西安大型公共建筑空调系统能耗现状与节能优化研究

摘要 作为建筑中的主要耗能设备，西安大型公共建筑空调系统消耗了建筑物能源总量的30%~60%。本文结合调查数据和热平衡原理，从内扰、外扰及建筑围护结构3个方面进行了分析，以期对西安市大型公共建筑空调能耗的降低提供理论依据和科学的认识，同时为改善大型公共建筑的空调能耗现状提供有效帮助。

关键词 大型公共建筑；能耗调查；节能；研究

中图分类号TU8文献标识码A文章编号 1674-6708（2011）40-0035-03

0 引言

随着“低碳生活”新理念的深入民心，节能减排越来越被人们所重视。大型公共建筑设置全年性供暖、通风、空调系统和较密集照明设备，所以能耗相当高，而作为大型公共建筑中的主要耗能设备，空调系统由于种种原因而，存在着不少不合理用能的现象，消耗了建筑物能源总量的30%~60%，亟待进行节能改造和优化。

西安作为中西部地区的金融中心，是一个自然资源缺乏的城市，其能源、原材料对外依赖性强，一次能源产生量基本为零。从2007年以来，笔者对西安市的40幢大型公共建筑进行了调查，数据表明这些建筑空调能耗较高，且各建筑能耗相差较大，因此，如何进一步降低空调能耗，将对西安市大型公共建筑的节能起到极其重要的作用。

1能耗现状与分析

1.1 建筑概述

1.1.1 建筑类型

大型公共建筑是指建筑面积超过2万m2且采用集中空调系统的各类星级酒店、大中型商场、高级写字楼、车站机场及体育场馆等。本次调查中涉及的40幢建筑主要为大型商场建筑、大型酒店建筑、大型写字楼建筑等3类。

1.1.2 建筑基本情况

调查的大型商场类建筑共有12幢，其使用时间从1990年~2007年均有，而建筑面积则以2m2~5万m2居多，建筑以多层为主导，结构形式基本为框架结构或框剪结构，建筑朝向东西向多于南北向，建筑高度则高度分布比较均匀，层高有6幢建筑均高于4.0m。

调查的大型酒店建筑共有16幢，其使用时间从1985年~2006年均有，而建筑面积则以2万m2~4万m2居多，建筑以高层为主，结构形式基本为框架结构或框剪结构，建筑朝向以南北向为主，建筑高度普遍较高，均为高层建筑，层高基本以3.0m~3.3m为主。

调查的大型写字楼建筑共有12幢，其使用时间从1993年~2006年均有，而建筑面积则以2万m2左右居多，建筑层数以高层为主，结构形式基本为框剪结构，建筑朝向南北向较多，建筑高度以60m以上为主，层高有基本在3.0m~3.6m之间。

1.1.3 建筑围护结构

1）外墙

调查的40幢大型公共建筑中，使用外墙保温材料的建筑有16幢（15幢为2000年以后使用，1幢为后来改造），其外墙传热系数基本都满足规范要求；没有设置外墙保温材料的24幢建筑墙体材料基本为加气混凝土砌块、空心粘土砖、实心粘土砖或玻璃幕墙，采用加气混凝土砌块的建筑有8幢，采用空心粘土砖的建筑有15幢，其余1幢采用实心粘土砖，有15幢建筑局部外立面采用了玻璃幕墙，这24幢建筑其外墙传热系数基本都不满足规范要求，传热系数最高者达到1.97W/ m2·K。总之，有60%被调查的建筑其外墙传热系数不满足《公共建筑节能设计标准》要求。

2）屋顶

调查的40幢大型公共建筑中，进行屋顶保温的建筑有23幢，保温材料有加气混凝土砌块、膨胀珍珠岩或挤塑聚苯板，采用挤塑聚苯板的有3幢建筑，其传热系数都满足规范要求，而其余20幢建筑的屋顶传热系数略高于规范要求，不满足规范要求；剩余17幢建筑屋顶都没有设置保温结构，其传热系数远远高于规范要求。所以，92.5%的被调查建筑其屋顶传热系数不满足《公共建筑节能设计标准》要求。

3）外窗

调查的40幢大型公共建筑中，60%的建筑采用单玻单层窗，50%的建筑使用普通玻璃，80%的建筑使用单层铝合金框，而多数的建筑基本均没有设置外遮阳，一半的建筑利用窗户内侧的窗帘或百叶来遮阳，所以，有近3/4的建筑外窗其传热系数不满足《公共建筑节能设计标准》要求。

