西安大型公共建筑空調系統能耗現狀與節能優化研究

李 澧，張竹慧

1.東洋工程（上海）有限公司，上海 200122

2.武警工程學院基礎部，陜西 西安 710086

0 引言

隨著“低碳生活”新理念的深入民心，節能減排越來越被人們所重視。大型公共建筑設置全年性供暖、通風、空調系統和較密集照明設備，所以能耗相當高，而作為大型公共建筑中的主要耗能設備，空調系統由于種種原因而，存在著不少不合理用能的現象，消耗了建筑物能源總量的30%～60%，亟待進行節能改造和優化。

西安作為中西部地區的金融中心，是一個自然資源缺乏的城市，其能源、原材料對外依賴性強，一次能源產生量基本為零。從2007年以來，筆者對西安市的40幢大型公共建筑進行了調查，數據表明這些建筑空調能耗較高，且各建筑能耗相差較大，因此，如何進一步降低空調能耗，將對西安市大型公共建筑的節能起到極其重要的作用。

1 能耗現狀與分析

1.1 建筑概述

1.1.1 建筑類型

大型公共建筑是指建筑面積超過2萬m2且采用集中空調系統的各類星級酒店、大中型商場、高級寫字樓、車站機場及體育場館等。本次調查中涉及的40幢建筑主要為大型商場建筑、大型酒店建筑、大型寫字樓建筑等3類。

1.1.2 建筑基本情況

調查的大型商場類建筑共有12幢，其使用時間從1990年～2007年均有，而建筑面積則以2m2～5萬m2居多，建筑以多層為主導，結構形式基本為框架結構或框剪結構，建筑朝向東西向多于南北向，建筑高度則高度分布比較均勻，層高有6幢建筑均高于4.0m。

調查的大型酒店建筑共有16幢，其使用時間從1985年～2006年均有，而建筑面積則以2萬m2～4萬m2居多，建筑以高層為主，結構形式基本為框架結構或框剪結構，建筑朝向以南北向為主，建筑高度普遍較高，均為高層建筑，層高基本以3.0m～3.3m為主。

調查的大型寫字樓建筑共有12幢，其使用時間從1993年～2006年均有，而建筑面積則以2萬m2左右居多，建筑層數以高層為主，結構形式基本為框剪結構，建筑朝向南北向較多，建筑高度以60m以上為主，層高有基本在3.0m～3.6m之間。

1.1.3 建筑圍護結構

1）外墻

調查的40幢大型公共建筑中，使用外墻保溫材料的建筑有16幢（15幢為2000年以后使用，1幢為后來改造），其外墻傳熱系數基本都滿足規范要求；沒有設置外墻保溫材料的24幢建筑墻體材料基本為加氣混凝土砌塊、空心粘土磚、實心粘土磚或玻璃幕墻，采用加氣混凝土砌塊的建筑有8幢，采用空心粘土磚的建筑有15幢，其余1幢采用實心粘土磚，有15幢建筑局部外立面采用了玻璃幕墻，這24幢建筑其外墻傳熱系數基本都不滿足規范要求，傳熱系數最高者達到1.97W/ m2·K。總之，有60%被調查的建筑其外墻傳熱系數不滿足《公共建筑節能設計標準》要求。

2）屋頂

調查的40幢大型公共建筑中，進行屋頂保溫的建筑有23幢，保溫材料有加氣混凝土砌塊、膨脹珍珠巖或擠塑聚苯板，采用擠塑聚苯板的有3幢建筑，其傳熱系數都滿足規范要求，而其余20幢建筑的屋頂傳熱系數略高于規范要求，不滿足規范要求；剩余17幢建筑屋頂都沒有設置保溫結構，其傳熱系數遠遠高于規范要求。所以，92.5%的被調查建筑其屋頂傳熱系數不滿足《公共建筑節能設計標準》要求。

3）外窗

調查的40幢大型公共建筑中，60%的建筑采用單玻單層窗，50%的建筑使用普通玻璃，80%的建筑使用單層鋁合金框，而多數的建筑基本均沒有設置外遮陽，一半的建筑利用窗戶內側的窗簾或百葉來遮陽，所以，有近3/4的建筑外窗其傳熱系數不滿足《公共建筑節能設計標準》要求。

總而言之，調查的建筑圍護結構多數不符合《公共建筑節能設計標準》要求，更有甚者要比參考值高兩倍之多。

1.2 建筑能耗指標及空調裝機負荷

1.2.1 建筑能耗現狀

1）大型商場建筑

大型商場建筑營業時間從8時30分～10時之間開始，到19時～22時之間結束，每天多達12h左右，由于大型商場建筑全年基本沒有節假日，同時內部人員密度較大，空調系統的運行時間較其它建筑長，根據調查可知西安市大型商場建筑單位建筑面積全年總能耗為 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

