波特曼空间式商场空调系统优化及节能研究

摘 要
随着城镇化进程的不断发展，中央空调系统作为其主要标志之一应用越来越广泛，其能耗占建筑总能耗的比例也逐年增加并居于首位。商场空调系统因其本身的特殊性造成商场空调负荷的动态变化，而现代商场的大空间的设计手法使得商场内空调间的温度场和速度场的变化更加复杂，本文主要对带有波特曼空间商场中央空调系统的节能方面做了相应的研究。
本文主要对该空调系统进行优化和节能设计。首先根据商场的实际运行情况确定了商场空调系统的配置方案；其次调研分析了商场空调负荷影响因素，分析并修正了空调负荷的计算公式，采用谐波法计算空调负荷得出本商场空调负荷的动态变化规律。根据空调负荷的动态变化规律模拟了该商场营业时间的负荷分布，提出利用“均值时段”方法来完成冷水机组的容量和配置的优化设计和施工。通过与本工程原始设计数据进行对比分析，本文的优化设计可节约40%的空调负荷，较少5000KW的冷水机组装机容量。
通过分析带有波特曼空间商场建筑的特点，进行波特曼空间周边处的空调系统布置，并根据该商场建筑的实际尺寸建立“波特曼空间”的数学和物理模型，建立5种工况夏季运行情况工况，利用流体动力学分析软件fluent进行数值模拟得出其温度场和速度场云图，并进行对比分析可知，本文给出的空调系统布置方案，根据此结果提出“波特曼空间”的节能措施并进行了理论研究。
该系统适合在大中型商业建筑中运行，本系统已经在衡水市某商场中运行了一段时间，节能效果显著。

关键词 商场；空调系统；冷水机组；优化设计；节能；波特曼空间；数值模拟；

第1章 绪 论
1.1 研究背景
能源是当今社会发展的物质基础，也是实现现代化和提高人民生活水平的重要先决条件，能源短缺被人们称其为带有战略性的问题[1]，长久以来受到了各国的普遍重视。
建筑、工业和交通能耗是能源消耗的三大方面。早在60年代末70年代初，发达国家的建筑能耗、交通（汽车）能耗和工业能耗已经各占其总能耗的1/3左右，因此建筑能耗也开始受到关注。建筑能耗，即维持建筑功能和建筑物在运行过程中所消耗的能量，包括照明、采暖、空调、电梯，热水供应、烹调、家用电器、以及办公设备等的能耗[2]。据2003年统计，部分发达国家建筑能耗占总能耗的比例，如下表1.1所示[3]。

表1.1世界主要国家建筑能源消费比例对比
国家 世界 美国 加拿大 日本 欧洲 非洲 巴西
建筑能源消费比例（%） 25.2 30.7 29.4 28.1 30.8 18.4 18.1

目前我国正处于建筑业高速发展时期，建筑能耗已经占我国总能耗的20%~30%左右[4]，不容小觑。并且，随着我国经济和城市建设不断发展，中央空调的需求量在各行各业中不断增加，使得空调系统的应用日益广泛。各类大、中型建筑中采用的空调系统一般均为中央空调系统，这已经成为现代化建筑重要标志之一，为现在建筑创造舒适高效的工作和生活环境[5]。同时，在建筑能耗中，占比重最大的是采暖和空调。据了解，我国的采暖和空调上的能耗占建筑总能耗的60%—70%左右[6]。而在现代建筑中，其采暖和制冷均由空调系统承担。因此，在建筑节能中，空调系统的节能潜力相当可观。中央空调能耗不仅体现在前期设计和投资费用上，而且还体现在设备在运行过程中的电耗上。
据调查统计，在所有公共建筑中，商场建筑的能耗远远高于其他公共建筑的能源消耗，也就是说，建筑节能中，商场建筑具有最大的节能潜力。
综上所述，空调节能是建筑节能尤其是商场建筑节能的重要研究方向之一，不仅因为其能提高能源的利用率、缓解能源短缺危机，而且能够节约成本投资，还能提高商业建筑核心竞争力，实现利益和经济最大化。更是响应国家节能减排号召的研究重点。
1.2 商场建筑能耗分析
1.2.1 商场类建筑特点
大型商场是公共建筑的一种，一般每天工作12h以上，全年没有节假日[7]。此类建筑与其它建筑相比，有其单独的特点，具体特点如下：
（1）体形系数较小[8]。现代的商场外形大多比较规则，多为块状建筑，其建筑外表面积相对较小。
（2）窗墙比较大[9]。为了满足商场建筑的特殊形象要求，现代商场多采用大面积玻璃幕墙。
（3）空间较大[8]。现代的商场建筑一般属于大空间建筑，主要采用大跨度和多层营业厅等形式的空间结构形式设计手法，体现出现代商场建筑的时代感。
（4）综合性强[10]。现代商场建筑的营销方向趋于多样化，比如超级市场，除了有日用百货外，还有快餐厅、咖啡厅、游泳厅、游乐厅等。
（5）室内布置、布局的多变[10]。商场内的货架、摊位、柜台等的布置根据经营的需要以及季节的变化而进行调节和变化，这也要求商场空调系统具有一定的灵活性。
（6）人员密度大[11]。相比于其他公共建筑，商场建筑的客流一般比较大、流动性也大，尤其是在休息日和节假日，并且一年也有淡季和旺季之分。
1.2.2 商场类建筑能耗构成
对于商场建筑而言，能源的消耗情况非常复杂。建筑的空调、照明、办公设备能耗三者性质不同[12]。应首先摸清商场的分项能耗，才能进一步明确节能的潜力和方向。
清华大学曾经对北京市大型商场的耗电量进行调查研究，其调查结果如下图所示[15]，并指出各各个环节的耗电比例，如图2-1、2-2所示[13]。

