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1武汉地区集中空调系统的设计与运行的分析武汉科技大学胡勇☆李玉云高炜杨运国中南建筑设计院马友才蒋修英摘要通过对武汉市建筑能耗调查与能源审计，分析了武汉市既有集中空调系统的设计、运行现状，给出了集中空调系统的设计、运行的COP值，以及能耗与经济指标。得出了以下结论：集中供热系统的COP值最低，风冷热泵系统的COP值最高（不含地源热泵）；能耗普查的数据仅供参考；在进行空调供暖设计、改造方案分析时，建议采用等价值标煤折算。关键词指标COP等价值为制定武汉市的能耗定额、相关的建筑节能政策与科学管理办法，探讨与研究可行的建筑节能技术。2007年（489栋）、2009年（409栋）对武汉市政府办公楼与公共建筑进行了能耗调查，对23栋政府办公楼与大型公共建筑进行了能源审计，所调查与审计的建筑的空调供暖系统有上世纪90年代建成、也有21世纪建成。1设计现状1.1冷热源表1是武汉市政府办公楼与大型公共建筑的冷热源份额。从表1可知，武汉市政府办公楼与大型公共建筑以电制冷+锅炉为主，占41.84%，其次是分体空调，占30.61%。图1是武汉市政府办公楼冷热源份额。对比表1与图1，政府办公楼采用分体空调、风冷热泵机组居多。武汉地区的冷热源还有地源热泵、蓄热+电制冷、蓄热+蓄冷，但2007年的能耗调查与能源审计未涉及。1.2空调、供暖系统的各子系统功率份额表1冷热源种类及份额冷热源电制冷+锅炉电制冷电制冷+水蓄冷风冷热泵机组溴化锂机组份额41.84%4.08%2.04%9.18%3.06%冷热源蓄冷+锅炉多联机空调+分体空调分体空调，电制冷+锅炉分体空调+风冷热泵机组分体空调份额1.02%1.02%2.04%5.10%30.61%图1政府办公楼冷热源份额图2全空气集中空调系统各子系统功率份额2图4混合式空调系统各子系统功率份额图5半集中式供暖系统各子系统功率份额图3半集中式空调系统各子系统功率份额图6末端为混合型供暖系统各子系统功率份额1.空调系统（1）末端以全空气系统（集中式空调系统）为主。空调各子系统功率份额见图2。从图中可知，冷源系统[1]（冷源、冷却泵、冷却塔）占的份额最大为73.86%；冷冻水输配系统占的功率最小为6.83%。（2）末端以新风机组+风机盘管（半集中式空调系统）为主。空调各子系统功率份额见图3。从图中可知，冷源系统占的份额最大为84.98%；冷冻水输配系统占的功率最小为6.60%。（3）末端以新风机组+风机盘管、全空气系统（混合式空调系统）为主。空调各子系统功率份额见图4。从图中可知，冷源系统占的份额最大为75.16%；水输配系统占的功率最小为8.79%。从图（2）～（4）可知，冷源系统占空调系统中的份额最大。2.供暖系统（空调方式）图5与图6分别是半集中式供暖系统各子系统功率份额与末端为混合型供暖系统各子系统功率份额。从图中可知，热源系统占的份额超过80%，水输配系统占的份额最小。1.3设计指标与参数1.性能参数COP3图7实际运行的COP值表2为既有集中空调的制冷机在额定工况下的COP值现状。从表中可知，螺杆式制冷机与风冷式制冷机的COP均满足公共建筑设计标准，但离心式冷水机组有33.33%不满足标准。2.热源效率所调查的建筑热源一般为锅炉与风冷热泵。锅炉基本是燃气锅炉与燃油锅炉，额定热效率均大于85%。因油价的上涨，酒店的燃油锅炉已基本改造为燃气锅炉，改造后，可节约运行费用约1/3，大约1年多回收投资。3.冷热水系统输送能效比[2]表3为空气调节冷热水系统输送能效比。空气调节冷水系统的最大输送能效比为0.0241，不符合要求的占27.27%。空气调节热水系统的最大输送能效比为0.00433，100%的不符合要求。4.风机的单位风量耗功率本次调查主要是政府办公楼、商场、五星级酒店、写字楼，所计算的风机的单位风量耗功率限值在0.07～0.35范围内，均小于两管制定风量的限值。5.