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1、北京市体育馆空调系统运行调研分析一 前言在国内外，体育馆建筑空调系统的设计难点均集中于其比赛大厅的设计上。而针对比赛大厅的运行模式和运行要求，比赛大厅的设计要点又集中于其空调节负荷的计算和大厅内空调气流组织的设计上，这两点又是密切相关的。为了研究在体育馆中的空调负荷和气流组织的特点，因而有必要对现有体育馆比赛大厅的空调系统运行现状和所存在的问题做一全面的了解。本文介绍了作者对北京市8座大、中型体育馆进行了空调系统调查研究的工作，主要针对其设备开启时间、观众人数及其它内热源情况进行了分析，其中着重对一座中型体育馆进行了观众上座率和灯光照明等情况的现场跟踪统计，并通过对本次调研的代表性和典型性进行
2、论证，从而总结出了体育馆建筑在空调设计思想上与其它公共建筑的不同之处。最后，在现状调研的基础上，归纳出目前国内体育馆建筑比赛大厅的空调系统的设计特点，以便在今后的研究中，针对问题加以分析解决，从而指导工程设计。二 调研概述1 调研对象为了深入了解体育馆建筑空调系统的运行现状，作者在北京选择了8座体育馆进行了较为详细的调查，见表1。这8座体育馆均为北京市较有代表性的大、中型综合性体育馆；且均为北京第十届亚运会的正式比赛用馆；地理位置均在城区人口较稠密地区，且为其所在地区的重要体育场所；因而在空调系统运行上较具有代表性和普遍性。北京市部分体育馆概况表1编号竣工时间1地理位置建筑面积（）体育馆119
3、68年海淀区40000体育馆21961年朝阳区32000体育馆31990年朝阳区25300体育馆41990年海淀区10633体育馆51990年海淀区10400体育馆61989年丰台区9932体育馆71990年海淀区9600体育馆81989年朝阳区78882 调研内容调研内容包括空调形式、运行效果、设备年开启时间、内热源情况（进行比赛时的观众上座情况、灯光照明情况等）。表2为这8座体育馆的基本情况与功能统计。北京市部分体育馆建筑情况的调查统计表2 编号比赛大厅面积2大厅高度比赛场地面积可容纳观众人数体育馆1矩形112.2m99m20.3m20.8m矩形88m40m18000人（其中活动座椅120
4、0）体育馆2圆形直径94m/圆形直径39.3m15000人体育馆3六边形近似矩形83m70m网架下皮12.51m16.11m矩形70m40m5748人（其中活动座椅1080）体育馆4八角形近似正方形52.2m52.2m12.5m13.5m矩形36m24m2800人（其中活动座椅820）体育馆5正方形48m48m14m矩形44m24m3000人（其中活动座椅500）体育馆6矩形46m66.8m13m矩形46m31m3096人（其中活动座椅576）体育馆7正方形64m64m13.9m15.4m矩形4200人（其中活动座椅2800）体育馆8椭圆形13m17m矩形44m34m3404人（其中活动座椅8
5、40） 北京市部分体育馆空调及照明情况的调查统计表3 编号冷源送回风形式灯光照明形式体育馆1螺杆机1113kw3台，1000吨水池蓄冷百叶风口侧送与吊顶条缝上送切换，下回镝灯450W518个；其中场地上方264个体育馆2氨制冷150kw4台喷口侧送，下回碘钨灯1000W400个体育馆3双效溴化锂吸收式制冷机1162kw3台（供综合馆和游泳馆）比赛场地喷口和旋流风口切换侧送，下回；观众席旋流风口和散流器上送，座椅下回和后上回钠灯观众席：400W44个；主席台400W12个；比赛区：1000W148个体育馆4活塞机580kw2台喷口侧送和辅助散流器上送，下回双石英镝灯400W136个；比赛场地中央
