节能是建设生态文明的重要途径之一。国家“十三五”规划提出了能源消耗总量和强度双控的约束性指标管理目标:到2020年, 能源消费总量控制目标为50亿t标准煤, 单位国内生产总值能源消费量目标为比2015年下降15%^[1]。

　　 空调系统能耗约占公共建筑总能耗的30%～50%^[2]。随着人们对室内环境舒适性和空气质量要求的提高, 以及进深大、室内发热量大的大体量公共建筑占比的显著增大, 空调系统能耗越来越高。空调系统运行过程中问题较多, 节能潜力较大, 是建筑节能关注的焦点之一^[3]。为了降低空调系统全寿命周期能耗, 田雪冬提出了节能全过程管理模式^[4], 以期提高空调系统设计、建设及后期运行全过程中的性能, 避免能源浪费。

　　 空调系统设计阶段作为全过程管理的第一环节, 具有极其重要的作用。但在实际项目设计中, 由于设计人员对室内人员、灯光、设备发热量的安全余量取得过大等原因^[5], 导致空调系统主要设备装机容量普遍偏大。以冷水机组为例, 许多建筑实际尖峰负荷只有装机容量的1/2～2/3^[5,6], 造成了设备闲置和匹配不合理, 而且, 实际运行过程中机组长时间处于低负荷率工况运行, 导致能效降低, 系统能耗增加^[7]。水系统同样存在供需不匹配导致的水泵能耗过高的现象。经调查发现:由于设计阶段往往没有进行准确的管网阻力计算, 一方面过高估计实际运行过程中的冷水或冷却水流量, 另一方面高估水系统管网阻力, 导致水泵扬程选择过大, 水泵性能和实际管网不匹配, 运行时水泵效率偏离最高效率点, 增加了水泵能耗^[8]。

　　 本文以我国西南地区一座大型商业综合体为例, 对其持续近5年的全过程管理的第一环节——空调系统设计优化与能耗目标设定进行总结分析, 指出设计阶段需要重视的关键环节, 并提出更加合理的设计优化建议。

　　 项目位于我国夏热冬冷地区;建筑采用框架结构, 外墙大部分为玻璃幕墙;地下3层、地上3层、局部4～6层;内有影院、超市、冰场等特殊租户;于2015年年底开业, 商业面积为16.2万m² (不含地下车库部分) , 其中空调面积为11.3万m²。

　　 项目最初设计冷负荷为31 640 kW, 折合单位空调面积冷负荷指标为280 W/m²。空调系统采用异程式四管制。冷源为电制冷冷水机组, 装机容量为32 708 kW (9 300 rt) , 折合单位空调面积指标为289.5 W/m²。冷水系统采用二级泵系统。热源为常压燃气热水锅炉, 装机容量为6.3 MW, 并使用板式换热器换热。公共区及大型主力店末端采用一次回风全空气系统, 普通商铺及电梯厅等区域采用吊顶式空调器/风机盘管加新风的模式。

　　 该项目规划阶段冷负荷指标为280 W/m², 原方案冷源装机容量达到了289.5 W/m², 远远超过了同地区同类商业综合体的调研与实测结果, 存在较大优化空间。经与机电顾问团队协商后, 由设计院给出优化设计方案, 将设计冷负荷减少至23 165 kW, 折合单位空调面积冷负荷指标为205 W/m², 装机容量相应降低为23 916 kW (6 800 rt) , 折合单位空调面积冷负荷指标为212 W/m²。

　　 但全过程管理团队调研该地区同类型项目冷源指标并进行对比分析后发现:该项目冷源选型仍然存在进一步优化的空间;另外, 第一轮优化过后的制冷机容量搭配也不合理, 制冷机在高效区运行的时间比例存在优化空间。

