購物中心租區(qū)空調(diào)水系統(tǒng)現(xiàn)狀分析及節(jié)能改造方案研究

馮 源 沈 薇

（成都基準(zhǔn)方中建筑設(shè)計有限公司 成都 610021）

0 引言

在國務(wù)院印發(fā)《2030年前碳達峰行動方案》中，城鄉(xiāng)建設(shè)碳達峰作為重要工作之一，其中要求加快提升建筑能效水平，加快推進公共建筑節(jié)能改造，逐步開展公共建筑能耗限額管理。從能耗強度和能耗總量進行雙控[1]。

根據(jù)清華大學(xué)建筑節(jié)能研究中心對于中國建筑領(lǐng)域用能的核算結(jié)果，建筑運行能耗約占全社會能耗的比例約為22%。而公共建筑能耗占建筑能耗的比例約為34%[2]，其單位面積能耗約為普通城鎮(zhèn)住宅用電量的4 倍。公共建筑單位面積能耗增長持續(xù)增長的現(xiàn)象是近年來越來越多使用集中空調(diào)系統(tǒng)的大體量購物中心，商業(yè)綜合體，其單位面積電耗都在100kWh/m2以上。當(dāng)前，購物中心約占公共建筑總量約20%，經(jīng)過近20年的蓬勃發(fā)展，作為一種成熟的商業(yè)服務(wù)模式，已深深融入了城鎮(zhèn)居民生活[3]。從2002年至2020年，國內(nèi)建成的各種規(guī)模的購物中心達到了6000 多家，每年還在以300-500 家的速度遞增[4]。

中央空調(diào)能耗作為能耗大戶約占商業(yè)建筑總能耗40%[2]。國家及地方政府出臺了多項有關(guān)綠建節(jié)能相關(guān)的法規(guī)及措施，從各個環(huán)節(jié)來規(guī)范項目設(shè)計，推廣高能效產(chǎn)品運用及指導(dǎo)運維。由于制冷站能耗（冷源及輸配能耗）占據(jù)了整個空調(diào)系統(tǒng)能耗的85%，隨著機房群控技術(shù)的推廣普及，更多的節(jié)能設(shè)計及管理的關(guān)注點都在提升制冷站的能效[5]，而末端運行的控制和供需反饋將直接影響到冷源的節(jié)能運行。根據(jù)大量調(diào)查反饋，既有購物中心對于末端系統(tǒng)的控制設(shè)計方案及運維管理還相對粗放，導(dǎo)致整體空調(diào)系統(tǒng)的能效低，能耗高。本文將針對購物中心在租戶區(qū)域的空調(diào)水系統(tǒng)的設(shè)計，控制及管理的問題進行研究分析，并結(jié)合實際項目提出節(jié)能改造方案。

1 租區(qū)空調(diào)能耗分析及空調(diào)水系統(tǒng)設(shè)置現(xiàn)狀

非街區(qū)型的室內(nèi)購物中心通常都為開發(fā)商自持獨立產(chǎn)權(quán)，不同業(yè)態(tài)的商家已租賃的方式入駐，包含的常見業(yè)態(tài)為超市、影院、百貨、零售商鋪、餐飲、早教、娛樂等。除去有特殊需求及營業(yè)時間與大商業(yè)差異化較大的主力店，其他租戶的空調(diào)均由大商業(yè)集中提供。本文以當(dāng)前市場占有量較大的幾個購物中心品牌為研究樣本，其營業(yè)的數(shù)量如表1所示，此類購物中心設(shè)計及運營管理標(biāo)準(zhǔn)化程度較高，具有代表性。

表1 2021年既有大型品牌購物中心個數(shù)Table 1 The Number of Shopping Malls in 2021

以體量為10 萬平米商業(yè)面積的購物中心為例，約80%的面積為空調(diào)區(qū)域，扣除采用獨立冷熱源的商業(yè)租戶（影院、超市等）后，使用購物中心集中冷熱源的租戶空調(diào)面積約占70%，約有30%的面積為公共區(qū)域，主要包含步行街（中庭回廊）、扶梯/電梯廳、商管辦公、公共衛(wèi)生間等。

