177空调系统节能技术在武汉商学院工程中的应用.docx
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177空调系统节能技术在武汉商学院工程中的应用
空调系统节能技术在武汉商学院工程中的应用
中南建筑设计院许玲
摘要：
根据国家制定的公共建筑节能标准，结合武汉商业学院教学楼和图书馆工程的空调设计情况，浅谈空调系统节能技术在工程中的具体应用。
关键词：
节能标准节能技术大温差热回收变流量
Abstract:
Inthisessay，theauthorexpressesthepersonalviewontheapplicationofenergy-savingtechnology,usedintheair-conditioningdesignofteachingandliberayofWuhanInstituteofcommerce,accordingtoNationalEnergy-savingStandardonArchitecture.
KeyWords:
Energy-SavingStandard,Wide-rangetemperaturevariety,HeatRecycling,FrequencyAdjustment,EnerdyMeasurmeat.
1前言
为了建设资源节约型、环境友好型社会，提高能源利用效率，促进节约能源和优化用能结构，国家制定了公共建筑节能设计标准。
本标准提出在保证相同的室内环境参数条件下，与采取节能措施前相比，全年采暖、通风、空调和照明的总能耗应减少50％。
其中围护结构分担节能率约25％～13％；空调采暖系统分担节能率约20％～16％；照明设备分担节能率约7％～18％。
由此看来，空调节能的空间相当可观，任务也是非常紧迫的，作为一名暖通空调的设计人员有责任和义务为实现国家节约能源和保护环境的战略作出贡献。
空调系统节能技术主要包括以下一些方面：
第一、冷热源系统的节能；第二、空调系统的选择和划分，包括变风量系统、变水量系统、水环热泵系统、变制冷剂流量系统等；第三、空调系统的运行节能，包括合理选择新风量、过渡季节取用室外新风做冷源、改变空调设备启动和停止时间等；第四、建筑的热回收，包括排风的热回收、内区的热回收和建筑内其他热量回收等。
我们在对一个具体工程进行设计时，应该充分考虑以上的各项因素。
下面作者就武汉商学院教学楼和图书馆工程中空调系统节能技术的实际应用作一简介。
2工程概述
武汉商学院位于武汉经济技术开发区后官湖畔（汉阳区东风大道3000号），总建筑面积约18万平方米，其中教学楼和图书馆为该校的二期扩建工程。
教学楼总建筑面积约23000m²,地上五层，总建筑高度21.3m，主要功能为办公和教室，其中还包括二层楼的设备用房（冷冻机房和锅炉房）；图书馆总建筑面积约23600m²,地上五层，总建筑高度为20.3m，主要功能为自习室和阅览室。
图书馆作为该学院的标志性建筑，处于整个学校的中心位置。
3空调设计
教学楼和图书馆先后进行了两次空调设计。
3.1第一次设计：
为了给教师和学生提供舒适的工作和学习环境，教学楼办公部分和图书馆均设计中央空调系统。
该图书馆既无地下室，也没有设备间，并且作为学校的标志性建筑，对建筑的造型要求很高，空调设备（如冷却塔或风冷热泵机组）不宜放置在屋顶。
教学楼和图书馆相距500m，因此考虑图书馆的冷热源与教学楼的设备用房合并设计，空调冷热水通过埋地管道提供。
3.1.1冷热源形式的确定
目前能单独提供冷源的有冷水机组直供、冰蓄冷、水蓄冷、单效溴化锂；能单独提供热源的有燃油燃气锅炉、电锅炉蓄热；同时能提供冷热源的有双效溴化锂、地源热泵、水源热泵、水环热泵、风冷热泵等。
由此可以看出对一个工程而言冷热源的选择形式有多种多样，而合理的选择对整个空调系统的能耗至关重要，因此，在了解各种机组特点的基础上结合具体工程进行选择。
从本工程的具体情况来看：
该工程所处地段由勘测资料显示地下水资源不丰富，不具备水量稳定的基本要求，虽然地源热泵和水源热泵是既节能又环保的冷热源，但并不适用本工程。
考虑到图书馆的使用时间分布为上午8:
00—12:
00、下午2:
00—5:
00和晚上7:
00—10:
00，与武汉市的高峰用电时段（上午10:
00—12:
