公共建筑暖通空调自动系统与节能运行

黄亚林

（武汉市政工程设计研究院有限责任公司，湖北 武汉 430021）

1 公共建筑暖通空调自动系统设计的原则

1.1 日常舒适的原则

公共建筑的设计主要的目的就是为了更好地服务于人民。特别是随着当前人们对生活物质的需求日益提高，公共建筑既要具备较好的采光，同时，色彩搭配也要符合人们的审美要求，保证环保健康，这也是人们对公共建筑最根本的需求。为了达到以上目标，公共建筑暖通空调设计人员要进行综合考虑，在将能源消耗降低的同时，重视室内温度、湿度的合理性，增强人们的舒适感。

1.2 节能原则

社会的快速发展，经济的不断增长，暖通空调系统不管是在结构方面，还是在设计上，对能源的需求量较多，而由此引发的环保问题也日益突出。所以，设计人员要对暖通空调系统工作原理、功能性充分了解，坚持绿色节能设计理念，对温度进行调整，在保证系统功能充分发挥的同时，将能源消耗降到最低值，以免暖通空调运行时大量能源的损耗，减少资源的浪费。在具体设计环节可以使用高效节能的技术及设备，制定完善的方案，科学合理简化整个系统流程，在施工成本方面严格控制。

1.3 合理性原则

公共建筑暖通空调自动系统设计过程中，因地制宜以及合理性是保证方案高效实施的基础。设计方案时，要对设备安装条件、环境等系统化地分析，具备环保性、合理性、可行性，保证绿色环保理念全面落实。

2 公共建筑暖通空调自动系统与节能运行案例分析

2.1 案例工程概况

为了更好地了解当前公共建筑暖通空调自动系统设计以及节能运行的具体情况，针对某大型商场暖通空调系统设计进行了分析，此商场在具体建设过程中，结构安全等级是1级，建筑面积是50.01万平方米，占地面积是28.367万平方米，整个商场建筑总高度达到了98.79m，每层高度是3m，建筑整体为剪力墙结构，在建筑外部位置增设了幕墙。

2.2 空调冷热源系统

在对负荷进行计算后，此商场空调温度覆盖面达到了25.33万平方米，最大冷负荷高达9155kW，空调计算后的最大热负荷为371kW。空调冷源主要是由多个机组共同完成，其中主要包括离心机、螺杆机、热泵除温机等，保证制冷系统的高效、稳定、灵活运行。冷却塔使用的是横流式玻璃钢，同时，水冷螺杆式-水热泵机组有热回收功能，如果机组出现超负载运行，可免费使用1288kW×2热量的热水。空调热源使用的是空调热水锅炉，制热量达到了2330kW。空调板式换热器换热量为2880kW，供回水温度可以达到60℃左右。

2.3 空调水系统

在建筑顶楼、裙楼处安装了空调冷热水系统，主要使用的是两管制一次泵变流量系统，顶楼使用异程回水的方法，裙楼应用的是支管同程回水方法。通过一次泵变流量系统调整冷热水，冷冻水供水以及回水总管道位置设计了流量控制器，在冷却水使用时，由变频变流量及时控制。冬季空调热水使用变频变流量来进行控制，同时，将智能控制器安装在锅炉上，供水时的温度、流量可以在合理控制下调整，确保锅炉供热量、建筑需要的热量始终保持一致性。

2.4 空调风系统

在大厅、商业区等一些较大面积的场区内，会使用全空气空调系统，气流组织设计成顶送、侧送，回风较为集中。立柜式风机使用的是变频风机，风道安装了低速单风道定风量系统，在回风管的位置安装了电动对开多叶调节器，日常将新风及回风对开调节器打开，在冬季或者夏季的时候，结合送风温度对电动二通器进行合理调节，同时以CO2浓度作为重要参考对阀门进行自动调节，如果处于季节过渡段，可会将全新风运行模式开启。针对一些较小面积的区域，使用的是风机盘管与独立新风系统相结合的方法，将电动二通阀安装在回水管上，上面送风，下面回风。

2.5 空调自控系统

空调自控系统中主要包括通风、空调系统冷源、空调机组与新风机组、空调系统热源四部分。其中通风系统具备控制通风机启动与停止、显示风机运行情况以及故障；空调系统冷源系统中，制冷机房会对情况实时显示，运用传感器及时找出问题，发出故障信号；记录冷水温度、压力以及流量，冷水泵变频变流量主要是由流量旁通阀控制器进行控制；空调机组与新风机组主要控制风机变频，将不同空调机组参数情况显示，如果发现问题会在第一时间将故障查出；空调系统热源方面主要控制锅炉出水的温度，掌握设备温度、压力、流量等数据，进而控制系统分台数，流量以及热量数据的显示、记录主要是由锅炉智能控制器完成，在冬季，如果室外空气温度发生了变化，热水泵变频变流量会及时进行调节，进而保证锅炉内供热量和建筑物需要的热量保持统一。