　　 冷水输配系统也存在优化空间。无论是系统形式, 还是具体水泵的选型都需要进行相应的优化。

　　 设计阶段的优化不仅是对原有系统设计方案进行相应的优化, 同时也要制定贯穿全过程的一级指标, 作为最终考核是否达标的依据。该项目设计阶段的主要工作如图1所示。

　　 在设计阶段往往无法预测项目建造、运营中的细节问题, 故每一阶段的优化工作都需要小心谨慎, 不然就可能出现蝴蝶效应, 导致巨大损失。项目组首先对该地区同类型建筑的运行现状及大量实际运行数据进行了调研分析, 并结合业主对项目的定位, 分析了建筑未来使用率的变化, 判断方案各个环节的优化空间及方向, 然后使用负荷计算软件对建筑负荷进行了模拟分析, 最后建立了目标管理体系, 制定了相应的目标值, 并在设计阶段对其进行分解。

　　 采用DeST模拟软件对项目冷热负荷进行建模分析, 并结合同地区既有项目实际运行情况, 对设计方案进行优化, 以实现在保证供冷、供热需求的前提下, 降低初投资及全寿命周期的运营费用。图2为使用DeST建立的项目模型图。

　　 为了验证系统优化效果, 在使用DeST对该项目建筑进行建模分析时, 一方面以设计院提供的经初步修改后的室内设定参数为输入条件, 对建筑负荷进行模拟计算;另一方面采用以GB 50189—2015《公共建筑节能设计标准》^[9]给出的参数为主, 结合调研得到的当地同类型商业综合体实际使用情况, 以及该地区气象参数特点, 对室内设定参数, 包括室温设定值及作息, 人员密度及作息, 灯光、设备密度及作息等进行优化^[10]。最终确定优化方案的边界条件, 使得在负荷分析时, 工作日与节假日输入参数设置不同;全年不同时段 (包括供冷季、过渡季、供暖季) 输入参数设置不同。同时对作息时间表进行精细化设计, 使其更加贴近实际使用情况。对于不同功能房间, 例如餐厅、商铺等的热扰进行大幅优化;同时, 对公共区室内设定参数稍作调整, 避免由于人员密度估算不准导致过量供应新风等问题, 使得负荷更加接近实际情况。

　　 根据以上原则, 利用DeST软件对建筑进行全年8 760 h逐时动态冷热负荷模拟分析计算, 得到原始设定和优化设定后的全年逐时冷热负荷, 如图3所示。

　　 根据模拟结果可见:对设定参数进行优化后, 夏季逐时冷负荷明显下降, 供冷尖峰负荷降低至13 628.4 kW;单位面积尖峰冷负荷由168.3 W/m²降到110.6 W/m², 下降34%;全年模拟累计耗冷量由3 679.6万kW·h降到2 145.7万kW·h, 下降42%;冬季逐时热负荷没有明显变化。图4显示了该项目优化设定后的全年冷负荷。

　　 采用DeST软件对该项目逐时冷热负荷进行模拟得到:供冷季的尖峰冷负荷仅为13 628 kW, 而原设计方案经第一轮修改后的尖峰冷负荷为23 916 kW, 仍存在较大优化空间, 且第一轮修改后制冷机选型为3台7 034 kW和1台2 814 kW的制冷机, 存在选型过大的问题, 在实际运行中有1台7 034 kW的制冷机闲置, 这样的制冷机选型搭配不仅浪费机房空间, 还导致无法通过合理的台数控制使制冷机整个供冷季都运行在高效区。图5显示了第一轮修改后制冷机运行负荷率。由图5可以看出:制冷机负荷率低于70%的低效运行时段占整个供冷季约1/4的时间, 导致制冷机全年平均COP降低。

　　 为了有效解决原设计中负荷率断档的问题, 需对制冷机选型方案进行优化, 改善原设计选型的负荷分布, 以实现在降低制冷机装机容量的同时, 提升其全年运行效率。

　　 以该项目全年逐时冷量模拟和负荷结果为基础, 在冷水机组选型时一方面考虑缩短高效负荷率覆盖断档时间, 另一方面, 考虑到餐饮业态占比已由初始的36.6%上升至45%, 人流量设计值相应增加, 将制冷机的设计装机容量确定为18 992 kW, 相比模拟计算得到的尖峰负荷13 576 kW增大了40%, 以确保未来的使用效果, 最终得到的冷水机组设计优化结果如表1所示。

