商场建筑中央空调系统提前启停运行策略研究

赵树兴 常平

天津城建大学能源与安全工程学院

在整个社会能耗中，建筑能耗已占到30%左右，而其中空调能耗占空调建筑能耗的60%左右[1]。然而，现有中央空调系统在间歇运行中常因缺乏必要的运行策略和管理，致使中央空调系统没有充分利用建筑本体蓄能特性，造成能源浪费。因此，研究建筑蓄能特性具有节能意义。因而，考虑建筑本身蓄能特性对室内温度的影响及其室内的热舒适性，在商场营业开始和结束时刻提前启/停中央空调系统，保证上、下班时商场内的室温达标的同时实现节能。本文以夏季北京某商场建筑中央空调系统为例，根据商场营业时间，结合北京市的气象数据和商场建筑结构、内部电器能耗及人流情况建立仿真模型来研究商场建筑中央空调系统提前启停时间和系统能耗，并给出相应的节能运行策略。

1 商场建筑中央空调仿真模拟平台构建

本文的建筑模型是北京某商场建筑，总建筑面积为1820.9 m2，建筑层高为4.2 m，建筑南向为玻璃幕墙，建筑一层包括4个空调区和一个非空调区，空调区的设备、灯光、人员负荷以及围护结构参数参照《北京公共建筑节能设计标准》[2]中商业建筑的规定值选取。空调正常运行时，室内温度设定为26～28℃。模拟选用第一层的中央空调系统（其所控制的区域面积为332.7 m2）为研究对象。首先构建建筑模块，在TRNSYS[3]_3D中建立三维模型，导入TRNBulid中，在TRNBuild子程序中输入围护结构参数、人员[4]、室内负荷、内热源和运行时间表等，最终将TRNBuild生成的文件导入TRNSYS中的Multi-zone模块，形成建筑模块。然后构建商场建筑中央空调系统仿真平台，其中中央空调系统主要由冷冻水循环系统、冷却水循环系统及风系统组成，中央空调系统设备模块与建筑模块和气象参数模块等构成闭环反馈系统，所搭建的仿真平台如图1所示。

图1 商场建筑中央空调系统仿真平台

2 仿真模拟与分析

仿真模拟时间为夏季空调的运行期，即七月的第一个时刻至八月最后一个时刻，总共为62天。为便于研究商场建筑中央空调系统提前启/停时间，本文引入了商场营业开始时刻室温达标率ψ1和结束时刻室温达标率ψ2，其值分别为商场营业开始时刻和结束时刻室内温度tn≤28 ℃的天数与空调期总天数的比值[5-9]。即：

式中：n1为营业开始时刻室内温度tn≤28 ℃的天数；n2为营业结束时刻室内温度tn≤28 ℃的天数；N为空调运行的总天数为62天。

2.1 提前启/停必要性探讨

本文把商场中央空调系统不提前启/停机方案作为基准方案，即正常营业时间（09∶00～21∶00）作为中央空调系统启/停时间。利用仿真平台对基准方案进行仿真模拟，得到基准方案下开始营业时刻室温达标天数n1与达标率ψ1，详见表1。

表1 基准方案开始营业时刻室温达标天数n1和达标率ψ1

从表1可以看出，夏季空调期内采用基准方案运行时，开机时刻（即开始营业时刻）室内温度的达标率很低，所以有必要提前启动空调系统。基准方案下某几天的室内温度变化情况如图2所示。

图2 基准方案下室内温度变化

由图2可以看出，室内温度随空调系统启停控制信号呈阶跃变化。在控制信号由0→1后，室内温度降低到达标温度时存在滞后现象。因此，为使开始营业时刻室温能达到目标温度，需要提前开启中央空调系统。同理，在商场结束营业之前，可以采取提前停机措施来实现节能。

2.2 提前启/停时间分析

究竟提前多少时间开机和停机刚好使营业开始和结束时刻室温为28℃，并且在保证室温达到目标温度前提下实现最大限度的节能？本文针对此问题进行了模拟分析。本文利用仿真平台，模拟了基准方案下室温变化情况，表2给出了空调运行期中的8月26日开机后和停机后一段时间的室温变化情况。

表2 某一天开机和停机后一段时间的室温变化

由表2可知：当空调系统在营业开始时刻开机时房间温度为 30.68 ℃，经过18分钟室温降低到28.15 ℃（接近28 ℃）；当空调系统在营业结束时刻停机时室温为25.51 ℃，经过24分钟室温才升高到27.89 ℃（接近 28 ℃）。

进一步分析其他天数的模拟结果表明：在整个空调期内，开机后能使室温达标所需要的最长时间约为18分钟；停机后室温回升到28度所需要的最长时间约为60分钟。所以，本文预设最大提前开机时间为18分钟，最大提前停机时间为60分钟，并以此来划分提前启/停运行方案和开展相关模拟研究分析。

2.3 提前启/停方案探讨

2.3.1 提前开机运行方案

考虑模拟时间步长和最大预设提前开机时间，本文拟定了四种提前开机运行方案，详见表3。

表3 四种提前开机运行方案

利用仿真平台，对上述四种提前开机运行方案在营业开始时刻室温达标天数n1、达标率ψ1进行了模拟分析，结果见表4。

表4 四种提前开机运行方案的n1、ψ1值

由表4可知：对于模拟建筑，当空调系统在营业开始时刻（9∶00）开机，只有11天室温达标；随着提前启动的时间τ1增加，室温达标天数n1和达标率ψ1都随之增大；当空调系统提前18分钟开机时，在营业开始时刻，室温能全部达标（≤28℃）。