6、上空可升降：250W16个体育馆51044kw活塞机2台喷口上送，下回混合灯光650W（镝灯400W+钠灯250W）308个；其中场地上空134个体育馆6活塞机581.5kw2台比赛场地喷口侧送，下回；观众席座椅下旋流风口下送，下回金属卤化灯观众席400W32个+1000W96个；比赛区：1000W96个体育馆7464kw活塞机3台喷口上送，下回金属卤化灯1000W166个；其中场地上空130个体育馆8活塞机580kw2台球形喷口侧送，下回混合灯光650W（镝灯400W+钠灯250W）248个三 结果分析表1、2、3为被调查体育馆的基本情况统计。结合在调查中得到的空调系统开启时间、基本人员上座
7、情况、灯光照明情况等数据，作者认为目前国内体育馆建筑的空调系统在设计、运行上具有以下特点和问题。第一，目前国内体育馆的空调系统年运行时间短，使用率低。通过对北京8家大、中型体育馆的空调运行调研发现：目前普遍存在着空调系统使用率较低的现象。图1是这8家体育馆在1999年的空调使用天数。图1 北京市部分体育馆空调1999年使用天数统计可以看出，在被调查的体育馆中，使用次数最多的的体育馆1，但据了解，该馆真正用于体育比赛的空调开启次数在1999全年中仅一次，其余都是在大型文艺演出和集会时使用空调的。体育馆3则没有一次在体育比赛中使用空调。体育馆6由于空调设备存在问题，一直无法正常使用。尽管该管承办了
8、1999-2000年度的全国男子排球甲级联赛，但作者在比赛期间对该馆进行跟踪调查，确认其空调系统（冬季供热送风）并未开启。图2是这8家体育馆在1999年的空调总开启时间。 图2 北京市部分体育馆空调1999年使用小时数统计通过以上调研时了解的情况，在被调查的8家体育馆中，空调开启天数平均为3.4天/年，平均开启小时数为11小时/年。而在平时各个体育馆对外开放营业时不开空调。因而可以认为，目前体育馆建筑相对于其它公共建筑来说，其空调系统的使用率是很低的。希腊学者在九十年代对欧洲15座体育馆进行能耗调查时发现：体育馆各类设备中，空调设备的使用率是最低的3。该调查与我们在北京的调查结果较为相似，由此
9、可见，体育馆空调的低利用率，是世界上比较普遍存在的现象。第二，目前国内体育馆在进行体育比赛时的观众人数少，上座率低。在进行调查空调系统运行状况的同时，作者也对在进行体育比赛时的灯光照明和观众上座等情况进行了解。结果发现，目前普遍存在着观众上座率低的现象。体育馆6承办了1999-2000年度的全国男子排球甲级联赛北京赛区的全部比赛，作者对其中的部分比赛进行了跟踪调查，并对其中的两场比赛的观众人数做了统计。在赛程中，受条件所限，作者无法对全程比赛共进行跟踪调查，但据该馆管理人员反映，其观众人数较具代表性。结果显示，平均每场的上座人数不足总观众席人数的一半，上座率仅为40%左右。在其它被调查体育馆中
10、，作者也发现了类似的现象，上述上座情况与实际情况是比较吻合的。另据体育馆工作人员介绍，在上座率增加时，其观众分布情况也较有规律：基本上是前后排观众以相同的人数增加，直至满员。由于在调研过程中没有对不同上座率下的观众分布进行调查统计，因而上述规律有待进一步验证。由于目前国内外还没有观众人员分布规律方面的有关文献，因此可将其作为观众分布规律的依据在今后的模拟研究中加以使用。在对馆内的灯光照明进行考察时发现，各个馆的灯光设备在瓦数上与设计值几乎没有变化。有的体育馆曾经进行过灯光的改造，但大致与原有设备相当。四结论通过对北京8家体育馆的调研分析，可以得出如下结论：第一，体育馆建筑的空调系统有其特有的运
11、行方式，因而在运行管理上与其它商业建筑有着明显的不同。目前国内体育馆的空调系统的使用上，具有运行时间短、使用率低的特点。这一特点在世界上也比较普遍。第二，在比赛大厅内热源方面，具有观看体育比赛时观众人数少、上座率低的特点，与设计工况相关较大。第三，由于空调系统为不连续运行且使用时间短，所以在空调运行费用方面相对于其它公共建筑来说很少，在调查中了解到，各建设单位在进行体育馆建筑时，对于在设计中以节省初投资为主要目的的设计策略显得更加注重。参考文献住宅小区集中供冷优化管理系统及其基于网络的实现1 引言建筑能耗在全球能源的消耗中占有相当大的比例，在一些发达国家，其比例有的已达到40%。我国作为一个发
