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北京市大型商场用能现状与主要节能策略清华大学魏庆芃，张晓亮，王远，王鑫，江亿摘要：本文从统计数据和实测结果出发，总结北京市大型商场这类建筑的能耗现状及用能特点。并针对空调系统这一商场节能重点，分析空调箱风机变频、充分利用新风这一免费冷源、以及避免冷热不均等主要节能策略的效果。关键词：商场节能现状风机变频背景大型商场作为公共建筑中的一种，由于建筑面积大、客流密度和各种照明、电器密度高，多采用中央空调系统对商场温度、湿度进行控制，能量传输距离长、能量转换设备多，以用电为主，冬季采暖耗热量很小。大型商场一般每天运行12个小时以上、全年基本没有节假日，因此，与其他大型公共建筑或中小型商场相比，大型商场单位面积耗电密度高、全年总耗电量大，节能潜力巨大，因此是研究重点。下图为宾馆饭店、办公写字楼和商场等三类大型公共建筑的年耗电量多样本散点图（数据来自中国建筑能耗信息网）。图1各类大型公共建筑年耗电量散点图由图1可以看到，在相同建筑面积下，商场类建筑的年电耗远高于其他几类大型公共建筑。对宾馆饭店、商场、写字楼办公楼三种类型建筑年电耗数据值进行单位面积的平均值比较，如图2所示。可以看出，商场类建筑单位面积全年耗电量接近200kWh/m2.a，几乎是宾馆饭店和办公写字楼的两倍。1不同类型建筑平均单位面积全年耗电量050100150200宾馆饭店商场写字楼办公楼kWh/m2.a图2不同类型建筑单位面积平均全年耗电量1.北京市商场用能现状1.1.总电耗分析北京市大型商场耗能、特别是耗电量大、密度高，因此，近年来科研机构、节能管理部门多大型商场进行了多次的能耗调查。例如，清华大学对北京市十个大型商场的能耗调查结果如图3所示[1]。可以看出，各商场相互之间用电量差异较大，单位建筑面积全年总耗电量为210～370kW.h，电耗高的商场用电量是电耗低的商场的近两倍。北京市大型商场单位建筑面积全年总电耗(kW.h)010020030040012345678910商场编号图3清华大学对北京市大型商场耗电量调查结果2005年初，对北京市13家大型商场进行了调查，得到其单位面积总耗电量和全年用水量数据如图4所示。205010015020025030012345678910111213商场序号kWh/m2.a05101520253035万吨单位面积全年耗电量全年耗水量图42005年大型商场能耗调查比较同样可以看出，所调查的各商场相互之间用电量差异较大，单位建筑面积全年总耗电量在140～285kWh之间，电耗高的商场用电量仍然可以达到电耗低的商场两倍左右。用水量差异更为明显，从5吨到30吨不等。上述差异表示北京市大型商场存在着巨大的节能潜力。1.2.分项电耗分析对于商场来讲，空调系统和照明系统是其能源消耗比重最大的两部分。调查得到北京市各大型商场的各用电设备系统耗电量的份额如图5所示。其中，空调系统所占比重最大，达到50％；其次为照明系统，电耗达40％；其余10％为电梯。空调50%照明40%电梯10%节能灯52%荧光灯30%白炽灯3%其它15%图5商场各环节耗电比例图6所调查商场各类照明灯具总安装功率比例大型商场的照明系统耗电量主要与各种灯具的安装比例有关。图6给出2005年初调查各商场中各类照明灯具的总安装功率比例。可以看出，大型商场照明系统普遍采用节能灯和荧光灯加电子镇流器作为光源。但是某些柜台由于陈列商品的需要，增强了一些照度极高的其他类型灯具，这样就造成了室内照明强度和功耗密度的增加，也增加了空调负荷。1.3.空调系统分项电耗商场空调系统的能耗大主要由其负荷状况决定。一些商场建筑的围护结构采用玻璃幕墙等热量易穿透材料构建，通过围护结构进入室内的冷负荷十分巨大；由于商品展示等要求，3室内照明及商品照明负荷大，而且持续时间长；此外，商场人员密集，来自人体的全热负荷成为商场空调系统负荷的一个很重要部分。