購(gòu)物中心租區(qū)空調(diào)水系統(tǒng)現(xiàn)狀分析及節(jié)能改造方案研究

馮 源 沈 薇

（成都基準(zhǔn)方中建筑設(shè)計(jì)有限公司 成都 610021）

0 引言

在國(guó)務(wù)院印發(fā)《2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》中，城鄉(xiāng)建設(shè)碳達(dá)峰作為重要工作之一，其中要求加快提升建筑能效水平，加快推進(jìn)公共建筑節(jié)能改造，逐步開展公共建筑能耗限額管理。從能耗強(qiáng)度和能耗總量進(jìn)行雙控[1]。

根據(jù)清華大學(xué)建筑節(jié)能研究中心對(duì)于中國(guó)建筑領(lǐng)域用能的核算結(jié)果，建筑運(yùn)行能耗約占全社會(huì)能耗的比例約為22%。而公共建筑能耗占建筑能耗的比例約為34%[2]，其單位面積能耗約為普通城鎮(zhèn)住宅用電量的4 倍。公共建筑單位面積能耗增長(zhǎng)持續(xù)增長(zhǎng)的現(xiàn)象是近年來越來越多使用集中空調(diào)系統(tǒng)的大體量購(gòu)物中心，商業(yè)綜合體，其單位面積電耗都在100kWh/m2以上。當(dāng)前，購(gòu)物中心約占公共建筑總量約20%，經(jīng)過近20年的蓬勃發(fā)展，作為一種成熟的商業(yè)服務(wù)模式，已深深融入了城鎮(zhèn)居民生活[3]。從2002年至2020年，國(guó)內(nèi)建成的各種規(guī)模的購(gòu)物中心達(dá)到了6000 多家，每年還在以300-500 家的速度遞增[4]。

中央空調(diào)能耗作為能耗大戶約占商業(yè)建筑總能耗40%[2]。國(guó)家及地方政府出臺(tái)了多項(xiàng)有關(guān)綠建節(jié)能相關(guān)的法規(guī)及措施，從各個(gè)環(huán)節(jié)來規(guī)范項(xiàng)目設(shè)計(jì)，推廣高能效產(chǎn)品運(yùn)用及指導(dǎo)運(yùn)維。由于制冷站能耗（冷源及輸配能耗）占據(jù)了整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)能耗的85%，隨著機(jī)房群控技術(shù)的推廣普及，更多的節(jié)能設(shè)計(jì)及管理的關(guān)注點(diǎn)都在提升制冷站的能效[5]，而末端運(yùn)行的控制和供需反饋將直接影響到冷源的節(jié)能運(yùn)行。根據(jù)大量調(diào)查反饋，既有購(gòu)物中心對(duì)于末端系統(tǒng)的控制設(shè)計(jì)方案及運(yùn)維管理還相對(duì)粗放，導(dǎo)致整體空調(diào)系統(tǒng)的能效低，能耗高。本文將針對(duì)購(gòu)物中心在租戶區(qū)域的空調(diào)水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，控制及管理的問題進(jìn)行研究分析，并結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目提出節(jié)能改造方案。

1 租區(qū)空調(diào)能耗分析及空調(diào)水系統(tǒng)設(shè)置現(xiàn)狀

非街區(qū)型的室內(nèi)購(gòu)物中心通常都為開發(fā)商自持獨(dú)立產(chǎn)權(quán)，不同業(yè)態(tài)的商家已租賃的方式入駐，包含的常見業(yè)態(tài)為超市、影院、百貨、零售商鋪、餐飲、早教、娛樂等。除去有特殊需求及營(yíng)業(yè)時(shí)間與大商業(yè)差異化較大的主力店，其他租戶的空調(diào)均由大商業(yè)集中提供。本文以當(dāng)前市場(chǎng)占有量較大的幾個(gè)購(gòu)物中心品牌為研究樣本，其營(yíng)業(yè)的數(shù)量如表1所示，此類購(gòu)物中心設(shè)計(jì)及運(yùn)營(yíng)管理標(biāo)準(zhǔn)化程度較高，具有代表性。

表1 2021年既有大型品牌購(gòu)物中心個(gè)數(shù)Table 1 The Number of Shopping Malls in 2021

以體量為10 萬平米商業(yè)面積的購(gòu)物中心為例，約80%的面積為空調(diào)區(qū)域，扣除采用獨(dú)立冷熱源的商業(yè)租戶（影院、超市等）后，使用購(gòu)物中心集中冷熱源的租戶空調(diào)面積約占70%，約有30%的面積為公共區(qū)域，主要包含步行街（中庭回廊）、扶梯/電梯廳、商管辦公、公共衛(wèi)生間等。

