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1、重庆公共建筑中央空调的行为节能研究重庆大学 唐华宇 卢军 摘要: 本文根据重庆地区公共建筑能耗调查的结果，归纳了中央空调系统能耗特点，概括了行为节能的内涵和作用。本文简要介绍了行为节能的技术措施,着重分析不同主体对中央空调行为节能工作产生的影响和作用，得出了现行建筑能耗管理体制无力实现行为节能的结论。本文分析了EMC这一新型能源管理模式，认为EMC是解决现有管理弊端的有效办法。关键词:公共建筑；中央空调；行为节能；EMC1 公共建筑能耗调查概述2005年和2006年,重庆市对数十栋采取电制冷方式的公共建筑进行了能耗调查, 调查结果表明:本市办公室建筑的平均电耗指标在115149 kWh/m2之
2、间，商场建筑的平均电耗指标在259307 kWh/ m2之间，酒店建筑的平均电耗指标在100142 kWh/ m2之间1。在各类型公共建筑中,中央空调系统的耗电量,在总耗电量中所占比例都接近或达到50%(图1)。这充分说明未来重庆市公共建筑节能工作应该从中央空调系统打开突破口。电梯2.1%空调46.7%给排水3.9%照明24.0%其它23.3%电梯及损耗7.7%空调47.2%照明45.1%电梯8.1%通风5.9%办公设备13.4%给排水1.5%照明16.6%空调50.7%其它3.8%图1 重庆市商场（左）、办公建筑（中）和酒店（右）的电耗构成2 行为节能的内涵及意义中央空调系统的用能单位由制冷
3、机组、水系统泵组、末端设备构成。随着季节变化，这些设备参与系统运行的频度不同。以某酒店(图2)为例，其制冷主机和水泵、末端的能耗曲线的变化趋势是不一致的。此外，在同一季节内，不同工作日的气象环境、建筑使用频度所产生的室内总负荷变化和区域负荷变化，都会要求中央空调系统进行相应调整。01000020000300004000050000600007000080000900001000001234567891011照明/电梯/空调风机水泵制冷机单位：kwh12月 图2 重庆鹅岭某酒店2006年全年能耗变化曲线图表1为重庆市10家市级机关办公楼的能耗调查数据。这些建筑竣工年代相近，围护结构条件类似，空调
4、系统都为风机盘管+独立新风形式，选用的制冷主机也都为传统的电制冷型中央空调使用时段较为固定，年运行时间大致相等。但在实际运行过程中，能耗差别显著，最大可相差150%。这说明在硬件技术水平相近的情况下,中央空调系统设备的运行管理行为将是空调能耗的决定性因素。运行管理中可实现的节能潜力,占空调系统运行能耗的20%2。表1 重庆市10家市级机关办公楼的能耗调查数据编号建筑面积采暖空调能耗密度kwh/照明能耗密度kwh/总能耗密度kwh/编号建筑面积采暖空调能耗密度kwh/照明能耗密度kwh/总能耗密度kwh/1178053.3622.01116.6164578103.4115.01152.41224
5、7855.3828.69126.877267140.2712.3182.54359345.6115.04116.788792368.2136.39158.084237844.6624.7699.389312064.4327.39140.655672498.7320.02183.22101575398.5517.92146.35中央空调系统的行为节能就是在不对原系统进行大规模调整的前提下，通过人的主动行为,减少不必要的能源浪费,提高能效比。其实现途径是由管理者根据建筑冷热负荷的实时变化，主动对中央空调用能系统进行合理调配，使能源与建筑的使用达到最佳配比，实现合理用能与舒适的双向满足。达成这一目标
6、需要对中央空调系统进行合理优化和专业管理，包括楼宇结构与用能系统的协调、控制系统与用能设备的协调、用能设备间的协调。行为节能作为一种主动节能模式,其实施效果与各行为主体密不可分。因此它不仅是技术问题，在更高层面上，是一个管理体制的问题。通常与中央空调系统的使用、管理、消费相关的有如下几方:建筑的开发商、设计单位、业主、物业管理部门。尽管在行为节能中起主要作用的是业主和物管,但其它几方对行为节能效果的影响也是不可忽视的。3 中央空调系统行为节能的技术措施3.1 合理设定公共建筑室内温度根据以往研究的结果，重庆地区公共建筑室内空调设定温度与建筑负荷的变化关系如图33：从图中可以看出，在夏季如果把室