00和晚上6:
00—10:
00）基本吻合，尤其晚上图书馆的阅览室人员集中，空调负荷大，空调运行费用相当高。
需要考虑转移制冷主机的运行时段，减少峰值电负荷，节省运行费用。
另外图书馆和新建教学楼相距500m，冷冻水输配距离远，水泵输配能耗大。
因此在第一次设计时冷源采用的是部分冰蓄冷方式，提供6ºC的低温冷冻水，采用7ºC大温差水系统方式节省水泵的运行费用；热源采用的是燃气锅炉。
空调室内设计参数和冷热负荷详下表:
室内设计参数：
名称
温度℃
相对湿度％
新风量
m3/h·p
噪声
dB（A）
夏季
冬季
夏季
冬季
办公
26
20
40～65
≥40
30
≤50
阅览室
26
18
40～65
≥40
20
≤50
冷热负荷：
房间名称
建筑面积（m2）
空调面积（m）
夏季冷负荷（KW）
夏季全日冷负荷（KWh）
冬季热负荷（KW）
教学楼
23000
9150
1150
8250
860
图书馆
23600
17800
2520
17900
1890
总计
3670
26150
2750
冷热源设备的选择
冷源部分选用两台标准工况下制冷量为1210KW的双工况螺杆式冷水机组（机组能效比在标准工况下达到5.0），两台初级溶液泵（流量240m³/h，扬程16mH20）、两台次级溶液泵（流量135m³/h，扬程18.5mH20）、一台乙二醇板式换热器（换热量为3840KWH），体积为140m³的蓄冰罐两个，每个罐蓄冷量为6700KWH。
除蓄冰罐放置在设备用房的室外，其余的制冷设备均设置在设备用房的一层冷冻机房（面积约150m²）内；热源部分选用两台1400KW的燃气锅炉，两台冷冻循环水泵（流量215m³/h，扬程32mH20）、两台冷却循环水泵（流量280m³/h，扬程35mH20）、两台热水循环水泵（流量80m³/h，扬程28mH20）、分水器、集水器等设置在设备楼的二层锅炉房（面积约200m2）内。
空调水系统
水系统分两个环路，教学楼和图书馆分环设计，并且在环路供回水干管上设置有能量计量装置。
采用了大温差形式，夏季冷水供回水温度为5℃/13℃，温差为8℃，（常规空调温差为5℃）；冬季热水供回水温度为60℃/45℃，温差为15℃，（常规空调温差为10℃）。
大温差的选用，减少了冷热水循环量，减少水管管径，节省管材和水泵运行费用。
空调风系统的选择
空调风系统：
图书馆中大空间的阅览室主要采用的是全空气系统，新回风管上设计有风量调节阀，可以改变新回风的比例，还可以实现全新风运行从而获得较大的节能效益和环境效益。
空调机组设置在单独的空调机房内，并且设计有排风和新风的全热回收系统，在过渡季节考虑取用室外空气作为自然冷源。
图书馆中的办公室和新建教学楼的办公室部分采用新风+风机盘管方式。
3.2第二次设计：
根据甲方走访和考察许多高校后发现，图书馆设计并安装空调的很普遍，但在实际中使用的却非常少，昂贵的运行费用直接影响了空调的使用。
甲方因此决定取消图书馆的中央空调系统，只是对部分房间（包括电子阅览室，办公室）设计空调，空调面积由原来的18000m2减少到了2000m2。
电子阅览室对外开放实行收费管理制度，舒适的环境必不可少。
另外教学楼部分冬天采用水蓄热方式。
并且要在设计中考虑将设备楼作为今后学生学习和观摩的教学场所。
.1冷热源形式的确定
针对甲方提出的要求，结合其工程特点，空调方式也随之改变。
在满足使用功能的前提下，尽量节省初投资和运行费用。
二三层电子阅览室由于人员比较集中，因此采用定频的一拖二VRV制冷系统，十匹的室外机，五匹的卡式室内机，这种定频机性价比非常高，而且控制和管理灵活方便，可以根据室内负荷的大小开启室内外机运行的台数，应用在电子阅览室中是合理的。
室外机分层设置在二三四层的阳台上，对建筑物的外立面不造成任何影响。
由于电子阅览室人员集中，新风量大，新风负荷大。
新风量的确定要合理，新风量取得过多，将增加新风的能耗。
因此在满足室内卫生要求的前提下，设计中根据规范要求采用20m³/h·人。
电子阅览室设计有排风和新风的全热回收系统，热回收机组设置在单独的机房内，并且所选全热回收机组的全热回收效率不小于60%。
在过度季节考虑取用室外空气作为自然冷源。
对于一二三四层少量的办公室，由于人员流动性大，使用时间差异大，导致负荷变化大，因此要选用一种能随负荷大小及时变化的节能系统。
