均室外空氣含濕量、人員新風量大小、濕負荷所占空調總負荷的比重、溶液調濕空調機組的選型與控制等因素均應具體分析,實際工程的應用也對新系統的應用具有很大借鑒意義。

分析該系統應用于本工程尚有以下幾點疑問:(1)溫濕度獨立控制空調系統相對于常規空調露點送風是否有明顯的節能優勢。(2)室內溫濕度變化,露點溫度也隨之變化,現有經濟的自控水平如何保證所有末端始終維持干工況運行。(3)在低負荷時段或室外空氣濕度較小時,系統是否還具有同樣的節能優勢。任何新型空調系統都并非能適用任何類型的工程,每個空調系統都有與其它空調系統不同的基因,只有全面把握深刻認識每一個問題才能作出正確的選擇。

1.3 系統集中及節能

中央空調制冷,是一個按照熱力學第二定律進行的 “熱量逆向傳遞”過程。該過程涉及到空調末端裝置、冷水機蒸發器、冷水機組冷凝器以及冷卻塔裝置等四個熱交換設備中的傳熱過程,涉及到室內空氣循環、冷凍水循環、冷水機組制冷劑循環、冷卻水循環和室外空氣循環等5個流體循環,還涉及到系統的負荷及實際工況的變化,運行情況復雜,制約因素很多,使得中央空調系統具有時滯、時變、非線性和大惰性等一系列復雜特征。

這種復雜性使得與供熱不同,并非越集中越好。雖然商業主、副樓相距很近并且地下室連通,然而其使用單位不同,商業功能不同。若硬要并入同一空調系統,會在物業管理、系統控制及經濟運行等方面帶來問題。國內較大的區域集中冷源,有的冷價已和電價相同,系統能效之低可見一斑。由于商業主副樓營業時間和負荷峰值時間基本相同,最后方案趨向于主副樓各設一個冷源,制冷機組采用離心和螺桿制冷機組。

2 空調水系統

2.1 冷凍水系統

空調水系統循環水泵變頻調速 (以下簡稱VFD)運行的節能性已在業界得到普遍認可,然而只有選擇合適的控制方式才能達到節能最大化的理想效果。

水泵運行的控制方式是指:用某種被控參數實現水泵的變頻調速運行,通常被控參數取循環水系統中某處的壓差/壓力或溫度等。本文定義了四種控制方式 (其中控制方式4為特例,因為屬于非變頻調速運行),它們分別是:

①運行控制方式1:恒定系統供/回母管間壓差,系統工況點在圖1之曲線-1上。

②運行控制方式2:恒定系統最不利環路壓差,系統工況點在圖1之曲線-2上。

③運行控制方式3:在供水溫度滿足要求的前提下,恒定系統的供、回水溫差,系統工況點在圖1之曲線-3上。其特點是:末端不設隨負荷動作的流量調節閥,管網S值等于常數,為主動變流量運行。此運行控制方式節能效果最顯著,但管網動態流量分配的可靠性差,很少采用。

圖1 不同控制方式水系統運行曲線

④運行控制方式4:末端變流量,循環水泵工頻運行,是一次泵空調水系統的典型運行方式。此控制方式運行能耗較高。

通過文獻 [2]對循環水泵變頻調速運行實例的研究說明,控制方式2恒定系統最不利環路或最不利環路組壓差的變頻調速控制方式是較理想的控制方式。

2.2 冷卻水系統

相對而言,中央空調冷卻水泵變頻問題業內研究較少,爭議也比較多。表1是冷卻水泵占主機10%的變頻節能分析。

由表中數據可以看出,低負荷率成為冷卻水泵能否變頻的主要考慮因素,只有在主機低負荷率、冷卻水泵功率占主機功率比例較大時,冷卻水泵變頻才有意義。而大型商業空調通常由2、3臺以上主機組成且具備主機群控系統,單臺主機負荷率低于50%的幾率很小,所以通過機組群控的臺數控制已經能對冷卻水泵的能耗進行控制,再進行變頻控制意義已經不大。當然具體節能量應通過詳細計算來論證是否變頻,文獻 [3]給出了一種計算冷卻水泵變頻節能的方法,具有一定指導意思。