通過對(duì)萬達(dá)廣場(chǎng)、吾悅廣場(chǎng)、龍湖天街、華潤(rùn)萬象城/匯等設(shè)計(jì)及管理標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比，這些購(gòu)物中心標(biāo)準(zhǔn)化程度較高，空調(diào)系統(tǒng)設(shè)置形式也基本相似。冷源采用電制冷冷水機(jī)組，熱源根據(jù)地區(qū)差異采用市政熱源、自建燃?xì)忮仩t房或不設(shè)熱源。租戶末端空調(diào)形式根據(jù)其租區(qū)大小差異化設(shè)置，大租戶采用組合式空調(diào)器或吊裝式空調(diào)器設(shè)置全空氣系統(tǒng)，新風(fēng)自取。小租戶設(shè)置風(fēng)機(jī)盤管，由商場(chǎng)統(tǒng)一提供處理之后的新風(fēng)。租戶的空調(diào)交付標(biāo)準(zhǔn)有所差異，有些根據(jù)租戶需求將風(fēng)機(jī)盤管安裝到位，有些預(yù)留水管供租戶自行接駁。

根據(jù)空調(diào)負(fù)荷分析，扣除新風(fēng)負(fù)荷（新風(fēng)集中提供），租區(qū)可以自行設(shè)置及控制的空調(diào)負(fù)荷占比約為購(gòu)物中心總空調(diào)負(fù)荷占比50%，空調(diào)能耗占比非常顯著。

在筆者對(duì)標(biāo)研究了上述多個(gè)購(gòu)物中心的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)地走訪調(diào)查了多個(gè)正在運(yùn)營(yíng)中的購(gòu)物中心，并與物管負(fù)責(zé)人進(jìn)行溝通交流后，發(fā)現(xiàn)對(duì)購(gòu)物中心租區(qū)空調(diào)從系統(tǒng)設(shè)計(jì)，安裝調(diào)試以及運(yùn)維管理，存在如下現(xiàn)狀：

（1）招商方面

受到商鋪招租的壓力，業(yè)主的招商部門會(huì)接受租戶的空調(diào)設(shè)置要求。而租戶的空調(diào)標(biāo)準(zhǔn)（通常為單位面積的冷/熱負(fù)荷指標(biāo)）遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)時(shí)采用的室內(nèi)舒適度標(biāo)準(zhǔn)。

（2）設(shè)計(jì)方面

購(gòu)物中心的空調(diào)水系統(tǒng)多采用冷熱切換的兩管制系統(tǒng)，供回水于管地庫(kù)通過水平敷設(shè)至各供回立管，由立管在各樓層接出支干管至空調(diào)末端，一組立管回路服務(wù)半徑約為40 米左右范圍，平面示意圖參見圖1。

圖1 空調(diào)水平面圖示意Fig.1 Air Conditioning Water Pipe Plan

租區(qū)與公區(qū)的水系統(tǒng)合用，無法對(duì)租區(qū)進(jìn)行監(jiān)控并調(diào)節(jié)，目前設(shè)計(jì)中已很少采用。

租區(qū)與公區(qū)的水系統(tǒng)獨(dú)立設(shè)置卻未設(shè)置電動(dòng)調(diào)節(jié)閥。如圖2所示，租區(qū)空調(diào)常見水系統(tǒng)接管方式有2 種方式，出于水環(huán)路水力平衡調(diào)節(jié)的考慮，將公區(qū)的空調(diào)器（及集中新風(fēng)機(jī)）系統(tǒng)與租區(qū)的風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)在立管或水平支管上進(jìn)行區(qū)分，在支干管上僅考慮了用于水力平衡的閥門，對(duì)水平支管環(huán)路未進(jìn)行監(jiān)控并調(diào)節(jié)。

圖2 空調(diào)水管接管示意Fig.2 Air conditioning Water Pipe Connection

冷/熱水支干管未注明冬夏季設(shè)計(jì)流量。

（3）調(diào)試運(yùn)維管理方面

未完成水系統(tǒng)初次調(diào)試或調(diào)試不到位即移交物業(yè)。

冬夏季空調(diào)冷熱水切換后，物業(yè)未根據(jù)環(huán)路流量需求重新調(diào)整管路阻力特性。

租戶空調(diào)計(jì)費(fèi)方式都未采用能量計(jì)，均采用面積分?jǐn)偟姆绞健?/p>

未將租區(qū)空調(diào)末端連入購(gòu)物中心的BA 系統(tǒng)，未能對(duì)租區(qū)的空調(diào)設(shè)置溫度及實(shí)際溫度進(jìn)行監(jiān)督，無法對(duì)租區(qū)的空調(diào)進(jìn)行控制。

