西安大型公共建筑空調(diào)系統(tǒng)能耗現(xiàn)狀與節(jié)能優(yōu)化研究

李 澧，張竹慧

1.東洋工程（上海）有限公司，上海 200122

2.武警工程學(xué)院基礎(chǔ)部，陜西 西安 710086

0 引言

隨著“低碳生活”新理念的深入民心，節(jié)能減排越來(lái)越被人們所重視。大型公共建筑設(shè)置全年性供暖、通風(fēng)、空調(diào)系統(tǒng)和較密集照明設(shè)備，所以能耗相當(dāng)高，而作為大型公共建筑中的主要耗能設(shè)備，空調(diào)系統(tǒng)由于種種原因而，存在著不少不合理用能的現(xiàn)象，消耗了建筑物能源總量的30%～60%，亟待進(jìn)行節(jié)能改造和優(yōu)化。

西安作為中西部地區(qū)的金融中心，是一個(gè)自然資源缺乏的城市，其能源、原材料對(duì)外依賴性強(qiáng)，一次能源產(chǎn)生量基本為零。從2007年以來(lái)，筆者對(duì)西安市的40幢大型公共建筑進(jìn)行了調(diào)查，數(shù)據(jù)表明這些建筑空調(diào)能耗較高，且各建筑能耗相差較大，因此，如何進(jìn)一步降低空調(diào)能耗，將對(duì)西安市大型公共建筑的節(jié)能起到極其重要的作用。

1 能耗現(xiàn)狀與分析

1.1 建筑概述

1.1.1 建筑類型

大型公共建筑是指建筑面積超過2萬(wàn)m2且采用集中空調(diào)系統(tǒng)的各類星級(jí)酒店、大中型商場(chǎng)、高級(jí)寫字樓、車站機(jī)場(chǎng)及體育場(chǎng)館等。本次調(diào)查中涉及的40幢建筑主要為大型商場(chǎng)建筑、大型酒店建筑、大型寫字樓建筑等3類。

1.1.2 建筑基本情況

調(diào)查的大型商場(chǎng)類建筑共有12幢，其使用時(shí)間從1990年～2007年均有，而建筑面積則以2m2～5萬(wàn)m2居多，建筑以多層為主導(dǎo)，結(jié)構(gòu)形式基本為框架結(jié)構(gòu)或框剪結(jié)構(gòu)，建筑朝向東西向多于南北向，建筑高度則高度分布比較均勻，層高有6幢建筑均高于4.0m。

調(diào)查的大型酒店建筑共有16幢，其使用時(shí)間從1985年～2006年均有，而建筑面積則以2萬(wàn)m2～4萬(wàn)m2居多，建筑以高層為主，結(jié)構(gòu)形式基本為框架結(jié)構(gòu)或框剪結(jié)構(gòu)，建筑朝向以南北向?yàn)橹鳎ㄖ叨绕毡檩^高，均為高層建筑，層高基本以3.0m～3.3m為主。

調(diào)查的大型寫字樓建筑共有12幢，其使用時(shí)間從1993年～2006年均有，而建筑面積則以2萬(wàn)m2左右居多，建筑層數(shù)以高層為主，結(jié)構(gòu)形式基本為框剪結(jié)構(gòu)，建筑朝向南北向較多，建筑高度以60m以上為主，層高有基本在3.0m～3.6m之間。

1.1.3 建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)

1）外墻

調(diào)查的40幢大型公共建筑中，使用外墻保溫材料的建筑有16幢（15幢為2000年以后使用，1幢為后來(lái)改造），其外墻傳熱系數(shù)基本都滿足規(guī)范要求；沒有設(shè)置外墻保溫材料的24幢建筑墻體材料基本為加氣混凝土砌塊、空心粘土磚、實(shí)心粘土磚或玻璃幕墻，采用加氣混凝土砌塊的建筑有8幢，采用空心粘土磚的建筑有15幢，其余1幢采用實(shí)心粘土磚，有15幢建筑局部外立面采用了玻璃幕墻，這24幢建筑其外墻傳熱系數(shù)基本都不滿足規(guī)范要求，傳熱系數(shù)最高者達(dá)到1.97W/ m2·K?？傊?，有60%被調(diào)查的建筑其外墻傳熱系數(shù)不滿足《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》要求。