7、内设定温度从26改为27，空调负荷可减少5%。可见在重庆地区通过改变室内的空调设定温度具有较大的节能潜力。3.2 适时调节新风与回风的混合比例在冬季和过渡季节，对于那些室内周边负荷影响小而内区发热量较大的建筑，如大商店、会堂、剧场等，室内需供冷风。此时可充分利用室外新风具有的冷量，减少人工冷源的能耗。图4为两种新风策略模拟效果的对比，一种设定新风比从30%到100%可调，另一种设定新风比全年固定为30%。结果显示变新风比方式与定新风比方式相比较，建筑负荷减少了15.1%。图3 重庆市公共建筑空调设 图4 两种新风策略模拟效果对比定温度对建筑空调负荷的影响 3.3 预冷或预热商场、办公楼等建筑的
8、中央空调系统运行属于间歇性质，因此在每个工作日开始前应提前启动进行预冷或预热，以减少制冷机开机电流,降低建筑负荷高峰，控制机组的运行台数。3.4 按照建筑的使用情况调节和维护设备管理人员应勤巡查,注意外门和外窗的关闭，防止漏冷和室外热空气的侵入；随时掌握各用冷(热)场合的具体情况，适时开、停有关风柜、风机盘管等设备；合理调节制冷机组冷冻水、冷却水的流量和压力降；定期对冷却塔和风系统进行清洗。3.5 制冷机组的合理搭配使用多台制冷机的中央空调系统，制冷机的能耗不仅由其本身的特性（满负荷性能和部分负荷性能）决定，还与部分负荷下制冷机间的负荷分配策略有关。在制冷机组选定后，就要寻求一最优负荷分配策略
9、以最大程度的提高整个系统的运行效率。文献4,5以两台相同容量并联运行的螺杆式冷水机组为例，通过比较不同负荷分配方案下冷水机组的能耗，确定最优负荷分配策略。不同控制策略的能耗差别高达14。4 不同主体对中央空调行为节能的影响和作用4.2 开发商开发商对中央空调运行管理的影响在于前期开发中的决策定位。如果建筑竣土后由开发商运营管理，则其必然重视控制运行能耗成本，因此就会重视设备性能、物业管理水平、以及对能耗计量工作。如果开发商与业主分离，开发商为节约成本，往往采用投资小、能效比差的设备；在竣工验收阶段，对设备运转调试工作应付了事，也不考虑能耗计量收费等与运行能耗相关的问题，导致日后设备运行不佳、工
10、作效率低下；以出售为目的的开发方式轻视物业管理的配套工作,导致物业管理与业主方的责权利的关系不清，运行节能得利不明。4.3 设计单位设计单位虽然与中央空调系统的运行管理不发生直接联系，但其对建筑外围护结构和系统的设计，以及设备选型都对将来的运行节能工作起着关键影响。这是因为行为节能不可避免要受到既有硬件条件的制约。由于采暖空调系统对建筑节能的重要性长期被忽视，设备运行的能耗水平不与设计者的收入挂钩，某些设计人员常常选择高功率，高能耗的设备。以重庆某医院为例，根据逐时冷负荷系数法的计算得总冷负荷为690KW。该医院的主要业务是治疗口腔类疾病,病人入住率小,病床床位也少,因此夏季冷负荷随时段波动明
11、显。该建筑使用的制冷机为一台燃油型直燃机，额定制冷量为1740KW，超出实际需要150%。由于未考虑在建筑部分负荷下的运行控制，造成主机长期在低负荷状态下运行，设备效率低。根据校核，该建筑冷冻水泵和冷却水泵需要扬程分别为24.6m和19.6m,而实际选择的扬程分别为38m和50m,各超过需要54%和150%，造成水泵工作点远离高效工作区域。同时由于水流速度快，管理人员不得不关小阀门调节，造成能量的浪费。4.4 业主当建筑竣土交付使用后，中央空调系统的硬件水平已经确定。在行为节能工作中起主导作用的是业主。由于中央空调的能耗水平对运营成本影响巨大，因此业主有节能的意愿，但只有充分认识到节能潜在的收
12、益，并有切实可行的办法时，才会采取行动。调查发现影响业主推进行为节能工作的因素有以下两点：1）运行成本占日常收入比重。根据以往调查的结果显示，在经营较好的情况下(宾馆、酒店的年平均出租率大于75%；商场客流量较好)，商业型公共建筑的能耗支出成本一般占业务总收入的10%到15% (不包括人员工资和设备折旧)。由于直辖以来重庆经济的快速发展，商业建筑利润率较高，建筑设备的运行成本占日常业务收入的比重小，对业主来说，日常设备运行管理成本的重要性相对较小。因此业主往往对设备运行能耗的节能关注程度较低。2）业主对建筑能耗状况的把握。由于大部分公共建筑的缺乏分项能耗计量设备，业主仅了解每年总能耗情况，而不
13、清楚建筑用能的各组成部分所占比例；某些建筑中央空调系统的运行记录不完整或不准确。这些都导致了节能效益不清晰。业主不知道中央空调系统具有的节能潜力，在与物业管理的合作中缺乏节能的指标要求。业主也不知道如何从利益上、工作内容上要求和规范物业管理部门。4.5 物业管理部门行为节能工作的具体实施者是物业管理方，只有业主认可其行为节能措施，并给予适当利益分配，物管部门才会真正有节能的动力。在能耗调查中发现，目前公共建筑中央空调系统的运行管理漏洞很多，与行为节能的要求格格不入，导致了中央空调系统的高能耗。1)由于节能获益分配不明确，物业管理部门仅把保持设施的正常运转，满足用户的使用需求做为工作目标，缺乏主