2 租區(qū)空調(diào)水系統(tǒng)運(yùn)行常見問題及原因分析

根據(jù)對(duì)多個(gè)購(gòu)物中心的調(diào)查，對(duì)水系統(tǒng)反饋的主要問題多為：部分租戶內(nèi)部夏季過冷，冬季過熱現(xiàn)象嚴(yán)重，而部分租戶冬夏季均達(dá)不到設(shè)計(jì)溫度，租戶冷熱差異現(xiàn)象明顯；水系統(tǒng)大流量小溫差運(yùn)行；空調(diào)能耗高。仔細(xì)分析，這些問題的產(chǎn)生，根據(jù)研究表面，大多于租區(qū)的空調(diào)設(shè)計(jì)及管理有關(guān)[6,7]。

原因1：租戶安裝及使用管理喪失，能耗提升顯著。上文提到對(duì)租區(qū)招商條件的妥協(xié)導(dǎo)致其空調(diào)末端配置遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)值，且未接入BA 系統(tǒng)，物管無法對(duì)其空調(diào)進(jìn)行監(jiān)控。由于購(gòu)物中心空間內(nèi)夜間空調(diào)停止后的蓄熱，及商鋪營(yíng)業(yè)員的著裝情況，普遍會(huì)將冬夏季的設(shè)定值調(diào)到超出設(shè)計(jì)值，比如夏季22℃、冬季24℃，甚至調(diào)到極致的夏季18℃，冬季30℃。這種是導(dǎo)致能耗提升的直接原因。

原因2：流量失調(diào)導(dǎo)致租戶搶水引起的冷熱不均。有利環(huán)路流量過大導(dǎo)致了租區(qū)過冷過熱，也將導(dǎo)致不利環(huán)路的欠流。故商業(yè)公區(qū)及遠(yuǎn)端商鋪會(huì)因?yàn)楸粨屗鴮?dǎo)致溫度達(dá)不到設(shè)計(jì)值，這也是導(dǎo)致購(gòu)物中心內(nèi)冷熱不均的一個(gè)重要因素。而這個(gè)問題在夏熱冬冷地區(qū)二管制冷熱切換的冬季供暖更為突出，以成都的購(gòu)物中心為例，冬季的總供熱量約為夏季總供冷量的40%～60%，而熱水供水溫差大于冷水，導(dǎo)致冬季干管流量?jī)H為夏季流量的30%左右，而末端仍采用冷水工況的單盤管換熱器，若未進(jìn)行流量調(diào)節(jié)，會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的流量失調(diào)，冷熱不均。

原因3：夏季室溫溫度下降將導(dǎo)致空調(diào)冷負(fù)荷下降[8]，也會(huì)導(dǎo)致盤管換熱能力下降支干管大流量小溫差。根據(jù)對(duì)常見租區(qū)空調(diào)風(fēng)機(jī)盤管及吊裝空調(diào)器的換熱能力的分析，與設(shè)計(jì)室溫25℃相比，當(dāng)室溫降至23℃，換熱能力會(huì)減弱15%-20%，參見表2，3。而室內(nèi)溫度設(shè)定過低，又會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)二通閥處于敞開或電動(dòng)調(diào)節(jié)閥無法調(diào)小。將導(dǎo)致該租區(qū)環(huán)路的大流量小溫差情況，冷凍水輸送系數(shù)WTFchw 降低，能耗提升。

表2 風(fēng)機(jī)盤管供冷能力表Table 2 Cooling Capacity of FCU

表3 吊裝空調(diào)器供冷能力表Table 3 Cooling Capacity of AHU

3 租區(qū)水系統(tǒng)改造方案探討

為解決或緩解上述租區(qū)水系統(tǒng)問題，并充分考慮購(gòu)物中心管理難度及改造成本，在和多個(gè)物業(yè)方溝通下，可以被接受改造方案應(yīng)滿足以下前提條件：

（1）不調(diào)整計(jì)費(fèi)方案。

（2）避免影響或盡量少影響租區(qū)的營(yíng)業(yè)。

（3）避免或盡量少對(duì)精裝區(qū)進(jìn)行拆改。

（4）避免對(duì)原樓宇自控系統(tǒng)進(jìn)行顛覆性改造。

根據(jù)以上要求，排除了將租戶的空調(diào)末端接入BA 進(jìn)行集中控制的方案，而只能針對(duì)敷設(shè)在后場(chǎng)區(qū)域的空調(diào)水管路上進(jìn)行改造，且改造時(shí)間應(yīng)選擇在非空調(diào)季節(jié)，避免影響營(yíng)業(yè)。根據(jù)研究分析，改造思路為租區(qū)內(nèi)監(jiān)測(cè)，租區(qū)外控制，具體方案如下：