总而言之，调查的建筑围护结构多数不符合《公共建筑节能设计标准》要求，更有甚者要比参考值高两倍之多。

1.2 建筑能耗指标及空调装机负荷

1.2.1 建筑能耗现状

1）大型商场建筑

大型商场建筑营业时间从8时30分~10时之间开始，到19时~22时之间结束，每天多达12h左右，由于大型商场建筑全年基本没有节假日，同时内部人员密度较大，空调系统的运行时间较其它建筑长，根据调查可知西安市大型商场建筑单位建筑面积全年总能耗为49.42kW·h/（m2·a）~243.82kW·h/（m2·a），能耗高的建筑是能耗低的建筑的4.9倍。（m2·a）。

2）大型酒店建筑

大型酒店建筑有别于商场建筑和写字楼，其能耗大小与入住率有直接的关系，根据调查资料可知，西安市大型酒店建筑单位建筑面积全年总能耗为41.83kW·h/（m2·a）~271.76kW·h/（m2·a），能耗高的建筑是能耗低的建筑的6.5倍，平均值为135.60kW·h/（m2·a）。

3）大型写字楼建筑

大型写字楼建筑主要以办公为主，全年使用时间约为240天左右，西安市大型写字楼建筑单位建筑面积全年总能耗为59.31kW·h/（m2·a）~98.85kW·h/（m2·a），能耗高的建筑是能耗低的建筑的1.67倍，平均值为77.85kW·h/（m2·a）。

1.2.2 暖通空调系统能耗比例

1）大型商场建筑

经过分析对比，笔者发现西安市大型商场建筑能耗中暖通空调系统能耗比例较高，平均值达到53.88%，而其中空调系统能耗比例平均值为32.36%，采暖系统能耗比例平均值为21.52%，各调查建筑的暖通空调系统能耗比例最高为67.25%，最低为40.53%，相差较大。

2）大型酒店建筑

西安市大型酒店建筑能耗中暖通空调系统能耗比例平均值为49.5%，而其中空调系统能耗比例平均值为26.60%，采暖系统能耗比例平均值为22.31%，各调查建筑的暖通空调系统能耗比例最高的建筑为74.0%，最低的为28.9%，相差很大。

3）大型写字楼建筑

西安市大型写字楼建筑能耗中暖通空调系统能耗比例平均值为51.18%，而其中空调系统能耗比例平均值为25.94%，采暖系统能耗比例平均值为25.24%，各调查建筑的暖通空调系统能耗比例最高的建筑为60.27%，最低的为38.84%，相差也很大。

1.2.3 暖通空调系统装机负荷

1）大型商场建筑

参考《实用通风空调设计手册》可知，西安市大型商场建筑装机冷负荷相对较低一些，平均值为175.99W/ m2，但其装机热负荷较高，平均值为111.58W/ m2。究此原因，主要是由于多数商场建筑自行设置蒸汽锅炉、热水锅炉或直燃型溴化锂机组。

2）大型酒店建筑

西安市大型酒店建筑装机冷热负荷都较高，装机冷负荷平均值为192.18W/m2,装机热负荷平均值为121.05W/ m2，尤其是装机热负荷，远远大于设计手册的推荐值。

3）大型写字楼建筑

西安市大型写字楼建筑装机冷热负荷都较高，装机冷负荷平均值为166.37W/m2,装机热负荷平均值为123.05W/m2，两者均大于设计手册的推荐值。

1.3 建筑室内环境测试

本测试使用仪器主要有TR-72U型双通道温度湿度记录仪、Telaire-7001型红外CO2新风量温度分析仪及Tes-1332A型照度计，测试参数主要为温度、湿度、CO2浓度及照度。由于建筑能耗调查时间有限，不能进行逐时测试，所以测试时间安排上基本为上下午各一次，测试点采用随机的方式来确定，每个建筑的测试点不少于20个。

1.3.1 大型商场建筑

1）温湿度

被调查大型商场建筑个别的测试点温度偏高或偏低，但总体来看温度平均值均符合规范规定；湿度则普遍偏低，夏季基本满足规范要求，冬季湿度过半的建筑室内湿度低于规范要求值。