2）屋頂

調(diào)查的40幢大型公共建筑中，進(jìn)行屋頂保溫的建筑有23幢，保溫材料有加氣混凝土砌塊、膨脹珍珠巖或擠塑聚苯板，采用擠塑聚苯板的有3幢建筑，其傳熱系數(shù)都滿足規(guī)范要求，而其余20幢建筑的屋頂傳熱系數(shù)略高于規(guī)范要求，不滿足規(guī)范要求；剩余17幢建筑屋頂都沒有設(shè)置保溫結(jié)構(gòu)，其傳熱系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于規(guī)范要求。所以，92.5%的被調(diào)查建筑其屋頂傳熱系數(shù)不滿足《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》要求。

3）外窗

調(diào)查的40幢大型公共建筑中，60%的建筑采用單玻單層窗，50%的建筑使用普通玻璃，80%的建筑使用單層鋁合金框，而多數(shù)的建筑基本均沒有設(shè)置外遮陽(yáng)，一半的建筑利用窗戶內(nèi)側(cè)的窗簾或百葉來(lái)遮陽(yáng)，所以，有近3/4的建筑外窗其傳熱系數(shù)不滿足《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》要求。

總而言之，調(diào)查的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)多數(shù)不符合《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》要求，更有甚者要比參考值高兩倍之多。

1.2 建筑能耗指標(biāo)及空調(diào)裝機(jī)負(fù)荷

1.2.1 建筑能耗現(xiàn)狀

1）大型商場(chǎng)建筑

大型商場(chǎng)建筑營(yíng)業(yè)時(shí)間從8時(shí)30分～10時(shí)之間開始，到19時(shí)～22時(shí)之間結(jié)束，每天多達(dá)12h左右，由于大型商場(chǎng)建筑全年基本沒有節(jié)假日，同時(shí)內(nèi)部人員密度較大，空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間較其它建筑長(zhǎng)，根據(jù)調(diào)查可知西安市大型商場(chǎng)建筑單位建筑面積全年總能耗為 49.42kW·h/（m2·a）～243.82kW·h/（m2·a），能耗高的建筑是能耗低的建筑的4.9倍。（m2·a）。

2）大型酒店建筑

大型酒店建筑有別于商場(chǎng)建筑和寫字樓，其能耗大小與入住率有直接的關(guān)系，根據(jù)調(diào)查資料可知，西安市大型酒店建筑單位建筑面積全年總能耗為41.83kW·h/（m2·a）～271.76kW·h/（m2·a），能耗高的建筑是能耗低的建筑的6.5倍，平均值為135.60kW·h/（m2·a）。

3）大型寫字樓建筑

大型寫字樓建筑主要以辦公為主，全年使用時(shí)間約為240天左右，西安市大型寫字樓建筑單位建筑面積全年總能耗為59.31kW·h/（m2·a）～98.85kW·h/（m2·a），能耗高的建筑是能耗低的建筑的1.67倍，平均值為77.85kW·h/（m2·a）。

1.2.2 暖通空調(diào)系統(tǒng)能耗比例

1）大型商場(chǎng)建筑

經(jīng)過分析對(duì)比，筆者發(fā)現(xiàn)西安市大型商場(chǎng)建筑能耗中暖通空調(diào)系統(tǒng)能耗比例較高，平均值達(dá)到53.88%，而其中空調(diào)系統(tǒng)能耗比例平均值為32.36%，采暖系統(tǒng)能耗比例平均值為21.52%，各調(diào)查建筑的暖通空調(diào)系統(tǒng)能耗比例最高為67.25%，最低為40.53%，相差較大。

2）大型酒店建筑

西安市大型酒店建筑能耗中暖通空調(diào)系統(tǒng)能耗比例平均值為49.5%，而其中空調(diào)系統(tǒng)能耗比例平均值為26.60%，采暖系統(tǒng)能耗比例平均值為22.31%，各調(diào)查建筑的暖通空調(diào)系統(tǒng)能耗比例最高的建筑為74.0%，最低的為28.9%，相差很大。

3）大型寫字樓建筑

西安市大型寫字樓建筑能耗中暖通空調(diào)系統(tǒng)能耗比例平均值為51.18%，而其中空調(diào)系統(tǒng)能耗比例平均值為25.94%，采暖系統(tǒng)能耗比例平均值為25.24%，各調(diào)查建筑的暖通空調(diào)系統(tǒng)能耗比例最高的建筑為60.27%，最低的為38.84%，相差也很大。

1.2.3 暖通空調(diào)系統(tǒng)裝機(jī)負(fù)荷

1）大型商場(chǎng)建筑

參考《實(shí)用通風(fēng)空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)》可知，西安市大型商場(chǎng)建筑裝機(jī)冷負(fù)荷相對(duì)較低一些，平均值為175.99W/ m2，但其裝機(jī)熱負(fù)荷較高，平均值為111.58W/ m2。究此原因，主要是由于多數(shù)商場(chǎng)建筑自行設(shè)置蒸汽鍋爐、熱水鍋爐或直燃型溴化鋰機(jī)組。