（1）對(duì)租戶溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控；通過在各個(gè)租戶增設(shè)WIFI 型無線溫度傳感器，每10 分鐘刷新一次室溫情況，遠(yuǎn)傳至監(jiān)控電腦，可以讀取各租戶室內(nèi)溫度情況。設(shè)備及安裝成本低，無拆改，不影響營(yíng)業(yè)。

（2）監(jiān)測(cè)并自動(dòng)調(diào)節(jié)租區(qū)回路支干管的水流量。

方案1，溫差調(diào)節(jié)方案。如圖3所示，于租區(qū)回路的回水支干管處，設(shè)置溫差調(diào)節(jié)閥。該閥門由二通調(diào)節(jié)閥，執(zhí)行器及一對(duì)溫度傳感器組成。通過遠(yuǎn)程或現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，執(zhí)行器比較供回水溫差實(shí)際值與溫差設(shè)定值，對(duì)閥門進(jìn)行比例積分調(diào)節(jié)，避免大溫差小流量情況發(fā)生。并可設(shè)定冬夏季的額定流量閥位及不同的供回水溫差。

圖3 溫差調(diào)節(jié)閥接管Fig.3 Temperature Difference Rregulation Valve

方案2：能量調(diào)節(jié)方案。如圖4所示，于樓層租區(qū)的回水支干管處，設(shè)置能量調(diào)節(jié)閥。該閥門由二通調(diào)節(jié)閥，執(zhí)行器，流量傳感器及一對(duì)溫度傳感器組成。通過超聲波流量計(jì)監(jiān)測(cè)管路流量參數(shù)，溫度傳感器采集供回水溫差參數(shù)，從而能直接監(jiān)測(cè)到末端當(dāng)前的實(shí)際換熱量。通過遠(yuǎn)程或現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，執(zhí)行器比較環(huán)路換熱量設(shè)定值與實(shí)際值，對(duì)閥門進(jìn)行比例積分調(diào)節(jié)。避免回路超流情況，并能通過溫差控制避免大溫差小流量情況發(fā)生。并可設(shè)定冬夏季的額定流量閥位及不同的供回水溫差。

圖4 能量調(diào)節(jié)閥接管Fig.4 Energy regulation Valve

以上2 種方案均通過RS485 通訊方式將檢測(cè)信號(hào)通過就近的網(wǎng)絡(luò)控制器接入樓宇自控系統(tǒng)（BA）的預(yù)留接口，或?qū)A 系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展補(bǔ)充后接入，可避免大規(guī)模的布線。

4 實(shí)際案例改造方案投資回報(bào)測(cè)算

4.1 項(xiàng)目介紹

該購(gòu)物中心位于成都中心城區(qū)，商業(yè)部分總建筑面積為132000m2，地上5 層，地下1 層，業(yè)態(tài)包括超市、零售、集合店、餐飲、電玩、健身、早教、KTV、影院等?？鄢O(shè)置獨(dú)立冷熱源的超市，KTV 及影院，其余業(yè)態(tài)都采用集中的大商業(yè)冷熱源，空調(diào)面積為92000m2。根據(jù)負(fù)荷計(jì)算，總冷負(fù)荷為14200kW，總熱負(fù)荷為5400kW。

冷凍水泵采用一次泵變頻的方式。水系統(tǒng)采用冷熱切換的兩管制系統(tǒng)，通過7 個(gè)立管系統(tǒng)將冷熱水輸送至末端，樓層支管接立管時(shí)分成兩個(gè)回路，分別為接入BA 的公區(qū)空調(diào)器與新風(fēng)機(jī)回路以及接入租區(qū)空調(diào)末端的回路，共有30 個(gè)租戶回路。參見圖5，租區(qū)由商家自行安裝空調(diào)，采用風(fēng)機(jī)盤管或吊裝空調(diào)器。均未接入購(gòu)物中心BA 系統(tǒng)。