通過對萬達廣場、吾悅廣場、龍湖天街、華潤萬象城/匯等設(shè)計及管理標(biāo)準(zhǔn)的對比，這些購物中心標(biāo)準(zhǔn)化程度較高，空調(diào)系統(tǒng)設(shè)置形式也基本相似。冷源采用電制冷冷水機組，熱源根據(jù)地區(qū)差異采用市政熱源、自建燃氣鍋爐房或不設(shè)熱源。租戶末端空調(diào)形式根據(jù)其租區(qū)大小差異化設(shè)置，大租戶采用組合式空調(diào)器或吊裝式空調(diào)器設(shè)置全空氣系統(tǒng)，新風(fēng)自取。小租戶設(shè)置風(fēng)機盤管，由商場統(tǒng)一提供處理之后的新風(fēng)。租戶的空調(diào)交付標(biāo)準(zhǔn)有所差異，有些根據(jù)租戶需求將風(fēng)機盤管安裝到位，有些預(yù)留水管供租戶自行接駁。

根據(jù)空調(diào)負荷分析，扣除新風(fēng)負荷（新風(fēng)集中提供），租區(qū)可以自行設(shè)置及控制的空調(diào)負荷占比約為購物中心總空調(diào)負荷占比50%，空調(diào)能耗占比非常顯著。

在筆者對標(biāo)研究了上述多個購物中心的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，實地走訪調(diào)查了多個正在運營中的購物中心，并與物管負責(zé)人進行溝通交流后，發(fā)現(xiàn)對購物中心租區(qū)空調(diào)從系統(tǒng)設(shè)計，安裝調(diào)試以及運維管理，存在如下現(xiàn)狀：

（1）招商方面

受到商鋪招租的壓力，業(yè)主的招商部門會接受租戶的空調(diào)設(shè)置要求。而租戶的空調(diào)標(biāo)準(zhǔn)（通常為單位面積的冷/熱負荷指標(biāo)）遠高于設(shè)計時采用的室內(nèi)舒適度標(biāo)準(zhǔn)。

（2）設(shè)計方面

購物中心的空調(diào)水系統(tǒng)多采用冷熱切換的兩管制系統(tǒng)，供回水于管地庫通過水平敷設(shè)至各供回立管，由立管在各樓層接出支干管至空調(diào)末端，一組立管回路服務(wù)半徑約為40 米左右范圍，平面示意圖參見圖1。

圖1 空調(diào)水平面圖示意Fig.1 Air Conditioning Water Pipe Plan

租區(qū)與公區(qū)的水系統(tǒng)合用，無法對租區(qū)進行監(jiān)控并調(diào)節(jié)，目前設(shè)計中已很少采用。

租區(qū)與公區(qū)的水系統(tǒng)獨立設(shè)置卻未設(shè)置電動調(diào)節(jié)閥。如圖2所示，租區(qū)空調(diào)常見水系統(tǒng)接管方式有2 種方式，出于水環(huán)路水力平衡調(diào)節(jié)的考慮，將公區(qū)的空調(diào)器（及集中新風(fēng)機）系統(tǒng)與租區(qū)的風(fēng)機盤管系統(tǒng)在立管或水平支管上進行區(qū)分，在支干管上僅考慮了用于水力平衡的閥門，對水平支管環(huán)路未進行監(jiān)控并調(diào)節(jié)。

圖2 空調(diào)水管接管示意Fig.2 Air conditioning Water Pipe Connection

冷/熱水支干管未注明冬夏季設(shè)計流量。

（3）調(diào)試運維管理方面

未完成水系統(tǒng)初次調(diào)試或調(diào)試不到位即移交物業(yè)。

冬夏季空調(diào)冷熱水切換后，物業(yè)未根據(jù)環(huán)路流量需求重新調(diào)整管路阻力特性。

租戶空調(diào)計費方式都未采用能量計，均采用面積分攤的方式。

未將租區(qū)空調(diào)末端連入購物中心的BA 系統(tǒng)，未能對租區(qū)的空調(diào)設(shè)置溫度及實際溫度進行監(jiān)督，無法對租區(qū)的空調(diào)進行控制。

