商業綜合體冷站用能分析與優化

劉猛，衷逸群，陳希，肖倩，晏璐

(重慶大學 城市建設與環境工程學院； 綠色建筑與人居環境營造國際合作聯合實驗室；國家級低碳綠色建筑國際聯合研究中心,重慶 400045)

近年來，中國商業綜合體經歷了爆發式增長，城市及經濟發展導致城市功能呈現集約化、復合化的趨勢，建筑綜合體應運而生。“商業綜合體”[1]是建筑綜合體中的一類，是以商業經營活動為主，結合餐飲、休閑娛樂、文化、辦公等多種功能于一體的綜合性建筑[2-3]。

商業綜合體內部空間結構及功能的復雜性、人員行為及數量變化的多樣性，導致商業綜合體建筑室內環境狀況復雜[4]。商業綜合體由于其體量大、客流量大、運行時間長、照明等設備密度高，造成總耗電量較大，通常情況下，空調系統耗電量比重最大，可達到50%[5-8]。中國除東北外，大部分地區在節能標準基礎上降低圍護結構K值，這對降低能耗影響很小，甚至會增大能耗，說明對于商業建筑的節能應主要關注室內熱源及供冷系統[9]。商業綜合體這類大體量建筑冷站往往采用多臺大冷量機組，由于負荷的逐時變化，多臺機組同時運行時能達到整體高效就顯得非常重要[10]。商業綜合體冷機設計容量大于實際運行時峰值冷量是較為普遍的情況，許多投入運營的商業綜合體供冷系統設計容量都大大超過實際需求，不僅浪費投資，還降低了冷機效率，增加了系統能耗[11-13]。

針對商業綜合體空間、業態、室內環境等因素進行調研，分析其對空調的使用需求，通過冷站全年運行記錄，分析冷站供冷能力、能耗及運行工況；再對典型商業綜合體建立模型，分析負荷特征，并根據業態負荷特征或季節負荷特征對冷源進行優化設計和對比。

1 空調使用需求特征分析

商業綜合體內熱源是其負荷分析的重點，對空調使用需求影響大。從空間、業態和客流量三方面分析商業綜合體的特點，與傳統商業建筑進行比較，為之后室內環境和冷站運行分析及優化提供基礎。

1.1 空間布局

商業綜合體多種多樣的空間布局類型造成相應不同的空調需求特征。20世紀，商業綜合體整體布局緊湊，而近年來新建商業綜合體體量大，出現大面積的中庭及貫通空間，對空調需求影響較大。因此，對5個商業綜合體空間布局進行調查，基本信息見表1。

表1 A～E商業綜合體概況Table 1 Overview of the A～E commercial complexes

同時，結合文獻調研的商業綜合體空間布局，將其分為兩個典型類別：環繞型和中庭型，見圖1。環繞型整體空間較緊湊，中庭型空間分布較線性化，以中庭的分布串聯起整個空間。

圖1 商業綜合體空間分布典型類型(灰色為主路徑)Fig.1 Typical types of spatial distribution of

1.2 業態分布

不同業態在商業綜合體的功能中發揮不同的作用，其空間分布模式是商業綜合體規劃中非常重要的部分，同時，也會影響室內不同區域的負荷需求和變化，影響空調系統的劃分。對于商業綜合體，其業態主要為5大類[14]：超市、大賣場；百貨店；專業專賣店；餐飲店；娛樂休閑店。

結合商業綜合體環繞型和中庭型兩類典型的空間分布，對各業態的空間分布進行對比，見表2。環繞型空間布局相對緊湊，業態分布集中；中庭型空間布局較分散，體量普遍較環繞型更大。

表2 兩類商業綜合體典型空間分布下的分層業態空間分布模式Table 2 Layered spatial distribution patterns of businessStates under typical spatial distribution of two types of commercial complexes

