商場建筑中央空調系統提前啟停運行策略研究

趙樹興 常平

天津城建大學能源與安全工程學院

在整個社會能耗中，建筑能耗已占到30%左右，而其中空調能耗占空調建筑能耗的60%左右[1]。然而，現有中央空調系統在間歇運行中常因缺乏必要的運行策略和管理，致使中央空調系統沒有充分利用建筑本體蓄能特性，造成能源浪費。因此，研究建筑蓄能特性具有節能意義。因而，考慮建筑本身蓄能特性對室內溫度的影響及其室內的熱舒適性，在商場營業開始和結束時刻提前啟/停中央空調系統，保證上、下班時商場內的室溫達標的同時實現節能。本文以夏季北京某商場建筑中央空調系統為例，根據商場營業時間，結合北京市的氣象數據和商場建筑結構、內部電器能耗及人流情況建立仿真模型來研究商場建筑中央空調系統提前啟停時間和系統能耗，并給出相應的節能運行策略。

1 商場建筑中央空調仿真模擬平臺構建

本文的建筑模型是北京某商場建筑，總建筑面積為1820.9 m2，建筑層高為4.2 m，建筑南向為玻璃幕墻，建筑一層包括4個空調區和一個非空調區，空調區的設備、燈光、人員負荷以及圍護結構參數參照《北京公共建筑節能設計標準》[2]中商業建筑的規定值選取。空調正常運行時，室內溫度設定為26～28℃。模擬選用第一層的中央空調系統（其所控制的區域面積為332.7 m2）為研究對象。首先構建建筑模塊，在TRNSYS[3]_3D中建立三維模型，導入TRNBulid中，在TRNBuild子程序中輸入圍護結構參數、人員[4]、室內負荷、內熱源和運行時間表等，最終將TRNBuild生成的文件導入TRNSYS中的Multi-zone模塊，形成建筑模塊。然后構建商場建筑中央空調系統仿真平臺，其中中央空調系統主要由冷凍水循環系統、冷卻水循環系統及風系統組成，中央空調系統設備模塊與建筑模塊和氣象參數模塊等構成閉環反饋系統，所搭建的仿真平臺如圖1所示。

圖1 商場建筑中央空調系統仿真平臺

2 仿真模擬與分析

仿真模擬時間為夏季空調的運行期，即七月的第一個時刻至八月最后一個時刻，總共為62天。為便于研究商場建筑中央空調系統提前啟/停時間，本文引入了商場營業開始時刻室溫達標率ψ1和結束時刻室溫達標率ψ2，其值分別為商場營業開始時刻和結束時刻室內溫度tn≤28 ℃的天數與空調期總天數的比值[5-9]。即：

式中：n1為營業開始時刻室內溫度tn≤28 ℃的天數；n2為營業結束時刻室內溫度tn≤28 ℃的天數；N為空調運行的總天數為62天。

2.1 提前啟/停必要性探討

本文把商場中央空調系統不提前啟/停機方案作為基準方案，即正常營業時間（09∶00～21∶00）作為中央空調系統啟/停時間。利用仿真平臺對基準方案進行仿真模擬，得到基準方案下開始營業時刻室溫達標天數n1與達標率ψ1，詳見表1。

表1 基準方案開始營業時刻室溫達標天數n1和達標率ψ1

從表1可以看出，夏季空調期內采用基準方案運行時，開機時刻（即開始營業時刻）室內溫度的達標率很低，所以有必要提前啟動空調系統。基準方案下某幾天的室內溫度變化情況如圖2所示。

圖2 基準方案下室內溫度變化

由圖2可以看出，室內溫度隨空調系統啟停控制信號呈階躍變化。在控制信號由0→1后，室內溫度降低到達標溫度時存在滯后現象。因此，為使開始營業時刻室溫能達到目標溫度，需要提前開啟中央空調系統。同理，在商場結束營業之前，可以采取提前停機措施來實現節能。

2.2 提前啟/停時間分析

究竟提前多少時間開機和停機剛好使營業開始和結束時刻室溫為28℃，并且在保證室溫達到目標溫度前提下實現最大限度的節能？本文針對此問題進行了模擬分析。本文利用仿真平臺，模擬了基準方案下室溫變化情況，表2給出了空調運行期中的8月26日開機后和停機后一段時間的室溫變化情況。

表2 某一天開機和停機后一段時間的室溫變化

由表2可知：當空調系統在營業開始時刻開機時房間溫度為 30.68 ℃，經過18分鐘室溫降低到28.15 ℃（接近28 ℃）；當空調系統在營業結束時刻停機時室溫為25.51 ℃，經過24分鐘室溫才升高到27.89 ℃（接近 28 ℃）。

進一步分析其他天數的模擬結果表明：在整個空調期內，開機后能使室溫達標所需要的最長時間約為18分鐘；停機后室溫回升到28度所需要的最長時間約為60分鐘。所以，本文預設最大提前開機時間為18分鐘，最大提前停機時間為60分鐘，并以此來劃分提前啟/停運行方案和開展相關模擬研究分析。

2.3 提前啟/停方案探討

2.3.1 提前開機運行方案

考慮模擬時間步長和最大預設提前開機時間，本文擬定了四種提前開機運行方案，詳見表3。

表3 四種提前開機運行方案

利用仿真平臺，對上述四種提前開機運行方案在營業開始時刻室溫達標天數n1、達標率ψ1進行了模擬分析，結果見表4。

表4 四種提前開機運行方案的n1、ψ1值

由表4可知：對于模擬建筑，當空調系統在營業開始時刻（9∶00）開機，只有11天室溫達標；隨著提前啟動的時間τ1增加，室溫達標天數n1和達標率ψ1都隨之增大；當空調系統提前18分鐘開機時，在營業開始時刻，室溫能全部達標（≤28℃）。