商场建筑的热湿负荷密度大，导致商场空调系统夏季开始运行日期相对于其他建筑空调需提前，而且，由于大型商场内区大、室内发热量高，冬季甚至也需要供冷。因此其空调系统能耗比重较大。调查中各大型商场的空调系统各设备耗电份额如图7所示。图7商场空调系统各设备耗电比例其中，冷冻机电耗占23％，冷冻泵、冷却泵和冷却塔等水系统电耗合计占11.6%。由于大型商场基本采用全空气空调系统，而空调箱风机全年运行，因此商场空调系统中空调箱风机电耗所占比重最大，达到了该商场空调系统总用电的65.4%，浪费最严重、节能潜力最大。因此，大型商场节能的关键环节是空调风系统。2.北京市大型商场空调系统主要节能策略和手段北京市大型商场节能涉及的环节和方面较多，问题较复杂，其中的关键环节是空调系统、特别是风系统。相应的空调系统节能策略和手段包括：空调箱风机变频调节，利用新风冷却，以及商场不同空间风压控制以避免冷热不均等三方面。2.1.空调箱风机变频调节（1）系统现状北京市某大型商场建筑面积约51万m2，空调面积约38万m2，冬季采用燃气锅炉采暖，夏季以离心式冷机为冷源，采用定风量全空气系统，共有不同型号的空调箱530台，各型号的空调箱台数及其风机功率情况统计如表1所示：表1空调箱风机功率规格统计功率(kW)301512118.87.57.25.53.632.42.21.81.60.8台数3381222912128452125315647整个建筑的全年用电情况如图8所示，空调系统各部分的能耗如图9所示：402004006008001月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月用电量(万kWh)照明及其他空调电梯图8某大型商场各月电耗统计风系统,73.2%冷机,17.7%泵,8.0%冷却塔,1.1%图9某大型商场空调系统各部分的能耗整个建筑的年平均耗电为181kWh/m2（以空调面积计算，下同），其中空调系统耗电为82.7kWh/m2，占了整个建筑电耗的45.9%。通过调研发现，在夏季，空调系统耗电中有超过60%为风机耗电，而冬季由于采用了燃气锅炉，该比例更是超过了90%。全年统计下来，为其中风机能耗约为60.5kWh/m2，约占总空调电耗的73.2%。（2）变频调节的可行性造成上述大型商场空调箱风机电耗巨大的主要原因是，空调系统采用定风量系统，风机并没有根据商场中的负荷变化而调节。而商场中人流密度的变化较大，因此最有效的节能方案之一就是采用风机变频控制调节策略，将定风量系统改变为变风量系统。采用风机变频控制调节时，在保证送风温度和室内温度不变的前提下，当室内负荷为最大室内负荷的一半时，风机的风量可以降到额定风量的50%，风机电耗可以降到其额定功率的1/8，具有极大的节能潜力。通过模拟计算，可得到该商场全年的逐时室内负荷曲线如图10所示。可以看出，商场全年需要空调制冷，负荷变化不大。5020406080110012001300140015001600170018001时间(小时)逐时室内负荷(W/m2)图10某大型商场全年逐日室内负荷曲线以某两日为例，其逐时室内负荷变化如图11所示。可以看出，由于人员数量的变化，空调系统一日之内负荷变化较大，空调箱风量应相应地进行调节。051015202530354045161116212631364146时间逐时负荷(W/m2)图11某大型商场某两日逐时室内负荷曲线若保证送风温度不变，通过变频器调节风量，可分别计算得到上述两日内定速风机和变频风机的逐时运行功率变化如图12所示。0100020003000400050006000161116212631364146时间风机运行功率(kW)定速风机变频风机6图12两种风机转速控制调节策略下空调箱逐时运行功率比较由上图可以看出，变频风机在部分负荷时运行功率要远低于定速风机的功率，所以从全年累计运行能耗比较来看，两者相差很大。经计算得到定速风机全年累计电耗为60.5kWh/m2，而变频风机全年累计电耗为26.1kWh/m2。