控制方式（1）末端设备以手控为主，部分风机盘管设有温控阀。（2）多数水输送系统定流量运行。（3）风系统基本上是定流量运行。2运行状况2.1空调季节1.制冷机的COP值表4为1999年投入使用的A离心式制冷机组的COP值(测试时间：10月)。从表中可知，部分负荷的COP低于额定工况的COP。图7为2001年投入使用的B三级压缩离心式制冷机组的COP值（测试时间：2007.7.18，室外温度37℃），表2既有集中空调的制冷机在额定工况下的COP值现状类型制冷量COP公建设计标准未满足公建标准水冷离心式冷水机组1406.6～38685.01～5.585.1033.33%螺杆式冷水机组879.2～9144.40～5.264.300.001200～18154.93～5.504.600.00风冷螺杆式348.9～12562.96～3.212.800.00表3空气调节冷热水系统输送能效比ER离心式机组螺杆式风冷热泵范围不符合要求范围不符合要求范围不符合要求ER(冷)0.0214～0.031440.00%0.0214～0.024720.00%0.0187～0.029428.57%锅炉风冷热泵ER(热)范围不符合要求范围不符合要求0.0053～0.0241100%0.0107～0.0214100%※热水温差5℃（风冷热泵）或10℃（锅炉）；冷水温差5℃；在69%～70%。表4制冷机实际运行工况下的COP单台主机负荷率/%304050607080COP2.93.13.413.63.844.2所占份额/%2%20%12%33%20%13%额定COP=5.014从图中可看出，最大COP为5.26，对应负荷率为61%；最小COP为4.61，对应负荷率为65%。虽然负荷率接近，但COP值相差较大。2.空调系统的COP值表5是通过测试和模拟所得到的空调系统的运行COP值。其计算公式如下：空调系统的COP=制冷量/（制冷机输入功率+冷却水系统功率+水输配系统功率+风输配系统功率）3.系统输送在实际调查中，小于ER（冷）限值的系统运行不一定正常。例如，某办公楼的ER=0.0234小于ER（冷）限值，制冷机与冷冻泵的设计配置是1机1泵，但实际运行时，必须1机2泵才能正常工作。2.2供暖系统的COP供暖系统的能效比见表5。A酒店为燃油锅炉，安装在该建筑的地下室；B写字楼为风冷热泵；C办公楼是燃煤锅炉集中供暖，由于锅炉热效率、输配系统的保温等因素，供暖系统能效比仅0.35；D办公楼燃油锅炉，安装在该建筑的地下室；E商场不采暖。3供暖空调能耗与经济指标3.1建筑信息2009年所调查的建筑见表6。累计409栋，建筑面积455万㎡。表62009年所调查建筑的建筑信息政府办公楼非政府办公楼综合楼商场酒店医院其他建筑总和栋数303941620948409面积/㎡21673482643541817197565615581981823034434214553904栋数各占比例/%74.08%2.20%0.98%3.91%4.89%2.20%11.74%100.00%面积各占比例/㎡47.59%5.80%3.99%16.61%12.26%4.00%9.74%100.00%3.2能耗折算系数当量值与等价值的能耗折算系数见表71。当量值又称理论热值（或实际发热值），是指某种能源本身所含热量考虑。在计算能源折算系数时，绝大多数的能源都按当量热值计算。唯有电力采用两种系数。一种是当量热值，当量热值是每千瓦小时电量的含热值（3596千焦/kWh），它可以正确地反映电力工业的加工转换效率，因此世界各国在编制能源平衡表时，都采用当量热值。另一种是等价热值，等价热值是发电时每千瓦小时电量所消耗的能源数量，将生产电力时所消耗的加工转换损失量全部分摊到每千瓦小时电量中（各种能源加工转换中，电力的转换效率最低）。