2）大型酒店建筑

西安市大型酒店建筑裝機(jī)冷熱負(fù)荷都較高，裝機(jī)冷負(fù)荷平均值為192.18W/m2,裝機(jī)熱負(fù)荷平均值為121.05W/ m2，尤其是裝機(jī)熱負(fù)荷，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)手冊(cè)的推薦值。

3）大型寫字樓建筑

西安市大型寫字樓建筑裝機(jī)冷熱負(fù)荷都較高，裝機(jī)冷負(fù)荷平均值為166.37W/m2,裝機(jī)熱負(fù)荷平均值為123.05W/m2，兩者均大于設(shè)計(jì)手冊(cè)的推薦值。

1.3 建筑室內(nèi)環(huán)境測(cè)試

本測(cè)試使用儀器主要有TR-72U型雙通道溫度濕度記錄儀、Telaire-7001型紅外CO2新風(fēng)量溫度分析儀及Tes-1332A型照度計(jì)，測(cè)試參數(shù)主要為溫度、濕度、CO2濃度及照度。由于建筑能耗調(diào)查時(shí)間有限，不能進(jìn)行逐時(shí)測(cè)試，所以測(cè)試時(shí)間安排上基本為上下午各一次，測(cè)試點(diǎn)采用隨機(jī)的方式來(lái)確定，每個(gè)建筑的測(cè)試點(diǎn)不少于20個(gè)。

1.3.1 大型商場(chǎng)建筑

1）溫濕度

被調(diào)查大型商場(chǎng)建筑個(gè)別的測(cè)試點(diǎn)溫度偏高或偏低，但總體來(lái)看溫度平均值均符合規(guī)范規(guī)定；濕度則普遍偏低，夏季基本滿足規(guī)范要求，冬季濕度過半的建筑室內(nèi)濕度低于規(guī)范要求值。

2）CO2濃度

被調(diào)查大型商場(chǎng)中只有兩幢建筑CO2濃度高于標(biāo)準(zhǔn)值，其余均符合要求，總體來(lái)看情況較好。

3）照度

被調(diào)查大型商場(chǎng)中有兩個(gè)建筑的照度低于規(guī)范規(guī)定值，多數(shù)建筑照度偏高。

1.3.2 大型酒店建筑

1）溫濕度

溫度方面，夏季被調(diào)查大型酒店有7幢，其中3幢建筑溫度高于標(biāo)準(zhǔn)值；冬季溫度普遍偏高，只有個(gè)別的測(cè)點(diǎn)溫度低于標(biāo)準(zhǔn)值。濕度方面夏季均符合規(guī)范要求，冬季偏低。

2）CO2濃度

被調(diào)查大型酒店中除了零星幾個(gè)測(cè)點(diǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)之外，其余均符合要求。

3）照度

被調(diào)查大型酒店中客房?jī)?nèi)照度均高于標(biāo)準(zhǔn)值，走廊則有50%的測(cè)點(diǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)值。

1.3.3 大型寫字樓建筑

1）溫濕度

從測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)看西安市大型寫字樓濕度均偏低，處于規(guī)范限定值的下限；而溫度則普遍偏高，無(wú)論夏季還是冬季。

2）CO2濃度

每個(gè)建筑CO2濃度平均值都滿足要求，個(gè)別的房間略高于標(biāo)準(zhǔn)值，情況較好。

3）照度

被調(diào)查建筑的照度值普遍低于標(biāo)準(zhǔn)值，只有建筑的頂層辦公房間偏高一些，照度水平有待提高。

2 空調(diào)能耗影響因素與節(jié)能優(yōu)化研究

2.1 空調(diào)能耗影響因素

從熱平衡原理可知，作為建筑中的主要用能設(shè)備，影響空調(diào)負(fù)荷的主要因素主要有有外擾、內(nèi)擾和建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)等3種。

2.1.1 外擾

外擾主要包括室外的氣象參數(shù)（諸如室外溫度、濕度、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、風(fēng)速和風(fēng)向等），以及建筑周邊的地表特征。基于本文的調(diào)查對(duì)象為已在使用的大型公共建筑，所以可以認(rèn)為影響空調(diào)負(fù)荷的外擾因素主要為建筑周邊的地表特征，亦即建筑周圍的植被類型、水體設(shè)置及地表形態(tài)等。

2.1.2 內(nèi)擾

內(nèi)擾主要包括建筑室內(nèi)的照明裝置、設(shè)備及人體的散熱、散濕。

2.1.3 建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)