　　 该优化方案一方面将原有23 916 kW的装机容量进一步减小至18 992 kW;另一方面, 如图6所示, 制冷机未来投入使用后92%以上的时间将工作在负荷率70%以上的高效区, 全年仅有8%的时间运行在负荷率低于70%的低效区。制冷机全年平均COP由原设计的5.73上升至6.31, 以全寿命周期为15 a计算, 初投资、维护保养费、运营费等总费用较第一轮修改后下降15.3%。图7显示了模拟实际运行制冷量与COP的关系。

　　 在投入运行后, 接近夏季设计条件的典型日 (设计工况室外温度31.8 ℃, 实测室外温度33 ℃) , 实测得到系统尖峰供冷量仅为13 365 kW。而在2017年夏季极端天气下 (室外温度超过37 ℃) , 实测系统最大供冷量为15 475 kW, 系统仍有足够余量。

　　 对于热源, 原设计选型为3台2.1 MW的常压燃气热水锅炉。图8显示了热负荷的变化。通过分析供热负荷模拟结果可知, 全年超过6 MW的时间仅为16 h, 且均出现在每天营业前1～2 h, 可通过提前开机解决。因此, 对原热源设计不作修改。

　　 对于冷水输配系统, 原方案为二级泵系统, 末端采用异程式四管制。项目组从末端需求, 系统复杂性、实用性、经济性, 以及运营特点等方面考虑, 结合大量同类项目实际运行效果的调研, 对冷水输配系统的形式进行了论证分析。

　　 考虑到二级泵系统的复杂性以及在实际运行过程中极易产生逆向混水等问题^[11], 因此否定了采用二级泵系统的初步方案, 最终确定冷水输配系统采用一级泵变流量的形式。同时对系统通向租户的末端管路的尺寸放大, 减小管道阻力, 保证最不利末端的供冷需求, 且对经济性影响较小^[12]。

　　 另外, 通过DeST模拟得知, 该项目在冬季仅有个别内区存在供冷需求, 建议通过其他手段解决内区冬季室内环境温度过高的问题, 避免采用四管制:一方面会增加项目初投资;另一方面在实际运行过程中容易出现冷热抵消的问题, 增加系统运行能耗^[13]。

　　 对于水泵的设计选型, 通过对水系统进行水力计算和分析可知:原设计水泵扬程均偏大。水泵设计优化最终确定的冷水泵扬程为35 m, 比原设计选型45 m降低10 m;优化后冷却水泵扬程为27 m, 比原设计选型30 m降低3 m;优化后供暖二级泵扬程为20 m, 比原设计选型23 m降低3 m。水泵扬程精细化计算和选型, 在降低输配系统能耗的同时, 使水泵运行工作点更加符合水系统实际需求, 有效避免了因选型偏大导致的水泵实际运行工作点偏离额定工况等情况的发生, 提高了各输配系统的运行能效。

　　 该项目中庭上下贯通, 由于中庭空间容易出现下凉上热、冬冷夏热等问题^[14], 因此提出采用以下优化措施:

　　 1) 增大商场中庭下部和顶部的空调箱设计容量, 即加大下部空调箱的供热能力和上部空调箱的供冷能力。

　　 2) 在部分出入口、后区等局部地区加装风机盘管, 仅在供热工况下使用。

　　 3) 招标确定空调箱的技术参数, 风机、电动机及其他设备的参数均需满足设计要求。

　　 4) 风管施工严格按照图纸进行, 以减小阻力为原则, 减少随意拐弯或增加阻力部件的情况。

　　 5) 夏季运行时, 降低上层空调箱送风温度设定值, 增加上层空调箱的供冷量;冬季运行时, 调高下层空调箱送风温度设定值, 增加下层空调箱的供热量, 避免出现上热下冷的情况。

