文献综述
研究背景及意义
随着世界能源与环境问题的日益严峻，国家在2016年底提出了《“十三五”节能减排综合工作方案》[1]。方案充分肯定了我国“十二五”期间节能减排工作的显著成效，同时指出当前我国经济发展进入新常态，产业结构优化明显加快，能源消费增速放缓，资源性、高耗能、高排放产业发展逐渐衰减。但随着工业化、城镇化进程加快和消费结构持续升级，我国能源需求刚性增长，资源环境问题仍是制约我国经济社会发展的瓶颈之一，节能减排依然形势严峻、任务艰巨。建筑能耗在社会总能耗中的比重越来越大,特别是近年来我国公共建筑大量增加，公共建筑成为建筑中的用能大户[2-3]，随着社会的快速发展，人们生活水平日益提升，对生活及工作环境舒适度的要求越来越高。目前基本高层公共建筑和高档的一些多层建筑都广泛采用中央空调系统[4]，公共建筑空调系统高能耗问题逐渐突出。从我国各类公共建筑中央空调系统的运行状况以及能耗情况来看，中央空调系统能耗占总能耗的三成以上[5-6]。为此，国家相关部门制定了很多的设计施工和运行管理的规范和规章制度[7-10]。但随着市场经济的不断扩大和发展，空调工程的设计水平和总体能耗还很难从根本上得到控制，从而导致一系列的相关问题的产生。
中央空调系统通常采用集中式的通风系统和空气处理系统，通过主控制单元，调控公共建筑室内空气的温度、湿度和空气循环以满足人们的舒适度需求。集中式系统在过渡季运行时的能耗远大于可单元独立控制的分布式系统[11]。目前大型公共建筑安装的中央空调系统都存在着无法提供足够氧气量和新鲜空气量，且随着室外环境参数的变化，出现室内环境温度不达标的问题[12-13]。市场调查发现，目前运行中的大多数中央空调系统，以95%负荷运行的时间只占到总运行时间的5%，而70% 以上时间是以62~85%左右的负荷运行[14]。中央空调水系统中的冷却水泵、冷冻水泵和冷却塔风机的容量都是按照最大热交换情况设计的，由于外界因素的影响，实际的热交换量远小于设计值。公共建筑中央空调系统设计的合理性、工程施工安装的规范性、系统运行控制管理的有效性，都直接影响着整个中央空调系统能耗的高低[15]。因此，强调中央空调系统的优化设计与管理，对公共建筑中中央空调系统的方案设计、施工安装及运行管理等方面进行深入研究，可避免不必要的能耗，提高系统运行性能，降低运行费用，达到节能减排的效果，同时对促进国民经济的可持续发展也有着重要意义[16]。
本课题为南京市某大学图书馆空调系统的设计，其总建筑面积约40000m2，建筑共六层，建筑高度约33米。建筑功能主要是藏书室、文库间、电子阅览室、开放型借阅室、办公室、会议室及辅助用房等。课题要求根据南京市的气候条件及特点，独立完成该图书馆的空调系统、通风系统以及防排烟系统设计。图书馆属于典型的公共建筑，因此在其中央空调系统的设计阶段，需对其进行合理的优化设计，充分考虑各种因素，尽可能达到节能效果。
国内外研究现状
目前，国内外研究人员主要针对于设计方案的研究优化、工程安装施工的改进、系统中设备选型及系统优化、空调系统运行维护管理、系统运行调控等几个方面进行了研究。
研究者对于空调系统设计方案的优化进行了研究。在选择空调系统时，可以对比多种系统方案，择优选择。研究表明，使用多联机加新风处理机的空调系统，新风负荷完全由新风处理机承担，虽然初投资相比传统空调系统高出了33%，但全年的运行费用却节省了26%。例如，句容市某图书馆空调建筑占地面积12080 m2，通过分析，该空调生命周期的环境排放得出其所产生的CO2年排放量在1244130 kg，节能效果较为明显[17]。与此同时，对中央空调系统进行设计时，送风形式的选择以及气流组织的设计很大程度上影响了其节能效果。研究人员发现采用二次回风的送风形式，使内区获得较高送风温度的同时还维持一定的湿度，当进入表冷器的空气湿度较低时，可以调节AHU的冷水管上电动调节阀的开度。用较高的表冷器的温度来控制湿度，以利于节能。同时，对高大空间，可以采用地板送风系统，利用热空气的自然浮力，可有效地排除热量和污染物，有利于节能和提高室内空气品质[18]。
通过研究发现，在工程安装施工过程中对系统进行改进，可有效达到节能效果。研究表明，加强新风、排风全热交换的质量控制，是空调系统节能的一项有力的措施[19]。全热回收新风换气机是一种空气—空气能量回收通风装置,其核心功能是利用室内、外空气的焓差,通过全热回收机芯良好的导热透湿性能,在双向置换通风的同时,产生能量交换,使新风有效获取排风中的焓值，从而大大节约了新风预处理的能耗,达到节能换气的目的[20]。同时，在工程安装施工过程中还要充分重视空调设备和管线防冻的质量控制，有效的保温措施以及安全措施，可以使设备正常运行，减少不必要的能耗。例如，管线试压冲洗时要注意室外气温，冲洗后必须保证系统彻底放空不留安全隐患。用新风机组的临时供暖也要按正常程序施工验收，如果没有自控措施和专人管理，可不用新风空调设备进行临时供暖。风机运转时必须首先保证换热盘管的额定水流量，当水温过低或水流量过小时应有报警功能并及时关闭送风机及新风入口保温风阀，即使检修时，也应先关风机后关水泵，最后关闭水阀。没有配备安全保护措施的新风机组在严寒地区冬季不能随意投入运行[19]。
空调系统设计时，进行设备选型及系统优化，能够提高系统运行性能，降低运行费用，达到节能减排的效果。冷冻水系统能耗占整个空调系统总能耗的主要部分，因此，空调冷冻水系统的节能应为首要任务。调查显示，当冷冻水泵扬程均低于水泵的设计扬程时，会使系统工作在大流量小温差状况下从而导致电力浪费[21]，因此在选型时水泵扬程不宜选择过大。研究表明，目前中央空调系统节能改造的最有效途径之一便是采用变频技术对水泵、空调主机、末端送风进行控制，将变频调速技术引入中央空调控制系统来控制空调机组及水、风调节系统，节能效果可达到 30%，使建筑物的能耗大幅度降低[22]，因此，在中央空调系统中可适当选择变频机组，使能耗降低。
空调系统运行过程中，正确地维护管理，优化运行调控系统，可使空调系统地节能效果大大提升。目前，中央空调系统对冷水系统流量的控制一般是基于温度的，而且控制是瞬时的。然而，真正决定建筑内部温度的是空调系统的累加冷量。中央空调系统存在较大的时滞性，为了提高中央空调系统的运行效率，需要改变控制策略[23]。例如，采用VAV系统对室温进行控制，可大大节省能源[24]。在设备运行中，还可以通过添加传感器的方式进行控制，以此来改善公共建筑因其面积大，而造成的能耗大的问题。具体为将平面图的总体区域划分为几个面积较小的区域，每个区域的空调系统是分开控制的，因此每个区域都有其完整的温度、氧气、湿度传感元件。此外，可利用PIR传感器监测每个控制区内的占用情况，进行监测调节[25]。
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