某商業綜合體能源改造項目案例分析

摘 要：首先對某商業綜合體目前冷熱源系統運行中存在的問題及改造需求進行了分析，隨后通過建立負荷計算模型得出了設計熱負荷、設計冷負荷和全年動態負荷，并根據既有建筑現場條件和建筑負荷特點選用合理的冷熱源方案，最后討論了在能源改造過程中項目組遇到的難題及采用的關鍵技術和措施。該設計思路對商業綜合體的能源改造具有重要的借鑒意義。

關鍵詞：商業綜合體;能源改造;雙碳;合同能源管理;高效設備;全年動態負荷;設備選型;節能降耗

中圖分類號：TU831.3+1" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）04-0049-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.04.012

0" " 引言

當前，城市更新，雙碳目標是熱點話題。我國的建筑產業已從增量市場轉向存量市場，且隨著全球能源危機和環境問題的日益嚴重，建筑行業的能源消耗和碳排放成為全球關注的焦點。特別是商業綜合體這類大型多功能建筑，其能源消耗一直是重點研究的對象。本文以一商業綜合體能源改造項目為例，針對其冷熱源進行了節能改造，旨在降低運行費用，提高能源利用效率。在改造過程中，項目組遇到了一些難題，通過一些關鍵技術和措施的應用，這些問題順利得到解決，為今后此類商業綜合體能源改造項目提供了有益的經驗。

1" " 項目概況

本項目總建筑面積為173 485 m2。地上建筑物總建筑面積為125 415 m2，三棟塔樓建筑高度均為95.6 m，建筑層數均為22層。地下建筑面積為48 070 m2，建筑高度為9.2 m，層數為2層。

該項目為集辦公、商務酒店和配套商業等多種功能于一體的商業綜合體。一至三層和局部四層為裙房，功能為大堂和商業及餐飲、會議、多功能廳等;A樓四層以上、C樓五層以上用于辦公;B樓五至十四層用于辦公，十五至二十二層為商務酒店及公寓式酒店。地下一、二層為機動車和非機動車停車庫及配套商業、設備用房。項目地處夏熱冬冷地區。

原設計采用蒸汽作為建筑冷熱源的能源，空調冷源采用溴化鋰吸收式機組，空調熱源采用不銹鋼螺旋螺紋管換熱機組。中央能源站設置于地下二層。根據項目的業態形式分為辦公、商業及酒店3個獨立的中央空調系統，末端采用風機盤管加新風系統。原設計采用太陽能預加熱后經市政高壓蒸汽板換制備生活熱水。本文重點對該建筑能源改造中的空調冷熱源系統改造進行介紹和分析。

2" " 冷熱源系統運營存在的問題

冷熱源系統投入使用幾年來，存在單位建筑面積運行費用嚴重偏高的問題，分析原因如下：

1）蒸汽價格連年上漲，項目投入使用時蒸汽價格為165元/t，現已上漲到295元/t，這是造成單位面積空調運行費用嚴重偏高的重要原因之一。

2）溴化鋰機組隨著運行時間的增長，出現滲漏，難以維持所需的真空度，造成機組能效衰減。

3）蒸汽管路管徑與壓力過大，現狀實際需求較小，不可避免地造成蒸汽“表損”遠大于正常值。

4）現有空調冷熱源為辦公、酒店、商業三個系統獨立運行，水泵均未設置變頻，且控制策略不完善。

5）未考慮各業態不同入住率、空調同時使用率，各分區空調冷源長時間處于部分負荷運行狀態，運行效率較低。

3" " 改造需求

由于上述原因，該商業綜合體的冷熱源需進行節能改造，以降低冷熱源運行費用。主要須滿足以下幾點需求：

1）設備改造，去除全部蒸汽設備，改用電作為制冷、制熱、衛生熱水的能源。空調和熱水設備最大程度利用熱泵、磁懸浮等先進技術，選用當前市場上高效節能產品。

2）將原來辦公、酒店、商業獨立的空調冷熱源系統整合成一個集中的能源站系統，從而降低初投資，并能更好地實現能源的整體優化和管理。

3）與行業頂尖廠家、服務商合作，采用能源站專業服務外包合作模式（合同能源管理EMC），一攬子解決設備、安裝建設以及運維管理等問題，并在盡量不投資或少投資的條件下實現長期運行費用的節約。

4）本次改造范圍以辦公、商業和酒店分集水器為界，原分集水器、分集水器至末端的管道及原建筑內末端設備保留繼續利用，僅改造分集水器至冷熱源的管路和設備。

5）打造能源站監控示范平臺，并能夠實現各個功能分區能源的靈活控制。

4" " 建筑空調負荷特點

以原設計建筑圍護結構性能參數為依據，利用負荷計算軟件建立了本項目空調冷熱源負荷計算模型，如圖1所示，對空調區的冬季設計熱負荷、夏季逐時設計冷負荷及全年動態負荷進行了計算。