2 租區(qū)空調(diào)水系統(tǒng)運行常見問題及原因分析

根據(jù)對多個購物中心的調(diào)查，對水系統(tǒng)反饋的主要問題多為：部分租戶內(nèi)部夏季過冷，冬季過熱現(xiàn)象嚴(yán)重，而部分租戶冬夏季均達不到設(shè)計溫度，租戶冷熱差異現(xiàn)象明顯；水系統(tǒng)大流量小溫差運行；空調(diào)能耗高。仔細分析，這些問題的產(chǎn)生，根據(jù)研究表面，大多于租區(qū)的空調(diào)設(shè)計及管理有關(guān)[6,7]。

原因1：租戶安裝及使用管理喪失，能耗提升顯著。上文提到對租區(qū)招商條件的妥協(xié)導(dǎo)致其空調(diào)末端配置遠大于設(shè)計值，且未接入BA 系統(tǒng)，物管無法對其空調(diào)進行監(jiān)控。由于購物中心空間內(nèi)夜間空調(diào)停止后的蓄熱，及商鋪營業(yè)員的著裝情況，普遍會將冬夏季的設(shè)定值調(diào)到超出設(shè)計值，比如夏季22℃、冬季24℃，甚至調(diào)到極致的夏季18℃，冬季30℃。這種是導(dǎo)致能耗提升的直接原因。

原因2：流量失調(diào)導(dǎo)致租戶搶水引起的冷熱不均。有利環(huán)路流量過大導(dǎo)致了租區(qū)過冷過熱，也將導(dǎo)致不利環(huán)路的欠流。故商業(yè)公區(qū)及遠端商鋪會因為被搶水而導(dǎo)致溫度達不到設(shè)計值，這也是導(dǎo)致購物中心內(nèi)冷熱不均的一個重要因素。而這個問題在夏熱冬冷地區(qū)二管制冷熱切換的冬季供暖更為突出，以成都的購物中心為例，冬季的總供熱量約為夏季總供冷量的40%～60%，而熱水供水溫差大于冷水，導(dǎo)致冬季干管流量僅為夏季流量的30%左右，而末端仍采用冷水工況的單盤管換熱器，若未進行流量調(diào)節(jié)，會導(dǎo)致嚴(yán)重的流量失調(diào)，冷熱不均。

原因3：夏季室溫溫度下降將導(dǎo)致空調(diào)冷負荷下降[8]，也會導(dǎo)致盤管換熱能力下降支干管大流量小溫差。根據(jù)對常見租區(qū)空調(diào)風(fēng)機盤管及吊裝空調(diào)器的換熱能力的分析，與設(shè)計室溫25℃相比，當(dāng)室溫降至23℃，換熱能力會減弱15%-20%，參見表2，3。而室內(nèi)溫度設(shè)定過低，又會導(dǎo)致電動二通閥處于敞開或電動調(diào)節(jié)閥無法調(diào)小。將導(dǎo)致該租區(qū)環(huán)路的大流量小溫差情況，冷凍水輸送系數(shù)WTFchw 降低，能耗提升。

表2 風(fēng)機盤管供冷能力表Table 2 Cooling Capacity of FCU

表3 吊裝空調(diào)器供冷能力表Table 3 Cooling Capacity of AHU

3 租區(qū)水系統(tǒng)改造方案探討

為解決或緩解上述租區(qū)水系統(tǒng)問題，并充分考慮購物中心管理難度及改造成本，在和多個物業(yè)方溝通下，可以被接受改造方案應(yīng)滿足以下前提條件：