（3）经济性分析上述风机变频调节的经济性分析如表2所示：表2风机变频经济性分析变频前风机电费(万元)1397.6变频后风机电费(万元)603.6年节省费用(万元)794.0变频器投资(万元)527.5回收年限(年)1注：电费按0.6元/kWh计算；变频器按1000元/kW计算。通过上述分析可知，对于大型商场的空调风系统，采用变频风机节电效果明显，回收期非常短，是十分有效的节能手段。此外，对于冷却塔的风机，目前状况也是不论负荷如何变化、总是把所有的冷却塔风机打开，定速运转、电耗较大。与空调箱风机变频类似，对冷却塔的风机最好也用变频调速方式，通过调转速调节水温而不用装电动水阀，这样可在保证冷机正常运行的前提下，用很少的投资实现大幅度降低电耗的目标。2.2.充分利用新风自然冷源大型商场建筑由于照明和客流量的影响，内部发热量很大；而且这类建筑往往体形系数也很大，热量不易散出。通过对一些商场空调系统的测试分析发现，许多商场的新排风系统设计时，仅考虑到冬夏季典型工况，过渡季和冬季无法从室外引入新风作为免费冷源。反映在具体的设计上，有的因为新风道面积设计过小，不能满足过渡季和冬季的新风用量，有的虽然新风道面积可以满足大量使用新风的要求，但因为没有设计相应的排风系统，所以仍然无法充分利用新风。这导致商场内部容易出现内部过热的现象，也使得空调的开启时间延长。商场建筑的这个特点还导致夏季夜间商场内部的热量无法排出，造成第二天冷机开机时能耗较大或开机预冷时间的延长。考虑商场的营业时间通常是每天早晨9：00至晚上22：00左右，可以在夜间外部气温低于商场内温度的时候，通过自然通风或机械通风的手段利用大量新风带走一部分负荷，达到节约空调能耗的目的。对于北京市某大型商场，过渡季和冬季商场内偏热；过渡季室内温度达到29℃，问题在于空调系统没有设计相应的排风系统而不能充分使用新风。针对其排风系统制订改造方案，在商场2至5层的背面側墙增设32台排风扇，营业区吊顶增设回风口，在过渡季和冬季室内回风可经吊顶由排风扇排出室外，以保证可有足够新风抵消室内冷负荷，并实现了过渡季全新风节能运行。图13为某层空调通风示意图。7图13空调通风系统示意图改造前，商场最大新风量25万m3/h，改造后可达65万m3/h，新风量为原来新风量的2.6倍。改造后，不仅提高了过渡季和冬季室内的新鲜空气量，改善了室内空气品质，使得过渡季室内温度降到25℃左右；同时由于充分利用室外自然冷源，冷机全年的运行天数约缩短了20天。整个项目每年可节电36万度，项目投资回收期为2.1年。由此可见，对商场进行通排风系统的改造，通过全面分析、使得商场有足够的排风，才能充分利用室外自然冷源、有效提高舒适性，同时达到节能的目的。2.3.通过风压控制避免冷热不均商场建筑在冬季的时候，由于内部空间较大，高度较高，导致烟囱效应较强，容易造成冷热不均的现象。解决这个问题的有效方法是合理的匹配新排风机，维持室内空间正压，避免无组织的新风引入。某大型商场一～四层冷热严重不均，突出表现为冬季四层偏热、一层偏冷，出现了一层售货员穿羽绒服、四层售货员穿短袖衬衫的有趣现象。下图是某年11月9日各层的温度实测值。可以看出，商场一层的空气温度较低只有13～15℃，但是四层温度高达26～27℃，冷热不均导致商场的舒适性下降。10152025308:0010:0012:0014:0016:0018:0020:00时刻温度(℃)一层二层三层四层8图14商场各层温度分布经分析，该商场出现上述问题的根本原因是双风机系统的送风机和回风机不匹配。下图是一台较典型空调机组的回风、排风、新风和送风道的实际测量值。可以看出，其新风管实际成了排风管,导致一层严重负压，商场大门处有大量新风涌入，使新风负荷加大。同时，送风机和回风机也都严重偏离工况点，风机效率低下，空调箱电耗偏高。图15商场空调箱示意图商场设计的最小新风比为12％，可是由于送回风机不匹配，使得室内负压很大，漏风严重。整个商场实际新风比常年在30％左右。针对此问题，通过改变各台空调机组送、回风机电机的皮带轮，适当