变频一拖多的VRV制冷系统，负荷控制精确，使负荷能在15%--100%的范围内进行多级控制，电子膨胀阀能随室内机组的负荷变动连续调节制冷剂流量，真正使机组的制冷制热量与空调的冷热负荷相匹配，达到节能和精确控制室温的目的。
一二三四层少量的办公室采用变频一拖多的VRV制冷系统。
有资料显示，与一般的风冷热泵相比可节能30%。
针对甲方提出的设备楼以后要成为学生学习和观摩场所的要求，设计中对于设备用房部分做了精心的调整。
首先，机房中要有足够的观摩空间，由于设备楼已经建成，没有扩展和调整的空间，因此设备的选型非常重要，所选设备外形尺寸要小，结构要紧凑。
通过对教学楼办公部分的逐时冷热负荷进行详细计算后，负荷大小为：
房间名称
建筑面积（m2）
空调面积（m2）
夏季冷负荷（KW）
夏季全日冷负荷（KWh）
冬季热负荷（KWh）
教学楼
23000
5880
890
6870
720
一般工程在设计水蓄热系统时都是设计为全蓄热的方式，但本工程通过技术经济比较后，部分蓄热方式更加合理。
以下为部分蓄热和全蓄热的设备投资及运行费用的比较：
序号
名称
型号及规格
数量
估计（万元）
全蓄热/部分蓄热
全蓄热
部分蓄热
1
电热水机组
制热量：
810KW/540KW
1
25.3
19.6
2
板式换热器
换热量：
950KW/750KW
1
5.5
5.2
3
蓄热罐
140m³/95m³
1
29.8
20.9
4
变频蓄热水泵
流量：
35/25m³/h;扬程20m
2
2.56
2.16
5
热水循环泵
流量：
70m³/h;扬程20m
2
1.96
1.96
6
软水装置
处理量2T/h
1
1.8
1.8
7
软化水箱
1．5m³
1
0.3
0.3
8
软化水补水泵
1．5m³/h
1
0.28
0.28
9
自动控制系统
西门子
1
15
12
设备总价
82.3
64.2
10
安装费估计
设备总计x20%
16.4
12.8
合计
98.9
77
武汉冬季采暖约100天，由于学校在最冷的季节为寒假（约30天），余下的70天中仍有20天为节假日（周末），因此，学校冬季采暖实际使用天数为50天，使用时间短。
部分蓄热方案按设计日全天负荷的2/3考虑，超过2/3设计日负荷的时间不超过20天，在此段时间内白天需开启锅炉4小时，每天运行费用多725元，每年运行费用多1.5万元。
相当于要8年左右的时间收回初投资的成本，回收年限太长。
因此采用部分蓄热，节省初期投资。
冷热源设备的选择
冷源选用一台在标准工况下制冷量为720KW双工况螺杆式冷水机组（机组能效比在标准工况下达到5.0），两台初级溶液泵（一台备用）（流量115m³/h，扬程16mH20）、两台次级溶液泵（一台备用）（流量160m³/h，扬程18.5mH20）、一台补液泵、一个补液箱、一台乙二醇板式换热器（换热量为860KW）、一个74m³的蓄冰罐（蓄冷量为3600KWH），这些设备均设置在设备楼的一层冷冻机房内；并且设备与墙之间均留有2.0m的参观通道。
根据甲方的要求，学生不仅可以参观蓄冰罐外表，还可以看到蓄冰的过程，因此冰蓄冷系统由原来设计的闭式系统改为开式系统，在蓄冰罐的上部设计有一个800x800mm的参观口。
热源选用一台540KW电锅炉，两台冷冻循环水泵（一台备用）（流量130m3/h，扬程30mH20）、两台冷却循环水泵（一台备用）（流量165m3/h，扬程30mH20）、热水循环水泵（一台备用）（流量70m3/h，扬程28mH20）、一台变频蓄热泵（流量25m3/h，扬程20mH20）、软水装置、补水泵在设备楼的二层锅炉房内，两个蓄热罐放置在设备楼与新建教学楼之间的露天平台上。
设备布置紧凑、结构合理，并且管路设计顺畅。
3.2.3控制系统
自动控制系统对蓄冷蓄热系统所有设备进行实时监控；并具有进行系统参数设置、图表显示、报表打印、报警提示等功能，达到科学管理经济运行。
并可通过投影仪输出显示，作为教学手段。
主要包括：
1）优化控制：
根据室外温度、天气预报、天气走势、历史记录等诸多相关因素，自动选择主机优先或融冰优先。
在满足末端负荷的前提下，每天先使用完储存的冷量，尽量减少运行主机。
充分发挥冰储冷系统的优势，最大限度地节约运行费用。