（1）不調(diào)整計費方案。

（2）避免影響或盡量少影響租區(qū)的營業(yè)。

（3）避免或盡量少對精裝區(qū)進行拆改。

（4）避免對原樓宇自控系統(tǒng)進行顛覆性改造。

根據(jù)以上要求，排除了將租戶的空調(diào)末端接入BA 進行集中控制的方案，而只能針對敷設(shè)在后場區(qū)域的空調(diào)水管路上進行改造，且改造時間應(yīng)選擇在非空調(diào)季節(jié)，避免影響營業(yè)。根據(jù)研究分析，改造思路為租區(qū)內(nèi)監(jiān)測，租區(qū)外控制，具體方案如下：

（1）對租戶溫度進行實時監(jiān)控；通過在各個租戶增設(shè)WIFI 型無線溫度傳感器，每10 分鐘刷新一次室溫情況，遠傳至監(jiān)控電腦，可以讀取各租戶室內(nèi)溫度情況。設(shè)備及安裝成本低，無拆改，不影響營業(yè)。

（2）監(jiān)測并自動調(diào)節(jié)租區(qū)回路支干管的水流量。

方案1，溫差調(diào)節(jié)方案。如圖3所示，于租區(qū)回路的回水支干管處，設(shè)置溫差調(diào)節(jié)閥。該閥門由二通調(diào)節(jié)閥，執(zhí)行器及一對溫度傳感器組成。通過遠程或現(xiàn)場調(diào)試，執(zhí)行器比較供回水溫差實際值與溫差設(shè)定值，對閥門進行比例積分調(diào)節(jié)，避免大溫差小流量情況發(fā)生。并可設(shè)定冬夏季的額定流量閥位及不同的供回水溫差。

圖3 溫差調(diào)節(jié)閥接管Fig.3 Temperature Difference Rregulation Valve

方案2：能量調(diào)節(jié)方案。如圖4所示，于樓層租區(qū)的回水支干管處，設(shè)置能量調(diào)節(jié)閥。該閥門由二通調(diào)節(jié)閥，執(zhí)行器，流量傳感器及一對溫度傳感器組成。通過超聲波流量計監(jiān)測管路流量參數(shù)，溫度傳感器采集供回水溫差參數(shù)，從而能直接監(jiān)測到末端當(dāng)前的實際換熱量。通過遠程或現(xiàn)場調(diào)試，執(zhí)行器比較環(huán)路換熱量設(shè)定值與實際值，對閥門進行比例積分調(diào)節(jié)。避免回路超流情況，并能通過溫差控制避免大溫差小流量情況發(fā)生。并可設(shè)定冬夏季的額定流量閥位及不同的供回水溫差。

圖4 能量調(diào)節(jié)閥接管Fig.4 Energy regulation Valve

以上2 種方案均通過RS485 通訊方式將檢測信號通過就近的網(wǎng)絡(luò)控制器接入樓宇自控系統(tǒng)（BA）的預(yù)留接口，或?qū)A 系統(tǒng)進行擴展補充后接入，可避免大規(guī)模的布線。

4 實際案例改造方案投資回報測算

4.1 項目介紹

該購物中心位于成都中心城區(qū)，商業(yè)部分總建筑面積為132000m2，地上5 層，地下1 層，業(yè)態(tài)包括超市、零售、集合店、餐飲、電玩、健身、早教、KTV、影院等。扣除設(shè)置獨立冷熱源的超市，KTV 及影院，其余業(yè)態(tài)都采用集中的大商業(yè)冷熱源，空調(diào)面積為92000m2。根據(jù)負荷計算，總冷負荷為14200kW，總熱負荷為5400kW。

冷凍水泵采用一次泵變頻的方式。水系統(tǒng)采用冷熱切換的兩管制系統(tǒng)，通過7 個立管系統(tǒng)將冷熱水輸送至末端，樓層支管接立管時分成兩個回路，分別為接入BA 的公區(qū)空調(diào)器與新風(fēng)機回路以及接入租區(qū)空調(diào)末端的回路，共有30 個租戶回路。參見圖5，租區(qū)由商家自行安裝空調(diào)，采用風(fēng)機盤管或吊裝空調(diào)器。均未接入購物中心BA 系統(tǒng)。