图2-1 北京市大型商场的耗电量调查结果

图2-2 商场各环节耗电比例
从上图中可以看出，大型商场建筑的能耗构成主要包括三方面：照明、电梯和空调。其中空调系统所占的比例最大，已经达到50%；其次就是照明系统。并且对于现在的大中型商场建筑来说，由于一些商品对于灯光照度的特殊要求，照明系统的能耗会增加，也就会进一步的增加了空调系统的空调负荷。
杨金凤、李玉云、张春枝[14]对武汉市大型商场能耗进行了调查，对其能耗进行了全年统计，并且对各用能系统进行了分析比较，并且着重对空调采暖能耗进行了分析研究，得出结论：商场每年单位面积能耗以及空调采暖所占能耗比例，各个购物中心夏季能耗较冬季大，其中每个购物中心7、8月份用电量最大，冬季不供暖购物中心空调占总能耗的34%~37%左右。冬季供暖购物中心空调全能耗占总能耗的44%左右。
综上所述，商场建筑的能耗很大比例来源于建筑空调系统，但在商场建筑中，中央空调系统一般采用全空气系统，且空调机组的风机全年运行，耗电量严重。由此可见，商场类建筑的节能重点在于空调系统的节能。
1.3 商场建筑中央空调系统分析与设计研究
在商场建筑中，其空调系统大多采用中央空调系统，且为舒适型空调。
1.3.1 商场建筑中央空调系统的组成
商场中央空调系统一般为全空气系统，在商场空调设计中主要包括冷源、热源、空气的改变和分配系统等部分组成[15]。各个组成部分在空调系统中所发挥的作用是不同的。其中冷源和热源是为了帮助整个空调系统给热和排除热量的，以便更好的控制空调系统的舒适度；而空气的改变和分配系统主要是利用系统中产生的热量和化学物质来改变空气，来达到人们适应的舒适程度的目的，即为空气的调节。
1.3.2 商场建筑空调系统的特殊性
商场空调冷负荷的组成包括建筑负荷、人体负荷、新风负荷、照明和设备负荷等[16]，并且它们也有自身特有的特点。特别是随着人民物质生活水平和购买能力不断提高，大中型商场的不断增多，人们对于购物环境的需求不断提高，暖通空调的应用越来越广泛的情况下，商场建筑空调系统的特殊性也就越加明显。其主要有以下几点表现：
1）灯光和设备负荷
由于商场陈列商品的特殊需要，对光源和灯具有较高要求[17]。除此之外，还会运行其他电子设备，例如音响、电脑等设备；
2）客流量及分布规律
商场的客流量随季节变化明显。每天随时间变化较大，使得商场内的人员全热负荷值波动较大，最大时约占空调总负荷的60%-80%[18]。一般商场的七八月份为营业淡季，春节、五一、中秋以及国庆节前后会出现客流高峰。
3）新风量大
受客流量的影响为了保证商场内的温度、湿度和舒适度的要求，商场中需要补充大量的新风，新风负荷值波动较大，最大时约占空调系统总负荷的30%-40%[19]。
4）业态多样化
商场的业态以及其陈列的商品属性正逐渐趋于多元化[20]，它综合了百货商店、超市、餐饮、影剧院、娱乐中心、办公等功能，流动性大且位置多变。
5）现代设计
常采用“波特曼大空间”设计手法来增加建筑的时代感[21]，但会造成室内流场及温度场的复杂变化。
6）外围护负荷比例小[12]。
大多商场建筑，其外围护结构上的门窗很少且周边的多为办公建筑。窗墙小，因此外围护所引起的空调负荷比例也就较少。
1.3.3 中央空调系统设计的主要内容
中央空调系统的设计主要包括空调系统方案比选，设计计算，设备选型以及施工图绘制。其中：
（1）空调方案的比选[16]：在了解业主的需求的基础上，根据建筑特征，结合国内外相关设计经验和中央空调设计案例向业主建议最合适、最有利的空调方案；