2）运行设置：
运行时间表设置；节假日设置；冷冻水出水（回水）温度设置；制冷主机出水温度设置；制冰结束温度设置；储冰量设置。
3）故障记录、帮助主机故障：
水泵、风机故障；系统故障；各故障帮助（如：
排除和应急处理）。
4）历史记录：
系统负荷；储冰量；融冰量；冷却水进出温度；冷冻水进出温度；谷、峰电耗电记录；电费每日结算和累计。
5）控制策略：
自动根据室外温度、系统运行记录自动选择运行策略；手动即人为设置系统运行策略。
6）储冰量：
显示储冰量；显示储冰速率；显示剩余储冰量；显示融冰速率。
7）末端负荷：
显示末端负荷变化曲线；显示末端瞬时负荷。
8）系统参数：
运行工况；储冰槽进出口温度；板换冷冻水侧进出口温度；冷冻水流量（模拟）；储冰槽乙二醇流量（模拟）；末端负荷；制冰速率；融冰速率；储冰量；阀门开度；设备运转情况等。
9）运行记录：
各工况运行时间段记录；制冰开始、结束记录。
10）传感检测：
选用高精度传感检测元件，保证数据采集准确、可靠。
根据电价政策，为最大限度地发挥蓄冷蓄热系统的作用，使用户在较短的时间内收回比常规空调系统多增加的初投资，配置较完善的参数检测与优化控制系统是一个至关重要的环节。
为了达到上述目的，首先在设计上我们根据该工程的特点，在蓄冷蓄热系统的适当部位设置了温度、压力、流量等参数的检测装置及电控元件，通过采集供回水干管的温度及供水干管流量计上的流量等信息，计算每天及累计加权的空调冷（热）负荷；通过设置电动三通调节阀、电动蝶阀、平衡阀、压差旁通阀等装置，以及模拟控制屏和电脑程序控制系统，采集各种信息，显示、打印每天空调负荷的分布情况及相关信息资料，再根据当天的信息资料预测第二天的运行模式。
这样，整个系统可以在不同环境下对应运行不同的模式，达到节省费用的目的。
几点体会
通过对武汉商学院中教学楼和图书馆两次的空调设计介绍，可以看出第一次是将教学楼与图书馆两栋楼的冷热源集中设置，设计中冷源采用了冰蓄冷+大温差水系统方式、空调末端采用了全热回收装置的节能系统。
第二次设计将教学楼与图书馆的冷热源分开考虑，针对甲方的具体要求，设计方案也重新做了调整。
教学楼采用了部分蓄冷和蓄热方式；图书馆采用了定频多联机和变频多联机结合的空调方式，空调末端也采用了热回收系统。
在两次设计中，对于空调方案的选择都是根据甲方的具体要求，经过技术经济综合评比后确定的最佳方案。
一个项目是否节能，设计是前提、是关键。
作者认为设计人员在设计工程时应该值得注意的是：
1、在确保室内舒适环境的前提下，需要选取合理的室内设计参数，以达到节能的效果。
温湿度取值的高低与能耗多少密切相关，在加热工况下，室内设计温度每降低1℃，能耗可减少5％～10％；在冷却工况下，室内温度每升高1℃，能耗可减少8％～10％。
2、空调冷热源机组的能耗占整个空调采暖系统的大部分，当前各种机组、设备品种繁多又各具特色，必须针对具体工程客观全面地对冷热源方案进行分析比较后合理确定。
3、充分利用冰蓄冷系统提供的低温冷源，采用大温差水系统，降低水泵的运行能耗。
4、变频技术的应用。
变频包括制冷主机压缩机的变频；水泵变频；风机变频等。
此技术的应用必须要有先进可靠的自动控制系统来保证，节能效果是相对显著的。
值得一提的是，近年来，随着制冷机的改进和控制技术的发展，通过冷水机组的水量已经允许在较大范围内变化，从而为一次泵变流量运行创造了条件。
5、热回收技术的应用。
空调区域排风中所含的能量十分可观，加以回收利用可以取得很好的节能效益和环境效益。
6、设置能量计量装置。
它不仅能够降低空调运行能耗，也能够有效地提高公共建筑的能源管理水平。
7、设置先进可靠的自动控制系统。
自动控制系统是建筑节能的保障，它要能够对参数进行自动调节，使之保持在设定值附近。
参数主要包括空气的温度、湿度、压力（压差）等；还包括冷热源方面的冷热水温度、流量和供回水干管的压差、蒸汽压力等。
然后根据相关的数据进行系统工况的转换和运行，合理利用能量，达到节能的目的。
参考文献
《公共建筑节能设计标准》GB50189-2005北京：
中国建筑工业出版社，2005
《中央空调自控系统设计》霍小平北京：
中国电力出版社，2004
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