2）CO2浓度

被调查大型商场中只有两幢建筑CO2浓度高于标准值，其余均符合要求，总体来看情况较好。

3）照度

被调查大型商场中有两个建筑的照度低于规范规定值，多数建筑照度偏高。

1.3.2 大型酒店建筑

1）温湿度

温度方面，夏季被调查大型酒店有7幢，其中3幢建筑温度高于标准值；冬季温度普遍偏高，只有个别的测点温度低于标准值。湿度方面夏季均符合规范要求，冬季偏低。

2）CO2浓度

被调查大型酒店中除了零星几个测点高于标准之外，其余均符合要求。

3）照度

被调查大型酒店中客房内照度均高于标准值，走廊则有50%的测点低于标准值。

1.3.3 大型写字楼建筑

1）温湿度

从测试数据来看西安市大型写字楼湿度均偏低，处于规范限定值的下限；而温度则普遍偏高，无论夏季还是冬季。

2）CO2浓度

每个建筑CO2浓度平均值都满足要求，个别的房间略高于标准值，情况较好。

3）照度

被调查建筑的照度值普遍低于标准值，只有建筑的顶层办公房间偏高一些，照度水平有待提高。

2 空调能耗影响因素与节能优化研究

2.1 空调能耗影响因素

从热平衡原理可知，作为建筑中的主要用能设备，影响空调负荷的主要因素主要有有外扰、内扰和建筑围护结构等3种。

2.1.1 外扰

外扰主要包括室外的气象参数（诸如室外温度、湿度、太阳辐射强度、风速和风向等），以及建筑周边的地表特征。基于本文的调查对象为已在使用的大型公共建筑，所以可以认为影响空调负荷的外扰因素主要为建筑周边的地表特征，亦即建筑周围的植被类型、水体设置及地表形态等。

2.1.2 内扰

内扰主要包括建筑室内的照明装置、设备及人体的散热、散湿。

2.1.3 建筑围护结构

建筑围护结构方面影响空调负荷的主要因素有建筑朝向、体形系数、屋顶形式、门窗朝向与形式、建筑色调、建筑围护结构材料传热系数等。考虑被调查大型酒店建筑均为实体建筑，前面几项均以定型，本文主要从建筑围护结构材料传热系数方面入手来分析，主要考虑建筑外墙、屋顶及外窗的节能。

2.2 空调能耗节能优化分析

2.2.1 空调制冷季

从尽可能降低空调系统冷负荷的角度考虑，最好的优化办法，就是不使用甚至少使用空调设备即可降低室内温度，所以空调冷负荷优化的基本途径如下：

1）外扰

为了降低空调冷负荷，我们可以局部改变原有的建筑周边的地表特征，使之形成绿地或水体，从而降低空调冷负荷。

2）内扰

为了降低空调热负荷，就要在室内内扰方面抑制其产生热，所以在不影响建筑内部人员正常工作、使用的情况下，尽可能减少照明装置、设备等的使用时间。

3）建筑围护结构

为了降低空调冷负荷，就要从建筑本体的这些方面入手。

其一，增加建筑围护结构的传热热阻，即对建筑外墙、屋顶进行保温处理，对建筑的外门外窗更换热阻较高的材料；其二、增加建筑外门窗的密闭性，并对建筑外门窗进行遮阳处理。

2.2.2 空调采暖季

从尽可能降低空调系统热负荷的角度考虑，最好的优化办法，就是不使用甚至少使用空调设备即可提高室内温度，所以空调热负荷优化的基本途径如下：

1）外扰

为了降低空调热负荷，我们可以局部改变原有的建筑周边的地表特征，使之形成反射面，增加进入室内的辐射热，从而降低空调热负荷。

2）内扰

为了降低空调热负荷，就要在室内内扰方面促进其产生热，所以大型公共建筑在采暖季节可能很好的利用室内照明装置、设备散发的热量。

3）建筑围护结构

为了降低空调热负荷，主要也得从建筑本体来进行处理。

其一，增加建筑围护结构的传热热阻，即对建筑外墙、屋顶进行保温处理，对建筑的外门外窗更换热阻较高的材料；其二、增加建筑外门窗的密闭性；其三，更多的利用太阳能，增加建筑蓄热能力同时使更多的太阳光进入室内。

3 结论

调查可知西安市大型公共建筑的空调系统能耗值和能耗比例还是比较高的，笔者试图通过以上的研究和分析，以期对西安市大型公共建筑空调能耗的降低提供理论依据和科学的认识，同时为改善大型公共建筑的空调能耗现状提供有效帮助。

空调能耗是建筑能耗的主要组成部分，其节能途径也有很多，本文所列内容只是其中的一些方面，希望以后的时间里进行更深入的分析和研究。

参考文献

[1]房志勇，等编著.建筑节能技术[M].北京：中国建筑工业出版社，1998．

[2]彦启森，赵庆珠.建筑热过程[M].北京：中国建筑工业出版社，1986．

[3]霍小平，葛翠玉.建筑室内热环境测试与分析[J].建筑科学与工程学报，2005，22(2)．

[4]薛志峰．既有建筑节能诊断与改造[M].北京：中国建筑工业出版社，2005．

[5]中华人民共和国标准GB50189-2005，公共建筑节能设计标准[S].北京：中国计划出版社，2005.

[6]中华人民共和国标准GB50034-2004，建筑照明设计标准[S].北京：中国建筑工业出版社，2004.

[7]中华人民共和国标准GB/T 18883-2002，室内空气质量标准[S].北京：中国计划出版社，2002.