　　 6) 冬季将中庭喷口角度调节为斜下送风。

　　 7) 将水力平衡作为重点调试专项, 确保公共区不存在明显的水力失衡问题。

　　 在设计优化阶段, 根据供冷、供热负荷模拟分析结果, 对项目投入使用后的能耗、能效进行预测和分析, 作为未来运行能耗、能效目标的参考。另外, 通过能耗、能效目标值的设定与细化分解, 实现将设计阶段确定的目标值向后续工作阶段, 即招投标、施工与调适过程传递。

　　 对于整体能耗水平, 可以根据GB/T 51161—2016《民用建筑能耗标准》^[15]给出的分项指标进行对标。而对于空调系统, 根据GB/T 17981—2007《空气调节系统经济运行》^[16], 其经济运行评价指标体系结构如图9所示。

　　 其中, 对于制冷站实际能效, 可以参考ASHRAE给出的指标, 将实际制冷站运行能效划分为4个层次:出色、良好、一般和亟需改善, 如图10所示^[17]。

　　 除空调系统能耗之外, 设计阶段还需要将该项目未来运行中需业主承担的公共区电耗进行拆分, 设定主要机电系统的能耗目标及能效目标, 如图11所示。同时, 对配电系统及设备, 照明系统及设备, 以及电梯、室内冰场机电系统的设计方案进行分析校核。

　　 根据设计优化结果, 结合冷源选型, 制定了优于同类制冷站的控制目标, 如表2所示。其中, 制冷站综合能效比EER理想值可达4.35, 冷水机组平均COP应高于6.2, 冷水系统输送系数应高于35.0, 冷却水系统输送系数高于30.0。

　　 而对于供暖能耗, 通过模拟计算得到, 该项目供暖季耗热量约为1.2万GJ, 全年单位面积耗热量约为0.11 GJ/ (m²·a) , 折算天然气耗量约为37.5万m³, 全年天然气费用约为107.3万元, 合89.4元/GJ, 以此作为供暖能耗的设定目标。供暖季逐月天然气用量模拟结果见图12。

　　 关于公共区电耗, 根据当地物业管理的实际情况^[18], 针对不同管理水平, 包括管理水平一般、管理水平较好、管理水平高3个档次, 分别模拟计算出公共区全年电耗, 结果如图13所示, 3个饼图分别给出了不同物业管理水平下的分项能耗, 而柱形图表示照明、空调、动力、特殊功能用电分项不同水平的对比。

　　 通过模拟发现:必须在相对较高的运行管理水平下, 才能将公共区电耗控制在1 500万kW·h/a这一目标值以内, 要求施工、调适和物业运行人员不能有半点松懈和大意。

　　 空调系统设计阶段作为全过程管理最重要的阶段, 需要对设计方案进行细致的分析和讨论, 根据标准规范要求, 从实际运营情况入手, 对各参数进行优化, 得出全年动态的模拟结果。

　　 但单纯地从负荷分析的角度出发是不够的, 需要综合考虑项目本身的定位, 建设、运营阶段有可能遇到的困难, 未来业态的变化以及周边竞争对手的状态对建筑使用率的影响等等作出综合的判断。与常规的设计咨询不同, 项目全过程管理设定的所有目标都要贯穿整个项目的设计、建设、施工、调适与后期运行, 一旦制定就不能轻易变更, 否则将对后期产生较大的影响。因此, 需要在设计阶段将目标分解为可具体操作的手段, 避免成为纸上谈兵。分解的目标需要逐级实现, 最终保证整体目标的完成, 同时, 由于未来的不可预见性, 在设计阶段仍然需要制作相应的预案来应对未来可能出现的重大变化。

　　 总而言之, 在项目全过程管理过程中, 需要抓住方案、设计、采购 (技术要求) 等前期重点环节, 清晰科学地计算项目投入使用后的用冷、用热和用电需求, 并因地制宜地制定整体目标。不但可以缓解设计阶段常见的容量冗余和搭配不合理的问题, 更能在设计阶段就为未来运行确定能耗、能效基调, 适应国家目前总量控制的能源战略形式。