12、展中国家，近年来建筑能耗所占的比重也越来越大，业已占到全国总能耗的20%左右，这其中更有85%的是用于建筑的采暖和空调1。由于我国用于发电的一次能源在多为原煤（原煤发电约占总量的75%左右），而原煤属于不清洁能源，其在开采、运输、使用过程中都会对环境造成极大的污染。因此，做好建筑能耗的优化管理就可达到节约能源和保护环境的双重目的。住宅小区集中供冷是指通过小区内的管网向用户输配供应冷源机房生产的冷水，以满足用户空气调节的需要。由于集中供冷的规模效应，使得它在防止大气污染、提高能源利用率、有效利用空间、全国各地和资金、美化城市形象等方面具有十分突出的优点，非常符合绿色建筑、健康住宅的健康、舒适、节
13、能、环保的要求，因而有着重大的经济效益和社会效益，是现代化住宅小区建筑空调发展的必然趋势。由于住宅小区的集中供冷系统非常复杂，因此对其进行优化管理必须引进系统工程的概念，不能仅仅只从技术或经济的角度对其进行考虑，而应该全面考虑技术、经济、环境、人文等多方面因素。基于以上这种理念，我们经过大量的工作后，提出了基于网络技术的集中供冷优化管理系统框架及其实现途径。该系统充分利用控制、计量、废热利用等多种手段，对住宅小区集中供冷系统的设计、建造、使用等过程进行全程优化管理。 2 集中供冷优化管理系统本文提出的住宅小区集中供冷优化管理系统包括以下几个部分：住宅小区集中供冷冷源决策系统、住宅小区集中供冷最
14、优设计系统、集中供冷系统与人工景观相结合的技术、住宅小区集中供冷协调控制系统和住宅小区集中供冷自动计费系统。21 住宅小区集中供冷冷源决策系统2传统的集中供冷冷源决策往往只注重某个方面因素的分析，而不涉及复杂因素的相互影响。由于住宅小区集中供冷是一个非常复杂的系统，其最优性受到技术、经济、环境、文化等多个方面的制约，因此，仅仅只从某个方面进行分析，肯定不能得出一个满意的结果。本文提出的住宅小区集中供冷冷源决策系统采用美国数学家T.L.Sady教授在20世纪70年代提出的层次分析法（Analytical Hierarchy Process，简称AHP）对住宅不区的集中供冷冷源进行决策。层次分析法
15、是一种把数据、专家意见和分析人员的判断有效结合的方法，是一种定性分析和定量分析相结合的系统分析方法。它把一个复杂的问题分解成各组成因素，然后用两两比较的方法确定决策方案中各因素的相对重要性。由于住宅小区集中供冷冷源决策中具有诸多因素不能明确化的特点，如系统对环境的影响以及系统的可靠性等，因此，层次分析法能很好地应用于集中供冷系统的冷源决策过程。22 住宅小区集中供冷最优设计系统3冷源形式确定后，利用住宅小区集中供冷最优设计系统可以对系统进行设计。该系统采用计算机模拟分析的方法，以整个集中供冷为其优化对象。它首先对住宅小区集中供冷的全年能耗按变基准温度度日法进行预测，然后采用寿命周期费用（Lif
16、e Cycle Cost，简称LCC）分析法对整个集中供冷系统进行经济分析，从而得出冷源以及冷水输配系统的最佳配置、冷水的最优供回水温差等。23 集中供冷系统与人工景观相结合的技术3随着人们生活水平的提高，人们对环境的要求也越来越高，在一些住宅小区中，喷泉和人造瀑布等人工景观随处可见。集中供冷系统的冷却塔通常会发出较大的噪声，且其形象与周围环境也极不协调。因此，我们特提出了一种利用喷泉或人造瀑布来代替冷却塔对循环冷却水进行冷却的方案（图1和图2）。采用这种方案后，可以达到美化环境、改善小区微气候，减少冷却塔的投资和消除冷却塔的运行噪声等目的，从而使得集中供冷系统对小区环境的影响降到最小。图1喷