1.3 客流量

商業綜合體相較其他類型建筑而言，客流量大、隨時間波動頻繁，因此，人員負荷的分布情況對負荷計算以及冷源設計優化至關重要。

結合文獻及實際調研發現：標準及設計手冊的取值單一，只對商業建筑人均占有面積有統一參考值，不能涵蓋不同時代和不同類型商業綜合體的真實情況。相關設計標準規范中對商業建筑的客流量取值有相關規定，如《公共建筑節能設計標準》(GB 50189—2015)附錄B中，介紹商業建筑人均占有面積為8 m2/人；《實用供熱空調設計手冊》中對商業建筑人均占有面積為3 m2/人(一般商店)和4 m2/人(高檔商店)。20世紀90年代，傳統商業建筑體量小，人均占有面積在2.0～10.0 m2/人[15]，近年來，商業綜合體爆發式增長，其人均占有面積在4.0～20.0 m2/人[16]。

2 供冷季室內環境分析

冷站用能問題需要首先關注室內環境需求，室內熱濕環境狀況對節能是非常重要的參數[17]。根據文獻調研[18-20]，商業綜合體室內環境復雜，溫度分布范圍大，繁忙時段及客流量較大處易出現CO2濃度超標的情況。原因在于，商業綜合體體量大、功能多，且商業綜合體有其特殊空間，如半開放區域、中庭，其室內環境及控制措施都與傳統商業建筑有較大差別。

因此，為分析各區域冷量、新風是否滿足要求，從而為進一步分析冷站運行做基礎，對商業綜合體供冷季室內熱濕環境進行實測，主要是了解不同區域室內環境狀況。2017年7月—8月，選取不同典型夏季氣候條件，結合工作日以及節假日等分別對A、B、C三個商業綜合體室內環境進行測試，測試內容包括室內溫濕度及CO2濃度分布，測試儀器型號及精度見表3。

表3 測試儀器參數Table 3 Test instrument parameters

2.1 公共區域室內環境

公共區域主要包括公共走廊、中庭、大廳等區域，商業綜合體內的公共區域往往是客流往來頻繁的地方，因此，顧客對室內環境的感受十分重要。

圖2為3個商業綜合體的分層室內環境對比，有以下特點：

1)總體來看，室內環境較為舒適，溫度多分布在25～27 ℃，新建綜合體B、C室內環境舒適，溫度穩定在25.5～26.5 ℃范圍內。相比之下，年代久遠的綜合體A整體溫度偏高且溫度分布差異大。

2)室內溫度分布普遍是從底層至頂層溫度逐漸升高，頂層比底層升高3%。主要原因是，頂層傳熱量大，且頂層一般多為餐飲，熱源大，客流量也大。

3)由于客流量大，底層CO2濃度普遍較高，周末CO2濃度明顯高于工作日，一日中CO2濃度逐漸累積，晚間達到峰值。

4)局部區域存在問題有：頂層溫度易過高，尤其頂層為餐飲；部分位于建筑形體突出處的外區溫度高；部分區域CO2質量分數接近或超過1 000×10-6，尤其是底層及部分人員密集的店鋪內。

圖2 A、B、C商業綜合體室內環境分布Fig.2 Commercial integrated somatic environmental distribution of A,B and

2.2 不同業態室內環境

百貨、專業專賣、休閑娛樂、餐飲及超市5種不同業態及公共區域的室內熱濕環境狀況均值，見表4。數據表明，各業態的溫度值相差不大，休閑娛樂及超市溫度低于26 ℃；專業專賣和超市的相對濕度偏低；各業態CO2濃度相差較大，百貨的CO2濃度較其他區域最低，這與其內部客流量較小有關。

表4 不同業態區域室內環境Table 4 Indoor environment in different industries

為了比較不同業態的室內熱濕環境參數是否有顯著差異，用Kruskal-Wallis檢驗對不同商業體內不同業態進行分析，結果見表5。可看出，B商業綜合體的超市、百貨、專業專賣、餐飲、娛樂5個業態間的室內環境存在顯著差異，說明由于功能的特點，不同的業態形式形成了不同的室內熱濕環境狀況。

3 冷站運行特點分析

通過供冷季室內環境分析可以看出，商業綜合體整體環境舒適，說明冷站運行基本不存在大的問題，室內環境問題主要表現為局部時間和局部空間的不舒適，該問題可通過空調設計及控制加以優化改善。以下對冷站全年運行情況進行分析。