对模拟数据做进一步分析表明：影响提前开机时间的主要因素是开机时刻的室内温度，并且对应某一提前开机时间存在一个开机时刻允许最高室温tn.max，也就是能使营业开始时刻室温刚好达标的提前开机时刻所对应的最高室温。四种提前开机运行方案的开机时刻允许最高室温tn.max，见表5。

表5 四种提前开机运行方案的开机时刻允许最高室温tn.max

由表5可以看到：提前开机时间随着开机时刻允许最高室温tn.max升高而增加，两者近似呈线性关系，见图3。

图3 提前开机时间τ1与开机时刻允许最高室温tn.max的关系

2.3.2 提前停机运行方案

提前停机运行方案的起始时间设定为8∶42，以能保证在营业开始时刻室内温度均能达标。考虑模拟时间步长和最大预设提前停机时间，本文拟定了十一种停机运行方案，详见表6。

利用仿真平台，对上述十一种提前停机运行方案的室温达标天数n2、达标率ψ2进行了模拟分析，结果见表7。

表6 十一种停机运行方案

表7 提前停机运行方案的n2、ψ2值

由表7可知：对于模拟建筑，当空调系统提前6分钟停机，整个空调期内营业结束时刻室温均能达标（≤28℃）；随着提前停机时间的增加，营业结束时刻室温达标天数n2和达标率ψ2均随之减小；提前60分钟停机时，只有1天室内温度能达标，达标率仅为1.6%。

对模拟数据做进一步分析表明：影响提前停机时间的主要因素是停机时刻的室外温度，并且对应某一提前停机时间存在一个停机时刻允许最低室外温度Tout.min也就是能使营业结束时刻室温刚好达标的提前停机时刻所对应的最低室外温度。十一种提前停机运行方案的停机时刻允许最低室外温度Tout.min，见表8。

表8 十一种提前停机运行方案的停机时刻允许室外温度Tout.min

由表8可以看到：提前停机时间随着停机时刻允许最低室外温度Tout.min增加而降低，两者近似呈线性关系，见线图4。

最低室外温度Tout.min的关系

2.4 提前开停机节能性分析

2.4.1 提前开机节能性分析

利用所搭建的仿真平台通过调节提前开机时间，对四种提前开机运行方案的系统能耗进行了模拟分析，模拟结果见表9。

表9 四种提前开机方案的总能耗

从表9可知，四种提前开机方案的总能耗随着提前开机时间的增加而增加，当按方案A3运行时，系统总能耗最大。

由前面的表5可知，在整个空调运行期内，不是每天都需要提前18分钟启动空调系统，若在运行期62天内空调系统采用组合提前开机运行方案，即按方案A0至A3分别运行11天、21天、27天和3天，则组合运行方案能耗测算结果见表10。

表10 按组合提前开机运行方案的总能耗测算

表10表明，在运行期62天内，按上述四种运行方案组合运行要比单纯按方案A3（均提前18分钟）运行节能4.39%。在模拟中，由于时间步长设置为6分钟，因此，上述运行方案提前开机时间的间隔均是6分钟。在实际运行中，如果每天都按实际情况适时确定合理的提前开机时间，其节能效果会更好。

2.4.2 提前停机节能性分析

利用所搭建的仿真平台，通过调节提前停机时间对十一种提前停机运行方案的系统总能耗进行了模拟研究，其模拟结果见表11。

表11 十一种提前停机运行方案总能耗

由表11可知，随着提前停机时间的增加，系统总能耗呈递减趋势。当提前60分钟停机时，空调系统能耗最低。

由前面表6可知，在空调运行期内，不是每天都能提前60分钟停机运行，若在运行期62天内空调系统采取组合提前停机运行方案，即按方案B1至B10分别运行 1天、8天、10天、21天、9天、7天、3天、1天、1天和1天，则其组合运行方案的能耗测算结果见表12。

表12 按组合提前停机运行方案的总能耗测算

表12表明，在运行期62天内，系统按上述组合提前停机运行方案比不提前停机运行方案（方案B0）要节能3.67%左右。在模拟中，由于时间步长设置为6分钟，因此，上述运行方案提前停机时间的间隔均为6分钟。在实际运行中，如果每天都按实际情况适时确定合理的提前开机时间，其节能效果会更好。

3 结论

1）对于商场建筑中央空调系统，合理确定提前启/停机时间，能在保证营业时间室温达标的前提下实现节能。

2）提前开机时间主要取决于室内温度，并随开机时刻的室内温度的升高而增加，对应于某一提前开机时间存在一个提前开机时刻允许最高室内温度，两者之间近似呈线性变化关系。

3）提前停机时间主要取决于室外温度，并随停机时刻的室外温度的升高而减小，对应于某一提前停机时间存在一个提前停机时刻允许最低室外温度，两者之间近似呈线性变化关系。

4）就具体的商场建筑中央空调系统而言，由于每个建筑的蓄热特性不同，其提前启/停时间随室内温度和室外温度的变化规律也有所不同。对于具体的空调系统可根据运行期内自动监控系统采集的数据或人工逐时记录的室内外温度获得具体提前启/停时间与室内温度和室外温度的变化规律，进而利用此变化规律快速预测提前启/停时间，指导实际运行，实现节能。