17、泉冷却方式 图2 人工瀑布冷却方式通过对该方案的热力分析和其它相关技术的研究表明，经过精心的设计、完善的运行管理、巧妙的布局，将循环冷却水应用于小区水景工程中是完全可行的。24 住宅小区集中供冷协调控制系统4集中供冷系统可以分为四个部分：冷源、冷却水系统、冷水系统和末端用户。由于受计算机技术、通信技术、电子技术等科学的限制，传统的集中供冷系统一般采用和设备单体控制的方法，即系统中每个部分的控制都是各自为政，没有考虑集中集中供冷中各个部分之间的相互影响，每个部分都有着自己独立的控制方案，而不是从系统的整体出发，没有一个统一的最优控制方案。另外，其每个部分的控制方案都是一成不变的，都是建立在一些凭
18、经验建立的数学模型上，而没有考虑到具体系统的不同。与传统的控制方案不同，集中供冷协调控制系统把整个集中供冷系统（除开末端用户部分）作为自己的优化控制目标，不再只是孤立地对各个部分进行控制，而是充分考虑到各个部分之间的相互影响。在集中供冷协调控制系统中，它不仅利用最新的计算机通信技术把整个系统有机的联合起来，而且还利用人工智能新技术对整个系统的控制过程进行最优化的处理，最后，它利用节能效果极佳的变频技术使整个系统真正在最节能最高效的状况下运行。25 住宅小区集中供冷自动计费系统5在我国，由于各方面的原因，现有的对集中供冷的收费仍采用传统的按面积收费的方法，该方法存在着许多的弊端，造成了能源的大量
19、浪费。由于集中供冷计费能够将用户的自身利益与其能量的消耗结合起来，这势必会增加用户的节能意识，推动节能工作的良性向前发展，并使得用户的生活水平环境不断地提高和改善。因此，在集中供冷的住宅小区中必须进行分户计费。通过对现有集中供冷收费方法进行详细地分析后，我们提出了一个基于公平的集中供冷计费方法，该方法充分考虑到各用户围护结构的不同和用户之间热传递所带来的影响，因此可以大幅减少在计费中出现的一些纠纷，增加计费的公平性。在此基础上开发集中供冷计费系统可以自动对各用户消耗的冷量进行计量，并可根据积压用户的围护结构对其消耗的冷量进行自动调节。采用住宅小区集中供冷自动计费系统后，可以促进用户更加主动地节
20、约能源，从根本上杜绝集中供冷能源的人为浪费。3 集中供冷优化管理系统的网络实现通过对住宅小区集中供冷系统和各种通信技术的综合分析，集中供冷优化管理系统采用LonTalk作为自己的通信协议来集成集中供冷系统内的各类子系统：集中供冷协调控制系统、集中供冷自动计费系统以及其他控制或管理子系统。LonWorks现场总线拓扑结构灵活多变，可根据建筑物的结构特点采用不同的网络连接方式，具有高度的可靠性、较好的可维护性和扩充性。在LonWorks现场总线中，由于采用统一的数据结构-网络变量，各类设备采集的数据可以共享，因此能节约大量的设备费用。建立在LonWorks现场上的LonTalk是一种开放性通信协议
21、，遵守协议的设备和系统可以直接互连，组成无主站点对点的分布式网络。由于LonTalk通信协议已被子世界上3000多家著名企业采用，使得其已成为事实上的行业标准。集中供冷优化管理系统可能通过Internet与外界联系，这使得决策人员、操作人员和管理人员可以集中供冷系统进行远程监控。当系统出现故障时，维修人员可在千里之外对其进行处理，因而能节省大量的人力和物力。（图3）图3 集中供冷优化管理系统在集中供冷优化管理系统中，我们采用密套接字协议层（Security Socket Layer，简称SSL）技术来保证系统的安全性，允许客户/服务器应用程序之间的通信不会被偷听、篡改和伪造。协作管理环境（Co
22、operation Management Enviroment,简称CME）软件功能模块包括电子白板、基于Web的访问工具、多媒体数据存储、文本信息交流工具和传输工具，通过这些工具，监控人员即使在千里之外，也会觉得自己跟被管理的设备近在咫尺。4 应用实例应深圳市某单位的要求，我们利用本文提出的住宅小区集中供冷优化管理系统对深圳市某住宅小区的集中供冷系统进行了方案设计。该住宅小区位于深圳市区，预计住户总数将达到31240户。根据该小区的规划，我们拟设立三个集中供冷系统对小区进行供冷，其中，系统A共有住户13337户，系统B共有住户8691户，系统C共有住户9212户。 以下是我们为该小区设计的集
