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【菱泰能源】公共建筑空调系统运行能耗评价方法研究

本文来源: 菱泰能源 责任编辑: 发布日期:2017-08-01
 引言

近年来,随着我国城镇化速度的加快和综合经济水平的提高,公共建筑的面积和能耗均有大幅度增长。根据相关统计结果,2001—2012年我国公共建筑能耗强度增长33%,能耗总量增长近1.6倍。建筑能耗增长趋势明显,对能耗总量进行控制的要求日益明确。江亿等人指出未来我国建筑能耗总量应该在10亿t标准煤以内,而公共建筑(不含北方供暖)总用能量控制目标为2.4亿t标准煤。在这种形势下,需要对现有建筑的运行能耗进行科学有效的评价,充分发掘建筑的节能潜力,从而对建筑用能水平进行优化。

目前已有较多对公共建筑能耗评价体系的研究。李运华基于现场实测建立了大型公共建筑运行能耗评价指标体系,评价重点为建筑空调系统的各项能效指标;姜新佩等人通过对围护结构、供暖空调、运行管理等方面的逐条细则进行评分,实现对公共建筑运行能耗的评价;郑晓卫等人通过样本数据收集,用统计学的方法进行分析,建立了商用建筑能耗预测模型。国外也有多种建筑能耗基准评价工具,包括美国的Energy Star和Cal-Arch,德国的VDI 3807评价体系等。然而这些评价方法普遍缺乏对建筑运行能耗现状的全面分析和说明,不利于节能工作的开展和建筑节能潜力的发掘。

分项计量数据为建筑用能情况的分析提供了基础;而建筑自控系统记录的运行数据可以真实反映建筑的运行状况,为建筑节能的诊断提供了依据。目前已有较多应用分项计量数据与系统运行数据进行建筑节能潜力分析的研究,但对于节能优化后能够达到的能耗水平并没有合理的解释,也没有形成系统的能耗评价指标体系。

本文基于建筑实际能耗数据与系统运行数据,研究评价公共建筑空调系统运行能耗的方法,采用简化计算公式建立公共建筑空调系统运行能耗评价指标体系。研究结果一方面可以实现对公共建筑空调系统全年运行情况进行科学、快速的评价;另一方面可以用于分析影响建筑空调系统能耗水平的因素,确定能源浪费的环节,有助于充分挖掘建筑节能潜力,确定节能优化的改进方向。

1  评价指标体系

建筑空调系统运行能耗主要由空调系统供冷量与空调系统运行效率决定。因此,对于建筑空调系统运行能耗的评价将从以下3个方面进行:1)空调系统供冷量的合理性判断;2)空调系统及各设备运行能效评价;3)空调系统运行能耗评价。

1.1  空调系统供冷量评价计算

空调系统供冷主要是满足建筑为维持室内一定的环境参数而产生的冷负荷需求。由于冷量输配过程中输配设备做功产热,还会造成系统产生额外的冷量消耗。因此,对于空调系统供冷量的评价计算应包括空调系统冷负荷与输配系统产热量两部分,即                       

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式中  Q 为空调系统供冷量,kW•h;Q’ 为空调系统累积冷负荷,kW•h; Q5 为输配系统产热量,kW•h。

空调系统累积冷负荷Q’主要包括4个部分:  

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式中  Q1Q2Q3Q4 分别为围护结构传热、新风、人员和灯光设备累积冷负荷,kW•h。

曾剑龙针对建筑围护结构推导出负荷贡献量稳态计算公式: 

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式中  q1 为围护结构传热负荷,W;i表示朝向(东、西、南、北、屋顶);KwKwin分别为外墙(或屋顶)、外窗(或天窗)的总传热系数,W/(m2•K);AwAwin分别为外墙(或屋顶)、外窗(或天窗)的面积,m2 touttin 分别为室外、室内干球温度,℃;ew为外表面太阳辐射吸收比; hw为外墙(或屋顶)的表面传热系数,W/(m2•K);SHGC为太阳得热系数; qs为表面的太阳辐照度,W/m2

实际建筑围护结构传热为动态传热过程。当室外温度变化时,建筑围护结构的温度也会相对缓慢变化,同时从室内吸热或向室内放热。由于围护结构存在一定的蓄热能力,导致得热量转化为冷负荷的过程中存在衰减和延迟现象,因此用稳态计算方法计算逐时围护结构传热负荷存在较大的误差。然而对于一段时间内的累积冷负荷的计算,稳态计算方法具有可行性。夏春海以1周为步长,验证了采用对稳态计算方法进行修正后的公式计算围护结构传热负荷的可行性。本研究利用DeST动态模拟软件对围护结构稳态传热计算公式进行了修正,以计算供冷季累积围护结构传热冷负荷。