（2）设计计算[23]：主要包括计算空调的热、湿负荷；计算各空调设备热、湿负荷以及送风温差；计算并且确定冬夏季送风状态以及送风量；计算并确定最小新风量；确定空调系统的方式；进行气流组织设计，根据送、回风量确定送、回风口的形式；布置空调风管路，进行风系统设计计算，确定管径、阻力等；布置空调水管路，进行水管路的水力计算，确定管径、阻力等。
（3）设备选型：负荷计算后，可根据计算结果进行设备的选型[24]。主要确定空调系统的空气处理方案，空气处理设备的容量，风机和水泵的流量、风压（扬程）及型号，冷却塔的风量、功率、容量等，并根据确定的空气处理设备确定冷源（制冷机）或热源（锅炉）的容量及水量、功率等；
（4）施工图绘制：风系统以及水系统设计计算完成后，主要绘制风管路和水管路图并满足施工要求。
本文中的商场空调优化主要包括：各空调区冷负荷及新风负荷的校核；制冷主机总负荷选型；热源设备选型等方面。
1.3.4 商场建筑空调系统在设计和运行中存在的主要问题
据调查研究，空调的设备绝大部分时间都是在远低于额定负荷下运转[25]，并且在一年之内的空调负荷分布是非常不均衡的。其中：设计负荷只占空调系统全年总运行时间的6%-8%左右；但是中央空调系统全年有近一半的时间是以50%~75%的负荷率在运行，满负荷运行的概率只有不到10%，比例很小。详见表1-2所示[26]：
表1-2 空调系统实际运行负荷率全年分布情况
冷负荷率（%） 75~100 50~75 25~50 <25占总运行时间的百分数（%） 10 50 30 10由上述数据分析可知，现有的建筑中央空调系统在设计和运行中存在一些问题，主要有一下几点：（1）由于在目前空调设计中，对于建筑物的空调负荷是按照最不利情况下计算的，在确定冷源设备容量时一般都考虑最不利情况并且附加一定的安全余量[27]，在设备选择时，又总是向设备容量大的一档靠近。（2）我国现行的节能标准及规范，虽为设计人员提供可行的依据，但是由于各类建筑都有各自的特点，设计人员对项目的认识不足，缺乏现场数据[28]。比如：商场类建筑人流高峰时期与夏季天气最热的时期不重合，负荷最大值不是出现在夏季天气最热的时期，再根据标准或规范计算，就会出现实际情况与设计参数不符的情况，造成设计空调负荷偏大，导致能源的浪费。（3）在实际运行中，由于受气象条件、人流密度、使用功能等因素的影响，在大多数运行期间，空调实际负荷均小于设计负荷[29]。制冷设备组合方式不好造成制冷设备经常在部分负荷下工作，效率降低，造成整个空调系统的能源浪费。（4）传统百货商场百货形式的经营，大部分都是使空调系统一开全开，大多采用AHU定风量系统，未安装自控装置，末端可调节度差[10]。个别采用了自控措施且调节水平较高的建筑，其空调效果要明显好于自控程度较差的建筑，而且节能效果明显。因此，在建筑空调系统节能问题中，首先要从优化设计和节能运行等方面考虑，是商场类建筑节能的一个十分重要的研究方向。如果我们能合理的计算空调系统的设计负荷以及设计空调系统的风系统和水系统，使其接近满负荷运行的概率增加，这样就能在很大的程度上提高中央空调系统的节能效率。1.4 国内外研究现状商场建筑节能技术因其巨大的经济效益和社会效益，受到广泛的关注。许多公司与科研工作者对商场建筑节能技术进行研究，已经经历了多次技术改革和革新。1.4.1 建筑能耗及节能研究现状建筑节能的研究从上个世纪就已经开始了，世界各地的专家和学者们在建筑节能方面进行了很深入的研究，并取得了客观的研究成果。5.6 本章小结本章通过PROE、ICEM和FLUENT流体模拟软件对波特曼空间建立物理模型，并且比较详细的描述了建模的过程，解释了本模型划分网格和收敛的原则。通过第二章中设计的空调负荷，送风温度、速度等数据，进一步整理得到模型的边界条件。建立不同参数的夏季工况，进行对比模拟，最后，利用Tec plot后处理软件得到四种不同工况条件下的温度场和速度场云图和相关数据。