對模擬數據做進一步分析表明：影響提前開機時間的主要因素是開機時刻的室內溫度，并且對應某一提前開機時間存在一個開機時刻允許最高室溫tn.max，也就是能使營業開始時刻室溫剛好達標的提前開機時刻所對應的最高室溫。四種提前開機運行方案的開機時刻允許最高室溫tn.max，見表5。

表5 四種提前開機運行方案的開機時刻允許最高室溫tn.max

由表5可以看到：提前開機時間隨著開機時刻允許最高室溫tn.max升高而增加，兩者近似呈線性關系，見圖3。

圖3 提前開機時間τ1與開機時刻允許最高室溫tn.max的關系

2.3.2 提前停機運行方案

提前停機運行方案的起始時間設定為8∶42，以能保證在營業開始時刻室內溫度均能達標。考慮模擬時間步長和最大預設提前停機時間，本文擬定了十一種停機運行方案，詳見表6。

利用仿真平臺，對上述十一種提前停機運行方案的室溫達標天數n2、達標率ψ2進行了模擬分析，結果見表7。

表6 十一種停機運行方案

表7 提前停機運行方案的n2、ψ2值

由表7可知：對于模擬建筑，當空調系統提前6分鐘停機，整個空調期內營業結束時刻室溫均能達標（≤28℃）；隨著提前停機時間的增加，營業結束時刻室溫達標天數n2和達標率ψ2均隨之減小；提前60分鐘停機時，只有1天室內溫度能達標，達標率僅為1.6%。

對模擬數據做進一步分析表明：影響提前停機時間的主要因素是停機時刻的室外溫度，并且對應某一提前停機時間存在一個停機時刻允許最低室外溫度Tout.min也就是能使營業結束時刻室溫剛好達標的提前停機時刻所對應的最低室外溫度。十一種提前停機運行方案的停機時刻允許最低室外溫度Tout.min，見表8。

表8 十一種提前停機運行方案的停機時刻允許室外溫度Tout.min

由表8可以看到：提前停機時間隨著停機時刻允許最低室外溫度Tout.min增加而降低，兩者近似呈線性關系，見線圖4。

最低室外溫度Tout.min的關系

2.4 提前開停機節能性分析

2.4.1 提前開機節能性分析

利用所搭建的仿真平臺通過調節提前開機時間，對四種提前開機運行方案的系統能耗進行了模擬分析，模擬結果見表9。

表9 四種提前開機方案的總能耗

從表9可知，四種提前開機方案的總能耗隨著提前開機時間的增加而增加，當按方案A3運行時，系統總能耗最大。

由前面的表5可知，在整個空調運行期內，不是每天都需要提前18分鐘啟動空調系統，若在運行期62天內空調系統采用組合提前開機運行方案，即按方案A0至A3分別運行11天、21天、27天和3天，則組合運行方案能耗測算結果見表10。

表10 按組合提前開機運行方案的總能耗測算

表10表明，在運行期62天內，按上述四種運行方案組合運行要比單純按方案A3（均提前18分鐘）運行節能4.39%。在模擬中，由于時間步長設置為6分鐘，因此，上述運行方案提前開機時間的間隔均是6分鐘。在實際運行中，如果每天都按實際情況適時確定合理的提前開機時間，其節能效果會更好。

2.4.2 提前停機節能性分析

利用所搭建的仿真平臺，通過調節提前停機時間對十一種提前停機運行方案的系統總能耗進行了模擬研究，其模擬結果見表11。

表11 十一種提前停機運行方案總能耗

由表11可知，隨著提前停機時間的增加，系統總能耗呈遞減趨勢。當提前60分鐘停機時，空調系統能耗最低。

由前面表6可知，在空調運行期內，不是每天都能提前60分鐘停機運行，若在運行期62天內空調系統采取組合提前停機運行方案，即按方案B1至B10分別運行 1天、8天、10天、21天、9天、7天、3天、1天、1天和1天，則其組合運行方案的能耗測算結果見表12。

表12 按組合提前停機運行方案的總能耗測算

表12表明，在運行期62天內，系統按上述組合提前停機運行方案比不提前停機運行方案（方案B0）要節能3.67%左右。在模擬中，由于時間步長設置為6分鐘，因此，上述運行方案提前停機時間的間隔均為6分鐘。在實際運行中，如果每天都按實際情況適時確定合理的提前開機時間，其節能效果會更好。

3 結論

1）對于商場建筑中央空調系統，合理確定提前啟/停機時間，能在保證營業時間室溫達標的前提下實現節能。

2）提前開機時間主要取決于室內溫度，并隨開機時刻的室內溫度的升高而增加，對應于某一提前開機時間存在一個提前開機時刻允許最高室內溫度，兩者之間近似呈線性變化關系。

3）提前停機時間主要取決于室外溫度，并隨停機時刻的室外溫度的升高而減小，對應于某一提前停機時間存在一個提前停機時刻允許最低室外溫度，兩者之間近似呈線性變化關系。

4）就具體的商場建筑中央空調系統而言，由于每個建筑的蓄熱特性不同，其提前啟/停時間隨室內溫度和室外溫度的變化規律也有所不同。對于具體的空調系統可根據運行期內自動監控系統采集的數據或人工逐時記錄的室內外溫度獲得具體提前啟/停時間與室內溫度和室外溫度的變化規律，進而利用此變化規律快速預測提前啟/停時間，指導實際運行，實現節能。