表5 B商業綜合體不同業態室內熱濕環境Kruskal-Wallis檢驗Table 5 Kruskal-wallis test for indoor hot and wet conditionsin different types of the B business complex

注：顯著性水平為0.01(雙側檢驗)。

獲取A商業綜合體2017年7月15日—7月19日、8月7日—8月10日及B商業綜合體2015年全年運行記錄數據進行分析。A、B商業綜合體的冷站設備見表6、表7。

表6 A商業綜合體冷站設備表Table 6 List of cold station equipment for the A commercial complex

表7 B商業綜合體冷站冷機表Table 7 List of cold station equipment for the B commercial complex

3.1 冷站設計容量過大

圖3 B商業綜合體不同機組開啟小時數Fig.3 Hours of start-up for different units of the

3.2 冷站開啟時間長

B商業綜合體內部為貫通大空間，存在大面積內區，全年都存在空調冷負荷。根據商業綜合體冷站運行數據，冷站每天都運行，從圖4中也可看出，2015年、2016年冬季冷站能耗均占13%。

圖4 B商業綜合體2015年、2016年冷站季節能耗Fig.4 Cold station quarter energy consumption of the B commercial complex in 2015 and

3.3 冷站負荷率及COP分布

從圖5負荷率分布可以看出，絕大部分時間均在50%以上，無低于25%的情況，說明大型商業綜合體負荷率波動較為穩定。

圖5 商業綜合體負荷率分布Fig.5 Load-rate distribution of commercial

圖6 商業綜合體冷機運行COP分布Fig.6 Cop distribution of cold machine operation

圖6為機組COP分布情況，可以看出，小冷機運行使用頻率高，COP大多達到或超過額定值；大冷機由于容量大，反而易處于低COP工況運行；單臺機組運行時COP 較高，多臺機組組合運行往往不能同時實現高效；不同組合開啟方式存在供冷量大小重疊的區域。如部分“1大”的運行COP低于4.0，這部分工況供冷量較低，可由“2小”的工況代替，負荷率高且波幅小，基本在50%以上，說明商業綜合體負荷穩定，臺數控制相對來看更為重要。

4 冷源設計優化

商業綜合體冷站耗能大，冷源設計優化尤為重要。傳統負荷計算及進行冷源設計時，關注負荷的最大值，再以不同容量比例的大小機進行配置，并未對負荷的季節分布、業態分布進行詳細分析。結合商業綜合體常見冷源的調研發現：

1)多將建筑整體考慮設1個冷源，少數將超市、百貨和其他業態分設冷源。

2)商業綜合體負荷穩定，冷機多采用離心機，少數會加設1～2臺螺桿機(冷量通常約為離心機的1/2)。

以上方案多根據慣例或經驗確定，而針對商業綜合體這類與傳統商業建筑空調需求有較大差異的建筑，應根據自身負荷特征合理進行冷源設計。由于不同業態的負荷在時間、空間方面的分布特征不盡相同，可考慮不同業態負荷由不同冷水機組承擔。結合不同業態空間分布模式以及不同業態負荷特征，利用DeST軟件對B、D商業綜合體建模，并對比根據業態負荷和季節負荷選擇機組兩類冷源設計方法來具體分析冷源設計優化。

“一生四夢，得意處惟在牡丹”[1]的《牡丹亭還魂記》，主要依據《杜麗娘慕色還魂》改編，這是不爭的事實。但魏晉志怪、唐人傳奇對《牡丹亭》創作的影響，人們常常估計不足。湯顯祖在《牡丹亭題詞》里明明白白寫道：

4.1 根據業態負荷選擇機組

將商業綜合體分為公共區域、商鋪、餐飲、超市、娛樂5個區域，統計其峰值負荷，見圖7。可以看出，B、D商業綜合體的各業態負荷特征不同：D業態布局比較規整，同一業態大多組團集中分布，因此，各業態負荷相近；而B體量大，專業專賣類占比大且較集中，因此，專業專賣的負荷占了非常大的比例。

圖7 B、D商業綜合體各業態峰值冷負荷Fig.7 Peak cold load for various industries in the B and D business