表7能耗折算系数[3]项目电/kWh柴油/kg天然气/m3煤/kg汽油/kg液化石油气/kgkWhkgcekWhkgcekWhkgcekWhkgcekWhkgcekWhkgce等价值10.36194.0261.45713.6751.332.76314.0661.47144.7371.7143当量值10.122711.8611.45719.3081.338.148111.9771.471413.9541.71431建设部.大型公共建筑能源审计导则表5空调系统运行COP建筑A酒店B写字楼C/D办公楼※E商场空调2.72.32.2/2.872.9供暖0.81.90.35/0.54-※集中供热53.3政府办公楼与公共建筑能耗指标1.2007年能源审计结果政府办公楼与公共建筑能耗消耗形式有：电、柴油、汽油、天然气、液化石油气、煤、人工煤气等。（1）能耗指标。表8为2007年能源审计结果。从表中可知，·按等价值折算，空调能耗均大于供暖能耗；·按当量值折算，办公楼、写字楼的供暖能耗大于空调能耗，但中小型政府办公楼与写字楼的逐时动态热负荷约占逐时冷负荷的50%～60%左右；其次，供暖一般采用风冷热泵机组，如果按当量值折算，可得出风冷热泵不节能的结论；·按等价值折算，商场能耗最大；按当量值折算，酒店能耗最大。（2）空调、供暖能耗份额。图8是2007年武汉市政府办公楼与大型公共建筑空调、供暖能耗占建筑能耗的平均份额。由于办公楼和写字楼的用能相对简单，因此，空调、供暖能耗占建筑能耗的份额较大。其中，2006年以前商场原则性不供暖。商场空调能耗的最大份额可达到57.20%；酒店的空调能耗最大份额可达到63.33%；写字楼的最大份额可达到59.27%；政府机构办公楼的份额可达到65.20%。表82007年能源审计结果建筑建筑能耗空调能耗供暖能耗等价值/㎏ce/㎡当量值/㎏ce/㎡当量值/kWh/㎡等价值/㎏ce/㎡当量值/㎏ce/㎡当量值/kWh/㎡等价值/㎏ce/㎡当量值/㎏ce/㎡当量值/kWh/㎡办公楼23.289.8079.837.402.5620.864.872.7222.17写字楼38.1614.02114.2610.973.4127.796.074.1433.74商场78.1226.65217.2032.109.7679.54--36.84酒店68.0033.49272.9817.235.2442.716.365.1341.81（3）2007年能源审计与能耗调查结果。表9是2007年建筑能耗普查结果。表10是审计结果（23栋）与2007年普查结果（489栋建筑）的比较值，从表中可知，被审15.4%，其主要原因之一是：普查建筑所使用能源与面积没有完全对应。表92007年建筑能耗普查/（㎡·a）建筑电/kWh柴油/kg煤/kg汽油/kg其他/m3人工煤气/m3天然气/m3液化石油气/kg居住建筑16.40406.54300.0060.6980.7530.74（a）按等价值折算（b）按当量值折算图8空调、供暖能耗占建筑能耗份额62.2009年能耗调查结果（1）将政府办公楼与公共建筑的能耗按等价值折算，得出2008年政府办公楼与公共建筑的等价值见表11。从表中可知，商场的能耗最大，政府办公楼的能耗最小。表112008年政府办公楼与公共建筑能耗信息（等价值）项目政府办公楼非政府办公楼综合楼(商场+写字楼)商场※酒店医院其他建筑能耗kgce/（㎡·a）21.4724.2490.9867.9555.1846.7663.66空调kgce/（㎡·a）3.674.5515.4912.848.159.4711.92供暖kgce/（㎡·a）3.445.521.258.457.6928.000.67※仅空调费用（2）将政府办公楼与公共建筑的能耗按当量值折算，得出政府办公楼与公共建筑的能耗信息如表12。从表中可知，酒店的能耗最大，政府办公楼的能耗最小。根据2007年能耗调查与能源审计的结果比较可知，由于政府办公楼建筑结构比较简单，能耗调查结果与审计结果比较接近，但其它公共建筑的误差较大，因此，能耗普查的数据仅供参考。3.42007年政府办公楼与公共建筑能源费用指标表13为政府办公楼与公共建筑能源费用指标。从表中可知：·商场仅空调费用就高于其它