空调系统节能技术在武汉商学院工程中的应用

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。

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20000m²,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6 ºC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：

冷热负荷：

3.1.2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。

3.1.3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。

3.1.4 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。

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20000m2减少到了2000 m2。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。

3.2.1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20 m³/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：

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：

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。

3.2.2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

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。并且所有的监控都可通过投影仪输出显示，作为教学使用。

4 几点体会

4.1 设计人员在设计工程时，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％。

4.2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。

4.3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。

4.4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。

4.5 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。

4.6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。

参考文献

1.《公共建筑节能设计标准》GB50189-2005

北京：中国建筑工业出版社，2005

许玲，女,1973年10月出生，大学，高级工程师

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