表1 冷卻水泵占主機10%的節能分析

3 空調風系統

由于大型商場基本采用全空氣空調系統,而空調箱風機全年運行,因此商場空調系統中空調箱風機電耗所占比重最大,達到了該商場空調系統總用電的65.4%,浪費最嚴重、節能潛力最大。因此,大型商場節能的關鍵環節是空調風系統。

造成大型商場空調箱風機電耗巨大的主要原因是,空調系統采用定風量系統,風機并沒有根據商場中的負荷變化而調節。而商場中人流密度的變化較大,因此最有效的節能方案之一就是采用風機變頻控制調節策略,將定風量系統改變為變風量系統。采用風機變頻控制調節時,在保證送風溫度和室內溫度不變的前提下,當室內負荷為最大室內負荷的一半時,風機的風量可以降到額定風量的50%,風機電耗可以降到其額定功率的1/8,具有極大的節能潛力。若保證送風溫度不變,通過變頻器調節風量,可得到定速風機和變頻風機的逐時運行功率變化如圖2所示。

由圖2可以看出,變頻風機在部分負荷時運行功率要遠低于定速風機的功率,所以從全年累計運行能耗比較來看,兩者相差很大。

大型商場建筑由于照明和客流量的影響,內部發熱量很大;而且這類建筑往往體形系數也很大,熱量不易散出。商場的新排風系統設計時,應考慮過渡季和冬季從室外引入新風作為免費冷源。設計上新風道面積不能過小,應滿足過渡季和冬季的新風用量,還應有相應排風系統使得風量平衡,使全新風運行得以實現,以減少空調的開啟時間。

圖2 兩種風機轉速控制調節策略下空調箱逐時運行功率比較

4 空調自控系統

目前我國建筑設備智能化的建設與運用情況不容樂觀,而在建筑設備智能化中,暖通空調系統智能化又比其他如照明、報警、電梯等智能化運行現狀差。暖通空調自控系統在既有公共建筑中的應用較少,即使安裝了暖通空調自控系統,也往往未能發揮其應有的優勢。原因是多方面的,暖通專業和自控專業缺乏密切配合和自控專業對暖通空調系統缺乏深度理解,是其中的一個重要原因。暖通專業需在設計中明確以下三方面內容:①暖通空調系統的控制邏輯關系要求;②感測元件與執行機構的設置位置和精度要求;③設備控制參數的要求,是指暖通空調系統中各個設備的運行控制參數設定值、參數調節范圍、以及感測元件與執行機構的參數性能要求等。

暖通空調系統是一個多變量、強耦合的復雜系統,自控設計中主要的難題是控制對象的難理解性和干擾的復雜性,暖通空調自控設計的成效關鍵在于暖通專業。空調系統主要矛盾在于末端設備的主動性調節,只有以整個系統的自控觀抓住主要矛盾才能理清各控制機構的控制邏輯,而并非僅在機房考慮就能解決系統的整個問題。

5 方案綜述

經過以上論述,本商場中央空調設計方案定為以下主要內容:①冷源為常規離心式、螺桿式水冷冷水機組;熱源為城市集中供熱。②冷凍水系統采用末端具備主動性調節的一次泵變流量系統,依據恒定系統最不利環路的壓差來進行水泵變頻調速,冷凍水泵均可變頻調速,相互并聯通過共用集管與冷水機組連接;冷卻水為定流量系統,水泵工頻運行。③商場空調采用全空氣系統,空調箱風機依據回風溫度進行變頻調節。過渡季節空調系統可全新風運行來最大限度降低能耗,空調區域內氣流組織合理且必須設置排風設備,排風設備應使系統風量平衡,全新風運行得以實現。空調箱變頻控制應有保證滿足人員衛生要求最小新風量的控制措施。④自控系統應主要分為主機系統群控、冷凍水變頻調速控制、空調風系統變頻控制、末端設備的主動性調節控制及各設備間的連鎖調節控制等。

6 結語

大型商業暖通空調能耗占建筑總能耗比重很大,通過本文的討論,期望在提高中央空調設計質量和降低大型商業建筑空調能耗等方面有所幫助。

[1]江億.溫濕度獨立控制空調系統[M].北京:清華大學,2006,1

[2]伍小亭,蘆巖.循環水泵變頻調速運行實例研究[J].暖通空調,2006,36(8):25-32

[3]曲凱陽.中央空調冷卻水泵變頻節能的討論[J].建筑熱能通風空調,2009,(5):82-84