大型酒店建筑有別于商場建筑和寫字樓，其能耗大小與入住率有直接的關系，根據調查資料可知，西安市大型酒店建筑單位建筑面積全年總能耗為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，平均值為135.60kW·h/（m2·a）。

3）大型寫字樓建筑

大型寫字樓建筑主要以辦公為主，全年使用時間約為240天左右，西安市大型寫字樓建筑單位建筑面積全年總能耗為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，平均值為77.85kW·h/（m2·a）。

1.2.2 暖通空調系統能耗比例

1）大型商場建筑

經過分析對比，筆者發現西安市大型商場建筑能耗中暖通空調系統能耗比例較高，平均值達到53.88%，而其中空調系統能耗比例平均值為32.36%，采暖系統能耗比例平均值為21.52%，各調查建筑的暖通空調系統能耗比例最高為67.25%，最低為40.53%，相差較大。

2）大型酒店建筑

西安市大型酒店建筑能耗中暖通空調系統能耗比例平均值為49.5%，而其中空調系統能耗比例平均值為26.60%，采暖系統能耗比例平均值為22.31%，各調查建筑的暖通空調系統能耗比例最高的建筑為74.0%，最低的為28.9%，相差很大。

3）大型寫字樓建筑

西安市大型寫字樓建筑能耗中暖通空調系統能耗比例平均值為51.18%，而其中空調系統能耗比例平均值為25.94%，采暖系統能耗比例平均值為25.24%，各調查建筑的暖通空調系統能耗比例最高的建筑為60.27%，最低的為38.84%，相差也很大。

1.2.3 暖通空調系統裝機負荷

1）大型商場建筑

參考《實用通風空調設計手冊》可知，西安市大型商場建筑裝機冷負荷相對較低一些，平均值為175.99W/ m2，但其裝機熱負荷較高，平均值為111.58W/ m2。究此原因，主要是由于多數商場建筑自行設置蒸汽鍋爐、熱水鍋爐或直燃型溴化鋰機組。

2）大型酒店建筑

西安市大型酒店建筑裝機冷熱負荷都較高，裝機冷負荷平均值為192.18W/m2,裝機熱負荷平均值為121.05W/ m2，尤其是裝機熱負荷，遠遠大于設計手冊的推薦值。

3）大型寫字樓建筑

西安市大型寫字樓建筑裝機冷熱負荷都較高，裝機冷負荷平均值為166.37W/m2,裝機熱負荷平均值為123.05W/m2，兩者均大于設計手冊的推薦值。

1.3 建筑室內環境測試

本測試使用儀器主要有TR-72U型雙通道溫度濕度記錄儀、Telaire-7001型紅外CO2新風量溫度分析儀及Tes-1332A型照度計，測試參數主要為溫度、濕度、CO2濃度及照度。由于建筑能耗調查時間有限，不能進行逐時測試，所以測試時間安排上基本為上下午各一次，測試點采用隨機的方式來確定，每個建筑的測試點不少于20個。

1.3.1 大型商場建筑

1）溫濕度

被調查大型商場建筑個別的測試點溫度偏高或偏低，但總體來看溫度平均值均符合規范規定；濕度則普遍偏低，夏季基本滿足規范要求，冬季濕度過半的建筑室內濕度低于規范要求值。