圖5 空調(diào)水系統(tǒng)圖Fig.5 Air Conditioning Water System

4.2 租區(qū)水系統(tǒng)改造方案及節(jié)能效果測(cè)算

為改善租區(qū)空調(diào)“失控”現(xiàn)狀，降低租區(qū)空調(diào)能耗，擬采用上述兩種方案針對(duì)租區(qū)供回支干管進(jìn)行改造，并與設(shè)計(jì)目標(biāo)工況及現(xiàn)狀運(yùn)行工況進(jìn)行關(guān)于投資及節(jié)能回報(bào)比較。方案及標(biāo)準(zhǔn)如表4所示。

表4 改造方案表Table 4 Transformation Plans

通過全年空調(diào)負(fù)荷模擬軟件對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行模擬，得到了空調(diào)全年負(fù)荷變化曲線，參見圖6，匯總各負(fù)荷所占的時(shí)段可以整理該購(gòu)物中心全年各負(fù)荷段的時(shí)間占比。由于租區(qū)負(fù)荷變化情況與整體購(gòu)物中心相近，測(cè)算中將租區(qū)空調(diào)負(fù)荷變化的負(fù)荷段按租區(qū)空調(diào)負(fù)荷比例進(jìn)行折算，分?jǐn)偟阶鈪^(qū)制冷量及冷凍水流量，參見表5。

圖6 冷負(fù)荷變化及負(fù)荷段時(shí)數(shù)Fig.6 Cold load Variation and Duration

表5 租區(qū)制冷量及冷凍水流量Table 5 Refrigerating Capacity and Chilled Water Flow in Rental Shops

冷站采用電冷源綜合制冷性能系數(shù)SCOP=4.6冷機(jī)，冷卻水泵及冷卻塔的用電量進(jìn)行估算，并根據(jù)負(fù)荷占比分?jǐn)偟阶鈪^(qū)的運(yùn)行電費(fèi)，制冷時(shí)間段位于成都地區(qū)豐水期電價(jià)的峰平段，期間折算電價(jià)為0.68 元/kWh。

表6 租區(qū)空調(diào)電費(fèi)Table 6 AC Electricity Consumption in Rental Shops

4.3 改造技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

需對(duì)30 個(gè)租區(qū)末端空調(diào)回路增設(shè)溫差調(diào)節(jié)閥或能量調(diào)節(jié)閥，投資估算及回收期如表7所示。

表7 投資回收比較Table 7 Investment Recovery Period

根據(jù)上述分析，通過在租戶回路的支管設(shè)置溫差或能量調(diào)節(jié)閥，能有效的降低空調(diào)能耗及運(yùn)行費(fèi)用，改造投資回收期可控，方案1，2 均可行。根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)的20-25年運(yùn)行壽命來測(cè)算，方案2 節(jié)能效果更明顯。

5 結(jié)論

（1）通過對(duì)購(gòu)物中心設(shè)計(jì)及運(yùn)行的調(diào)查研究，受招商等因素影響，大量的既有購(gòu)物中心對(duì)租區(qū)空調(diào)的管理較為粗放。據(jù)研究分析，若放任租區(qū)自行控制，購(gòu)物中心整體空調(diào)能耗將提升約10%。其中約40%是冷凍水輸送能耗，60%是冷站能耗。

（2）設(shè)計(jì)中應(yīng)將租戶空調(diào)回路與公區(qū)回路獨(dú)立設(shè)置，才有對(duì)租區(qū)空調(diào)水系統(tǒng)進(jìn)行單獨(dú)控制及改造的可能性。

（3）采用WIFI 型無線溫度傳感器，可以用較小的成本實(shí)現(xiàn)租區(qū)內(nèi)的溫度信號(hào)采集。

（4）既有購(gòu)物中心項(xiàng)目通過在租戶空調(diào)水回路通過溫差或能量調(diào)節(jié)，可以有效避免租區(qū)環(huán)路小溫差大流量的現(xiàn)狀，根據(jù)測(cè)算，約能降低購(gòu)物中心整體空調(diào)能耗約3.5%-7%，并能有效緩解冷熱不均問題。

（5）對(duì)租戶空調(diào)水回路的改造成本可控，無租區(qū)內(nèi)施工，避免影響租區(qū)正常營(yíng)業(yè)，避免購(gòu)物中心內(nèi)拆改費(fèi)用，對(duì)既有空調(diào)系統(tǒng)及BA 系統(tǒng)也沒有影響，投資回收期與回路數(shù)量有關(guān)，回路越多，控制效果越好，但改造投資越高，應(yīng)根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較及投資回報(bào)計(jì)算。

（6）這種改造方式可推廣至統(tǒng)一管理、采用集中空調(diào)系統(tǒng)但未將用戶納入BA管理的其他公共建筑項(xiàng)目的空調(diào)水系統(tǒng)中。