3 公共建筑暖通空调自动系统节能设计措施

3.1 精确负荷计算

在对公共建筑暖通空调自动系统的设计过程中，应该将室内空气温度以及温度相关参数作为重点，在将这些数据确定后，才能保证负荷计算更加精准。夏季，如果室内温度降低了1℃，冬季室内温度上升1℃时，便会增加公共建筑暖通空调成本，大约在6%左右，同时，能源的消耗大约会增加8%左右。所以在夏季时，有效调节室内温度是可以将能源消耗控制在合理范围内的，具体计算时可采用以下公式：tn=22+(tf-21)/3，公式中所提及的tf指需要计算的区域在夏季的时候室内温度数值。如果tf=32℃的时候，将其带入公式进行计算，进而得出了相应的等式tn=22+(32-21)/3=25.6℃，由此可以得出公共建筑暖通空调自动系统若是调节到26℃是最佳的状态，并且符合国家所规定的《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》，在此规定中明确指出了夏季温度保持在26～28℃。为确保公共建筑暖通空调系统节能设计的科学性、合理性、高效性，要以公共建筑舒适度作为重要基准以及前提条件，在夏季合理选择上限值，而在冬季则要科学选用下限值，以此为重要标准，严格调节以及控制空调系统，优化温度及湿度参数，在湿度计算方法的选择上要合理，避免出现环境、空间需求与能源使用不匹配情况的发生。

3.2 优化变水量系统

在科学技术的快速发展背景下，变频技术逐渐趋于成熟，应用的范围也越来越广，特别是在空调系统水系统水泵中发挥了非常重要的作用。冷水机组常使用于要求制冷量较小的空调系统内部。当前变水量系统创新与优化以及在节能方面的作用还有很大的提升空间，由于受到多种因素的影响，只有部分空调使用了大型冷水机组变频，所以要想实现空调系统内部节能设计的不断优化，可将重点放在机房设计方面，比如，将冷冻水大温差能耗量降低，可以采用水泵定律，在对冷冻水大温差能耗进行分析的时候，结合水泵定律，将能耗功率和水量保持立方比，水泵扬程和水量则保持平方比。功率、水量、扬程间关系则表示成：

式中，Y表示的是水泵扬程；L表示的是水量；G表示的是功率。结合流量和温差呈现一次反比，进而得出了：

式中，C表示的是水温差。

通过以上公式进行推导后可以看出，如果水温差较大，那么能耗量会降低。所以，在对暖通空调系统节能进行设计的过程中，可采用进水口、出水口温差的有效控制，或者对水量进行控制，都能够达到节能减耗的目换。

在公共建筑暖通空调自动系统节能设计时，为了能够大幅度地将局部阻力减少，实现能源节省的目标，也可借助高效机房设计、水泵管路布局的合理调整，将水泵扬程减少。通常情况下，水泵扬程极易受到水头、水流管道、局部阻力等损失以及自由水头、吸水自然高差等诸多原因的影响，具体的计算公式如下所示：

式中，H表示的是扬程，h1表示的是水头损失，水流管道损失则是用h2表示，局部阻力损失用h3表示，自由水头用h4表示，吸水自然高差用h5表示。

通过对数据进行相应的分析，公共建筑暖通空调节能设计时，要坚持经济实惠、适用、环保的原则，整体调整h3，在对水泵管路视角进行调整后，同样也能够将局部阻力损失降低。

3.3 优化变风量系统

变风量系统主要是对公共建筑空间内风量、系统内总风量进行改变，采用此方法，保证空调输送的风量满足需求的基础上，降低暖通空调系统内总风量，进而实现节能降耗、设备投资节约、系统运行成本降低的目标（具体见图1所示）。在公共建筑暖通空调自动系统中会需要大量电能给予支持，而变风量系统的优化能够节约电能。可以运用压力无关末端装置方法，将测量装置装在末端，当室内温度发生变化时，不会对风阀开度带来影响，而会对风量设定数值进行修正。而风阀的调整以实际测量的风量、风量设定值为重要依据，如果某一区域内风量受到风道压力影响发生变化的时候，末端控制装置会对风阀进行自动调节，确保原风量作用下风道压力不会波及房间温度。

图1 变风量机组控制示意图

3.4 引进变流量节能系统

在公共建筑暖通空调自动系统设计时，大多数都会使用中央空调，而7℃是中央空调冷水机组冷冻水供水温度最佳数值，设置时不要太低或太高。如果中央空调温度在9～10℃，公共建筑中室内舒适度变化不会太大，但能够降低冷水机组能耗。5℃是中央空调供回水温差最佳数值，可灵活调节至8℃左右，流量、温差保持反比例，如果流量小则选择的温差要大，以免大流量时出现小温差运行情况。32℃是中央空调冷却水进水温度最佳值，可自由调节在24～32℃，不得超出32℃。目前，公共建筑中暖通空调设计中，要保证温度、节能需求，就要结合运行试验情况，对不同机组进行选择，确保空调内冷却水进水的温度，同时，在冷水机组处于合理温度时COP值是最高的。将5℃设定为冷却水进出口水温差最佳值，45Hz设定为不同变频器上限，30Hz是不同变频器下限。如果空调冷水机组冷冻水供水量比最小流量要高，那么表明变频器下限频率设计是合理且高效的。中央空调符合公共建筑节能减排要求，但是，需要重视变频器运行过程中频率的设计，在保证运行安全平稳的同时，达到节能目的。

4 结语

一般情况下，公共建筑中划分的区域较多，所以结构设计复杂，空调系统设计方面较为集中，这也在很大程度上在施工环境方面的要求提高了。所以在暖通空调自动系统设计过程中，应该合理使用资源，坚持环保理念，严格控制能源的损耗，通过更加精准的计算负荷，不断优化变水量、变风量系统的同时，强化日常管理，引进变流量节能系统，在保证为人们带来舒适环境的前提条件下，实现节能环保、减能降耗的目标。