圖5 空調(diào)水系統(tǒng)圖Fig.5 Air Conditioning Water System

4.2 租區(qū)水系統(tǒng)改造方案及節(jié)能效果測算

為改善租區(qū)空調(diào)“失控”現(xiàn)狀，降低租區(qū)空調(diào)能耗，擬采用上述兩種方案針對租區(qū)供回支干管進行改造，并與設(shè)計目標(biāo)工況及現(xiàn)狀運行工況進行關(guān)于投資及節(jié)能回報比較。方案及標(biāo)準(zhǔn)如表4所示。

表4 改造方案表Table 4 Transformation Plans

通過全年空調(diào)負荷模擬軟件對項目進行模擬，得到了空調(diào)全年負荷變化曲線，參見圖6，匯總各負荷所占的時段可以整理該購物中心全年各負荷段的時間占比。由于租區(qū)負荷變化情況與整體購物中心相近，測算中將租區(qū)空調(diào)負荷變化的負荷段按租區(qū)空調(diào)負荷比例進行折算，分攤到租區(qū)制冷量及冷凍水流量，參見表5。

圖6 冷負荷變化及負荷段時數(shù)Fig.6 Cold load Variation and Duration

表5 租區(qū)制冷量及冷凍水流量Table 5 Refrigerating Capacity and Chilled Water Flow in Rental Shops

冷站采用電冷源綜合制冷性能系數(shù)SCOP=4.6冷機，冷卻水泵及冷卻塔的用電量進行估算，并根據(jù)負荷占比分攤到租區(qū)的運行電費，制冷時間段位于成都地區(qū)豐水期電價的峰平段，期間折算電價為0.68 元/kWh。

表6 租區(qū)空調(diào)電費Table 6 AC Electricity Consumption in Rental Shops

4.3 改造技術(shù)經(jīng)濟比較

需對30 個租區(qū)末端空調(diào)回路增設(shè)溫差調(diào)節(jié)閥或能量調(diào)節(jié)閥，投資估算及回收期如表7所示。

表7 投資回收比較Table 7 Investment Recovery Period

根據(jù)上述分析，通過在租戶回路的支管設(shè)置溫差或能量調(diào)節(jié)閥，能有效的降低空調(diào)能耗及運行費用，改造投資回收期可控，方案1，2 均可行。根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)的20-25年運行壽命來測算，方案2 節(jié)能效果更明顯。

5 結(jié)論

（1）通過對購物中心設(shè)計及運行的調(diào)查研究，受招商等因素影響，大量的既有購物中心對租區(qū)空調(diào)的管理較為粗放。據(jù)研究分析，若放任租區(qū)自行控制，購物中心整體空調(diào)能耗將提升約10%。其中約40%是冷凍水輸送能耗，60%是冷站能耗。

（2）設(shè)計中應(yīng)將租戶空調(diào)回路與公區(qū)回路獨立設(shè)置，才有對租區(qū)空調(diào)水系統(tǒng)進行單獨控制及改造的可能性。

（3）采用WIFI 型無線溫度傳感器，可以用較小的成本實現(xiàn)租區(qū)內(nèi)的溫度信號采集。

（4）既有購物中心項目通過在租戶空調(diào)水回路通過溫差或能量調(diào)節(jié)，可以有效避免租區(qū)環(huán)路小溫差大流量的現(xiàn)狀，根據(jù)測算，約能降低購物中心整體空調(diào)能耗約3.5%-7%，并能有效緩解冷熱不均問題。

（5）對租戶空調(diào)水回路的改造成本可控，無租區(qū)內(nèi)施工，避免影響租區(qū)正常營業(yè)，避免購物中心內(nèi)拆改費用，對既有空調(diào)系統(tǒng)及BA 系統(tǒng)也沒有影響，投資回收期與回路數(shù)量有關(guān)，回路越多，控制效果越好，但改造投資越高，應(yīng)根據(jù)實際項目進行技術(shù)經(jīng)濟比較及投資回報計算。

（6）這種改造方式可推廣至統(tǒng)一管理、采用集中空調(diào)系統(tǒng)但未將用戶納入BA管理的其他公共建筑項目的空調(diào)水系統(tǒng)中。