建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)方面影響空調(diào)負(fù)荷的主要因素有建筑朝向、體形系數(shù)、屋頂形式、門窗朝向與形式、建筑色調(diào)、建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料傳熱系數(shù)等。考慮被調(diào)查大型酒店建筑均為實(shí)體建筑，前面幾項(xiàng)均以定型，本文主要從建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料傳熱系數(shù)方面入手來(lái)分析，主要考慮建筑外墻、屋頂及外窗的節(jié)能。

2.2 空調(diào)能耗節(jié)能優(yōu)化分析

2.2.1 空調(diào)制冷季

從盡可能降低空調(diào)系統(tǒng)冷負(fù)荷的角度考慮，最好的優(yōu)化辦法，就是不使用甚至少使用空調(diào)設(shè)備即可降低室內(nèi)溫度，所以空調(diào)冷負(fù)荷優(yōu)化的基本途徑如下：

1）外擾

為了降低空調(diào)冷負(fù)荷，我們可以局部改變?cè)械慕ㄖ苓叺牡乇硖卣?，使之形成綠地或水體，從而降低空調(diào)冷負(fù)荷。

2）內(nèi)擾

為了降低空調(diào)熱負(fù)荷，就要在室內(nèi)內(nèi)擾方面抑制其產(chǎn)生熱，所以在不影響建筑內(nèi)部人員正常工作、使用的情況下，盡可能減少照明裝置、設(shè)備等的使用時(shí)間。

3）建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)

為了降低空調(diào)冷負(fù)荷，就要從建筑本體的這些方面入手。

其一，增加建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱熱阻，即對(duì)建筑外墻、屋頂進(jìn)行保溫處理，對(duì)建筑的外門外窗更換熱阻較高的材料；其二、增加建筑外門窗的密閉性，并對(duì)建筑外門窗進(jìn)行遮陽(yáng)處理。

2.2.2 空調(diào)采暖季

從盡可能降低空調(diào)系統(tǒng)熱負(fù)荷的角度考慮，最好的優(yōu)化辦法，就是不使用甚至少使用空調(diào)設(shè)備即可提高室內(nèi)溫度，所以空調(diào)熱負(fù)荷優(yōu)化的基本途徑如下：

1）外擾

為了降低空調(diào)熱負(fù)荷，我們可以局部改變?cè)械慕ㄖ苓叺牡乇硖卣?，使之形成反射面，增加進(jìn)入室內(nèi)的輻射熱，從而降低空調(diào)熱負(fù)荷。

2）內(nèi)擾

為了降低空調(diào)熱負(fù)荷，就要在室內(nèi)內(nèi)擾方面促進(jìn)其產(chǎn)生熱，所以大型公共建筑在采暖季節(jié)可能很好的利用室內(nèi)照明裝置、設(shè)備散發(fā)的熱量。

3）建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)

為了降低空調(diào)熱負(fù)荷，主要也得從建筑本體來(lái)進(jìn)行處理。

其一，增加建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱熱阻，即對(duì)建筑外墻、屋頂進(jìn)行保溫處理，對(duì)建筑的外門外窗更換熱阻較高的材料；其二、增加建筑外門窗的密閉性；其三，更多的利用太陽(yáng)能，增加建筑蓄熱能力同時(shí)使更多的太陽(yáng)光進(jìn)入室內(nèi)。

3 結(jié)論

調(diào)查可知西安市大型公共建筑的空調(diào)系統(tǒng)能耗值和能耗比例還是比較高的，筆者試圖通過以上的研究和分析，以期對(duì)西安市大型公共建筑空調(diào)能耗的降低提供理論依據(jù)和科學(xué)的認(rèn)識(shí)，同時(shí)為改善大型公共建筑的空調(diào)能耗現(xiàn)狀提供有效幫助。

空調(diào)能耗是建筑能耗的主要組成部分，其節(jié)能途徑也有很多，本文所列內(nèi)容只是其中的一些方面，希望以后的時(shí)間里進(jìn)行更深入的分析和研究。

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[2]彥啟森，趙慶珠.建筑熱過程[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1986.

[3]霍小平，葛翠玉.建筑室內(nèi)熱環(huán)境測(cè)試與分析[J].建筑科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，22(2).

[4]薛志峰.既有建筑節(jié)能診斷與改造[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2005.

[5]中華人民共和國(guó)標(biāo)準(zhǔn)GB50189-2005，公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2005.

[6]中華人民共和國(guó)標(biāo)準(zhǔn)GB50034-2004，建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2004.

[7]中華人民共和國(guó)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18883-2002，室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2002.