4.2 根據季節負荷選擇機組

結合商業綜合體負荷時間規律進行分析：全年都有冷負荷，且不同季節冷負荷數量相差巨大，低于50%最大建筑冷負荷的小時數過半；商業綜合體日負荷較穩定，一日中負荷峰谷差不顯著。因此，考慮可由季節負荷的變化規律選擇冷機，以適應不同負荷段的需求。

圖8 建筑冷負荷率分布Fig.8 Cold load rate distribution in

圖8為不同冷負荷率的小時數分布，從圖中可以看出，絕大多數時間內建筑的冷負荷率低于50%，主要原因是內區負荷持續穩定。

從圖9看，1月—3月及12月平均逐時供冷量穩定，與1臺小冷機冷量相近， 4月、5月、11月與2臺小冷機冷量相近，6月、10月與1臺大冷機冷量相近，7月—9月與2臺大冷機冷量相近。

圖9 B商業綜合體不同月份平均逐時供冷量Fig.9 Average hourly coolant supply for different months of the B commercial

根據以上分析，可初步得出依據負荷季節變化確定商業綜合體的冷機容量配置的方法：冬季冷負荷配置1臺小冷機；夏季冷負荷配置1～2臺大冷機；過渡季負荷一般在2臺小冷機至1臺大冷機的冷量之間。對B、D商業綜合體冷站用能模擬計算過程中，冷機設計為“1大2小”。

4.3 根據業態/季節選擇對比

通過以上分析，現將按業態負荷和按季節負荷兩類冷源設計方案進行計算，機組配置及全年能耗模擬結果見表8。

可以看出，按照業態負荷選擇冷源設計方案的冷站總能耗較低，尤其是對于B商業綜合體來說，節能效果更好，主要原因是，中庭型的B商業綜合體空間分散，不同業態負荷特征變化明顯。D商業綜合體按照業態負荷選擇與按季節負荷方案總能耗略低，主機能耗偏高。這說明對于空間聚集的環繞型D商業綜合體，各業態負荷量相近，采用業態負荷選擇冷源方案的節能效果不如中庭型的B商業綜合體明顯。總體來看，商業綜合體按照業態負荷進行冷源設計對冷站節能是有利的，尤其是對于中庭型、體量較大、業態空間布局分散，且各業態負荷量相差較大的商業綜合體，更應按照不同業態負荷進行冷源設計。

表8 B、D商業綜合體業態/季節負荷選擇機組全年冷站能耗Table 8 Annual Station Energy Consumption for the B and D commercial Complex Operations/Seasonal Load Selection Units

5 結論

對商業綜合體進行調研，根據負荷特征分析了空調使用需求特征。通過室內熱濕環境實測和冷站全年運行記錄，分析不同業態、不同區域的室內熱濕環境的差異和問題，分析冷站供冷能力、能耗及運行工況。再對兩類典型空間分布(環繞型/中庭型)的商業綜合體建立模型，分析不同區域、不同時間段的負荷特征，并根據業態負荷特征或季節負荷特征對冷源進行優化設計和對比，以提供對實際商業綜合體設計工作的支撐。

主要結論如下：

1)將商業綜合體空間類型分為環繞型和中庭型兩類，環繞型商業綜合體業態分布較中庭型更為集中，商業綜合體由于各業態使用時間連續，峰谷特征不明顯。人員密度方面，近年來新建商業綜合體人均占有面積在10 m2左右，較傳統商業建筑大。

2)商業綜合體由于功能的綜合性，室內環境較傳統商業建筑波動較大，不同業態室內環境有顯著差異。總體來看，室內環境舒適，溫度多分布在25～27 ℃。局部區域存在兩方面問題，一是頂層溫度易過高，尤其頂層為餐飲；二是部分底層及部分人員密集區域CO2質量分數接近或超過1 000×10-6。

3)針對冷站實際運行分析發現，商業綜合體體量大，存在每天都有冷負荷的情況，冷站運行時間長；冷機設計容量普遍過大；冷機負荷率較高，新建綜合體冷機運行COP在5～7。

4)商業綜合體按照業態負荷特征進行冷源設計對冷站節能有利，尤其是對于體量大、業態布局分散且各業態負荷差異大的中庭型商業綜合體來說，更應按照不同業態負荷選擇冷源方案。