23、中供冷系统部分方案：（1）集中供冷冷源使用的能源，可以分为电力方式、热力方式和混合方式。其中热力方式包括燃气、燃油、燃煤、外部供汽四种情况，混合方式指电力与热力兼有的方式。与以上三种能耗方式对应，集中供冷系统常用的冷源设备主要是离心式（或螺杆式）制冷机和吸收式制冷机（包括直燃吸收式制冷机和蒸汽型吸收式制冷机）。根据本文提出的集中供冷冷源决策系统和深圳当地的能源政策，考虑到设备的初投资（包括增容费）、运行费用（与当地的电价、燃油价、天然气价等密切相关）、工作可靠性、对环境的影响等几个方面的因素后认为：在该小区的集中供冷系统中采用燃油价、天然气价等密切相关）、工作可靠性、对环境影响等几个方面的因素
24、后认为：在该小区的集中供冷系统中采用燃气型直燃机具有最佳的经济和环境效益。（2）由地该住宅小区集中供冷系统的供冷范围比较大，这就使得冷水输送系统的消耗的能量非常大，而且室外管网的初投资和管网的冷损失也随着增大。通过对整个系统的优化分析，发现当维持冷水机组的供水温度不变而提高回水温度时，可以提高整个集中供冷系统的经济性。经过详细计算确定，该小区集中供冷系统的最佳供回水温差为T=89。（3）为了进一步美化该住宅小区的环境，我们设计了利用人工瀑布或喷泉代替冷却塔对循环冷却水进行冷却的方案。具体方案为：在喷泉、瀑布跌落的水池中堆放一定的淋水填料，在填料的下部安装有风机，这样就形成一个降低水温用的冷却构
25、筑物。其中，风机用来加大通风量，而淋水填料可以将水滴变成更小的水滴或很薄的水膜，以增大水与空气的接触面积和延长两者的接触时间，从而加强水与空气的热湿交换。水的冷却过程主要是在淋水填料中进行。（4）小区集中供冷协调控制系统分别采集集中供冷系统中的冷却水流量、冷冻水流量、冷却水入口温度、冷冻水出口温度、冷却水塔风机功率及开启台数、冷却水泵功率及开启台数、冷冻水泵功率及开启台数、机组的能耗量（燃料量或耗电量）等参数后，在中央控制计算机上运用人工智能方法对这些参数进行优化组合，以求出整个集中供冷系统在当前负荷下的最优状态设定点，然后将优化后的系统控制变量再传送到系统中各设备的现场执行器，从而达到最大限
26、度地节约能耗的目的。（5）集中供冷冷水输送系统采用二次泵分散的变流量系统，对各个分散二级泵的控制采用开度法进行控制，即根据各自系统内各个控制阀的开度来对变速水泵进行控制。具体步骤如下：当本系统中所有末端设备的控制阀没有一个处于全开时，且此时系统内所有的负荷都得到满足时，则水泵慢慢降低速度；当本系统内有负荷没有得到满足，且此时该末端设备的控制阀处于全开时，则慢慢加大水泵的转速；当本系统中末端设备的所有控制阀有一个或多个处于全开时，且此时系统内民有的负荷都得到满足时，则水泵速度维持不变。（6）集中供冷自动计费系统采用三级结构：计费管理主机、区域管理器和现场数据采集器。计费内部采用RS-485通讯总
27、线。计费管理主机总共可管理32台区域管理器，每台区域管理器可以连接255个现场数据采集器，而每个现场数据采集器可对4位住户进行管理，即一个计费系统总共可对30000多个用户进行管理。考虑到具体的安装条件和小区建设规划，每个集中供冷系统准备分别安装一个计费系统，整个小区为三个计费系统。计费管理主机与小区管理中心之间采用LonWorks现场总线进行连接。5 结论住宅小区集中供冷系统的优化管理是一项系统工程。本文提出的集中供冷系统优化管理系统坚持系统工程的概念，从技术、经济、环境、人文等多方面进行考虑，充分利用控制、计量、废热利用等多种手段，对住宅小区集中供冷系统的设计、建造、使用等过程进行全程优化管理，从而达到节约能源和保护环境的双重目的。通过对深圳市一项实际工程的应用表明，该优化管理系统是切实可行的。参考文献