經計算，空調設計總冷負荷16 361 kW，設計總熱負荷9 741 kW，各功能區的負荷指標詳如表1所示。

通過負荷計算模型對該建筑空調負荷特點及全年動態負荷運行能耗進行分析，得出該項目辦公、商業和酒店冷負荷高峰同時出現在15：00—17：00，最大冷負荷出現在7、8月份，最大熱負荷出現在1、2月份。辦公場地19：00至次日07：00停止使用，商業場地21：00至次日08：00停止使用，酒店24 h使用。

5" " 冷熱源改造方案對比

根據本項目現場與周圍環境條件，對本項目空調冷熱源方案進行了對比分析，如表2所示。

方案一需設鍋爐房，需考慮泄爆、煙氣排放、燃氣引入等因素，對于改造類的項目，無合適的擺放位置，且冬季制熱運行費用較高;方案二風冷熱泵系統制冷能效低于冷水機組，不利于節能;方案三系統運行可靠，能充分發揮風冷熱泵制熱和冷熱水機組制冷高能效的優勢，冷負荷高峰時，冷水機組不足的冷量可由風冷熱泵補充，減少冷水機組配置，減少初投資。綜合考慮各種因素，選擇了方案三的冷熱源模式。

6" " 空調冷熱源設備容量的確定

根據商業綜合體空調負荷特點及《民用建筑暖通空調設計統一技術措施2022》中綜合性建筑（具備辦公、酒店、商業功能）的有關內容，冬季商業建筑熱負荷較小，且區域內某些建筑間歇使用，集中熱源同時使用系數取0.8，冷源同時使用系數取0.85[1]。經計算熱源設備安裝容量為7 793 kW，冷源設備安裝容量為13 907 kW。

通過全年動態負荷計算數據對不同的冷水機組和風冷熱泵的占比進行分析，當磁懸浮冷水機組制冷量占總冷負荷50%時，設備運行費用+冷熱源機組設備投資總額最低，如表3所示。

根據上述數據進行風冷熱泵冷（熱）水機組和磁懸浮冷水機組的容量選型。

7" " 本項目關鍵技術措施

本次能源改造遇到了一些難題，針對這些難題項目組采用了一些關鍵技術。

首先改造中的風冷熱泵屬于新增設備，放置于裙樓屋面需考慮樓面荷載，為了降低設備對屋面荷載的影響，項目組采用了如下幾點措施：

1）利用廢棄的種植屋面區域放置風冷熱泵，經復核風冷熱泵設備荷載與種植屋面覆土荷載置換后小于原種植屋面荷載，通過此方式避免了屋面結構加固。

2）風冷熱泵的基礎采用立柱+鋼架平臺的方式，所有的立柱設置于梁柱上方，利用梁柱將風冷熱泵的重量分散傳遞到建筑的基礎上，降低了裙樓屋面樓板的荷載風險，如圖2所示。

3）為了防止設備混凝土立柱開裂，所有立柱上表面都配了雙向鋼筋網。

為了使冷熱源系統高效節能運行，項目組對整個冷熱源系統進行了優化，主要采用了以下幾點措施：

1）空調水系統的二級冷熱水循環泵都改為變頻水泵。

2）由于各分區空調子系統阻力不同，項目組采用了一次泵定頻、二次泵變頻的分布式二級泵水系統模式。

3）考慮到系統垂直高差大，主樓高度將近100 m，為了降低設備的承壓等級，靈活采用了水泵入口接冷熱源設備方式，從而減少了設備因提高承壓等級而產生的額外投資。

4）機房設備、管路閥門和附件都選用低阻力型，以減小系統阻力，降低水泵揚程，減少運行費用。

5）生活熱水采用了太陽能集熱器+空氣源熱泵熱水器的復合熱源模式，為了控制軍團菌，在陰雨天氣，水溫不達標時，采用熱泵+輔助電加熱+蓄熱水箱夜間低谷電價時蓄存高溫熱水的運行模式。在滿足衛生要求的同時，達到系統節能的要求。

6）選用高能效設備，合理設置傳感器、控制閥門，搭建高效機房控制平臺。

8" " 結束語

通過對商業綜合體能源改造項目進行研究和實踐，項目組取得了一定的成果。經測算，該商業綜合體能耗和運行費用得到了較大幅度的降低，能源利用效率提高。在改造過程中，項目組采用了一些關鍵技術和措施，如在裙樓屋面利用廢棄的種植屋面放置風冷熱泵，采用低阻力型設備/閥門與配件、高效設備、變頻水泵和分布式二級泵系統等，這些技術在降低初投資和設備能耗的同時，也大大提高了系統可靠性和穩定性。本研究的經驗和成果能夠為類似商業綜合體的能源改造提供有益的借鑒，為推動建筑節能和可持續發展做出一定的貢獻。

[參考文獻]

[1] 中國建筑設計研究院有限公司.民用建筑暖通空調設計統一技術措施2022[M].北京：中國建筑工業出版社，2022.

收稿日期：2023-10-29

作者簡介：秦振春（1981—），男，江蘇高郵人，高級工程師，研究方向：建筑機電節能改造、中央空調設計與優化。