14、动节能的要求。一线的运行人员的收入固定，只考虑能否按照管理部门的要求开好设备，对操作是否节能不关心。2)由于系统设计不合理，或管理者自身素质等原因，空调控制系统（BAS）在运行时不具备真正意义上的中央空调系统负荷跟踪调定，以及风量水量控制、系统负荷重置等能力。在系统连续运行中，管理者对环境温度变化的跟踪感应能力差，管理人员仍沿用凭经验和感觉的手动控制方式，使控制存在很大的滞后性和随意性。3)末端设备维护不到位，运行效率低，为满足室内环境需求，管理者常使用降低中央空调冷冻水温，或增开制冷机的做法弥补末端缺陷；在过渡季节未及时切换制冷机运行工况，未充分利用室外新风；冷却塔长期不清洗或更换滤料，结垢
15、严重，换热性能下降。4)某些建筑的中央空调运行记录不全或造假现象明显，管理者没有定期进行系统及设备能耗调查的习惯，导致物管不清楚各设备的运行能效。5 EMC对公共建筑中央空调行为节能的作用5.1 EMC的实质EMC（Energy Mechanism Conservation），即“合同能源管理”，是一种基于市场运作的节能新机制。该模式由能源服务单位与客户签定能源项目服务合同，以合同期内客户的节能效益来支付当前的节能项目成本，为客户实施节能项目。 EMC的实质，就是把节能当作一种投资，将埋在浪费中的利润挖出来，使之转化清晰可量化的节能效益,用减少的能源费用来支付节能项目的全部成本和投资回报。通过
16、协议，参与投资的各方可以分享节能效益。EMC在中央空调系统获取节能效益的途径，主要是在系统设计阶段的合理优化，和在系统运行阶段的科学管理。 5.2 EMC在设计选型阶段对行为节能的作用1）EMC模式追求的是节能效益的最大化，设计的合理性直接关系到能源服务方的收益，因此其在设计阶段就必须把暖通空调系统合理化、精细化作为追求，深入的挖掘节能空间。2)在空调系统的设计上，引入一体化设计的理念, 用系统的思维统筹建筑结构与建筑设备的组合,从而打破以往建筑和结构设计处于垄断地位，而建筑设备处于从属地位的格局。3)通过对建筑物负荷的模拟分析，设计者能够合理配置制冷机组及水泵的台数及功率，优化水系统和风系统
17、的设计，使设备尽可能满负荷高效率的运转；采用合理的BAS系统，对制冷机、管道阀门、水泵进行预测控制。5.3 EMC在运行阶段对行为节能的作用5.3.1 能耗监测在EMC模式下,能源服务方和业主的获益来自于能耗费用的减少部分,因此双方都会关注能耗的来源和变化,这就促使双方建立完备的能耗监控和分项计量设施。能源服务方利用网络和通信技术自动收集、储存实时记录的各项能耗数据，并运用数据库及节能软件进行统计分析，最终形成系统及各组成部分的逐月/逐季度/逐年的能源消费数据，和运行能效报告，业主可以充分了解能耗水平和节能潜力，考核服务方的工作绩效。5.3.2 设备管理和运行控制能源服务方为使节能效益最大化，
18、必须采取各种行为节能措施对中央空调系统进行管理和控制，实现系统运行与建筑负荷变化的协调，达到尽量高的能效比。6 结论行为节能是重庆公共建筑中央空调系统节能工作的重要环节。实现行为节能的技术关键是提高系统运行与建筑负荷变化的协调性。当前中央空调的设计、安装、运行管理中，存在一系列制约行为节能的因素，而最主要的因素是节能效益不清晰，节能获益分配不明确，使得设计者、物管和业主都缺乏采取措施的主动性。解决这些弊端的办法是引入EMC模式。该模式是对现有的管理运行体制的重大改革，是促进中央空调系统行为节能的有效途径，具有广阔的发展前景。参考文献1 陈改芳.重庆市公共建筑能耗模拟与节能研究.重庆大学硕士学位论文,2006.16172 何雪冰，刘宪英.中央空调节能有关问题的探讨.重庆建筑大学学报,1999，21（4）：443 王洪卫.重庆市公共建筑空调系统能耗现状及节能技术研究.重庆大学硕士学位论文,2006.66174 Manske KA, Klein SA, Reindl DT. Load sharing strategies in multiple compressor refrigeration systems. In: ASHRAE Trans. 2002, 108:3273335 施灵.多台冷水机组空调系统的优化控制.暖通空调,2005，35（5）：79817