2）CO2濃度

被調查大型商場中只有兩幢建筑CO2濃度高于標準值，其余均符合要求，總體來看情況較好。

3）照度

被調查大型商場中有兩個建筑的照度低于規范規定值，多數建筑照度偏高。

1.3.2 大型酒店建筑

1）溫濕度

溫度方面，夏季被調查大型酒店有7幢，其中3幢建筑溫度高于標準值；冬季溫度普遍偏高，只有個別的測點溫度低于標準值。濕度方面夏季均符合規范要求，冬季偏低。

2）CO2濃度

被調查大型酒店中除了零星幾個測點高于標準之外，其余均符合要求。

3）照度

被調查大型酒店中客房內照度均高于標準值，走廊則有50%的測點低于標準值。

1.3.3 大型寫字樓建筑

1）溫濕度

從測試數據來看西安市大型寫字樓濕度均偏低，處于規范限定值的下限；而溫度則普遍偏高，無論夏季還是冬季。

2）CO2濃度

每個建筑CO2濃度平均值都滿足要求，個別的房間略高于標準值，情況較好。

3）照度

被調查建筑的照度值普遍低于標準值，只有建筑的頂層辦公房間偏高一些，照度水平有待提高。

2 空調能耗影響因素與節能優化研究

2.1 空調能耗影響因素

從熱平衡原理可知，作為建筑中的主要用能設備，影響空調負荷的主要因素主要有有外擾、內擾和建筑圍護結構等3種。

2.1.1 外擾

外擾主要包括室外的氣象參數（諸如室外溫度、濕度、太陽輻射強度、風速和風向等），以及建筑周邊的地表特征。基于本文的調查對象為已在使用的大型公共建筑，所以可以認為影響空調負荷的外擾因素主要為建筑周邊的地表特征，亦即建筑周圍的植被類型、水體設置及地表形態等。

2.1.2 內擾

內擾主要包括建筑室內的照明裝置、設備及人體的散熱、散濕。

2.1.3 建筑圍護結構

建筑圍護結構方面影響空調負荷的主要因素有建筑朝向、體形系數、屋頂形式、門窗朝向與形式、建筑色調、建筑圍護結構材料傳熱系數等。考慮被調查大型酒店建筑均為實體建筑，前面幾項均以定型，本文主要從建筑圍護結構材料傳熱系數方面入手來分析，主要考慮建筑外墻、屋頂及外窗的節能。

2.2 空調能耗節能優化分析

2.2.1 空調制冷季

從盡可能降低空調系統冷負荷的角度考慮，最好的優化辦法，就是不使用甚至少使用空調設備即可降低室內溫度，所以空調冷負荷優化的基本途徑如下：

1）外擾

為了降低空調冷負荷，我們可以局部改變原有的建筑周邊的地表特征，使之形成綠地或水體，從而降低空調冷負荷。

2）內擾

為了降低空調熱負荷，就要在室內內擾方面抑制其產生熱，所以在不影響建筑內部人員正常工作、使用的情況下，盡可能減少照明裝置、設備等的使用時間。

3）建筑圍護結構

為了降低空調冷負荷，就要從建筑本體的這些方面入手。

其一，增加建筑圍護結構的傳熱熱阻，即對建筑外墻、屋頂進行保溫處理，對建筑的外門外窗更換熱阻較高的材料；其二、增加建筑外門窗的密閉性，并對建筑外門窗進行遮陽處理。

2.2.2 空調采暖季

從盡可能降低空調系統熱負荷的角度考慮，最好的優化辦法，就是不使用甚至少使用空調設備即可提高室內溫度，所以空調熱負荷優化的基本途徑如下：

1）外擾

為了降低空調熱負荷，我們可以局部改變原有的建筑周邊的地表特征，使之形成反射面，增加進入室內的輻射熱，從而降低空調熱負荷。

2）內擾

為了降低空調熱負荷，就要在室內內擾方面促進其產生熱，所以大型公共建筑在采暖季節可能很好的利用室內照明裝置、設備散發的熱量。

3）建筑圍護結構

為了降低空調熱負荷，主要也得從建筑本體來進行處理。

其一，增加建筑圍護結構的傳熱熱阻，即對建筑外墻、屋頂進行保溫處理，對建筑的外門外窗更換熱阻較高的材料；其二、增加建筑外門窗的密閉性；其三，更多的利用太陽能，增加建筑蓄熱能力同時使更多的太陽光進入室內。

3 結論

調查可知西安市大型公共建筑的空調系統能耗值和能耗比例還是比較高的，筆者試圖通過以上的研究和分析，以期對西安市大型公共建筑空調能耗的降低提供理論依據和科學的認識，同時為改善大型公共建筑的空調能耗現狀提供有效幫助。

空調能耗是建筑能耗的主要組成部分，其節能途徑也有很多，本文所列內容只是其中的一些方面，希望以后的時間里進行更深入的分析和研究。

[1]房志勇，等編著.建筑節能技術[M].北京：中國建筑工業出版社，1998.

[2]彥啟森，趙慶珠.建筑熱過程[M].北京：中國建筑工業出版社，1986.

[3]霍小平，葛翠玉.建筑室內熱環境測試與分析[J].建筑科學與工程學報，2005，22(2).

[4]薛志峰.既有建筑節能診斷與改造[M].北京：中國建筑工業出版社，2005.

[5]中華人民共和國標準GB50189-2005，公共建筑節能設計標準[S].北京：中國計劃出版社，2005.

[6]中華人民共和國標準GB50034-2004，建筑照明設計標準[S].北京：中國建筑工業出版社，2004.

[7]中華人民共和國標準GB/T 18883-2002，室內空氣質量標準[S].北京：中國計劃出版社，2002.