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式中  α为温差传热修正系数;β为太阳辐射得热修正系数;Δτ 为计算时间步长,1 h。

考虑不同建筑围护结构蓄热性能不同,αβ分别根据建筑所在地区与建筑整体窗墙面积比按表1和表2选取。

表1  温差传热修正系数α

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表2  太阳辐射得热修正系数β

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供冷季累积新风冷负荷根据下式计算:                               

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式中  G为每h进入建筑的总新风量,包括机械新风量和室外渗入风量,m3/h; hohi分别为室外、室内空气比焓,kJ/kg。

室内人体散热形成的累积冷负荷根据下式计算:                                     

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式中 q3为成年男子全热散热量,W;n为每h在室人数;φ为群集系数。

灯具、设备等散热形成的累积冷负荷根据分项计量系统中的耗电量数据计算:

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式中  Eeq为空调系统运行期间每h建筑室内灯具、设备总耗电量,kW•h。

除了空调系统冷负荷外,风机、水泵等输配设备的产热将会增加建筑对冷量的消耗,此部分耗冷量直接取决于设备能耗。                     

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式中  EfEp,ch分别为每h空调系统风机、冷水泵耗电量,kW•h;ηm为电动机效率;η为电动机安装位置的修正系数,电动机安装在输送气流内时取1,安装在气流外时取ηm

1.2  空调系统能效评价计算

由于GB 50189—2015《公共建筑节能设计标准》中仅对空调系统及设备在名义工况下的性能系数与综合部分负荷性能系数(IPLV)进行了规定,无法对空调系统全年运行工况进行评价,因此本文对于空调系统能效评价的计算方法与指标限值主要参考GB/T 17981—2007《空气调节系统经济运行》。

通常情况下,对于冷源类型为电动压缩式水冷冷水机组的空调系统,其主要组成部分包括制冷系统、冷水输配系统与空调末端等。因此,空调系统的能耗EHVAC                       

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式中 Er为制冷系统能耗,kW•h。

对于采用蒸发冷却的水冷冷水机组而言,制冷系统能耗主要包括冷水机组、冷却水泵、冷却塔能耗,即                     

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式中  Ech为冷水机组能耗,kW•h;Ep,c为冷却水泵能耗,kW•h;Et为冷却塔能耗,kW•h。

因此,在空调系统能效计算过程中,所采用的主要评价指标包括:空调系统能效比EERs,制冷系统能效比EERr,空调末端能效比EERt ,冷水输送系数WTFchw,冷却水输送系数WTFcw,冷水机组性能系数COP等。计算公式如下:

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1.3  空调系统运行能耗评价计算

图1为本文所采用的公共建筑空调系统运行能耗评价指标体系示意图。通过对空调系统供冷量与空调系统能效比及其各分项指标进行计算分析,既可以对当前建筑空调系统总运行能耗进行评价,也可以明确当前运行能耗的主要影响因素,对不达标的分项进行改进提升,快速实现空调系统的运行优化。

 

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图1  空调系统运行能耗评价体系示意图


2 计算方法验证

使用DeST动态模拟分析软件对本文所采用的空调系统冷负荷简化计算方法进行验证,使用某建筑实际运行数据对空调系统供冷量计算方法进行验证。

2.1  空调系统冷负荷计算方法验证

DeST软件可以对复杂建筑进行热过程分析与动态负荷的模拟计算,模拟结果与其他模拟软件如EnergyPlus等相比差异很小。本文采用DeST软件建立标准建筑模型计算建筑空调季房间冷负荷,在保证输入条件与参数一致的情况下采用简化计算方法计算供冷季空调系统累积冷负荷,比较计算结果的差异性。

2.1.1  模型建立

在DeST软件中建立如图2所示的北京地区建筑模型。该建筑为办公建筑,共3层,总建筑面积1 536m2,体形系数为0.271。围护结构基本信息见表3。

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图2  DeST模型


表3  围护结构基本信息

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2.1.2  参数设置

参考GB 50189—2015《公共建筑节能设计标准》对围护结构热工性能、房间内扰及其作息等相关参数进行设置,如表4~6所示。

表4  围护结构热工性能

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表5  房间内扰设置

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表6  房间内扰作息设置

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2.1.3  模拟计算

采用DeST软件对建筑全年逐时空调负荷进行模拟计算,结果如图3所示。模拟计算得到建筑全年累积热负荷为30 108 kW•h,全年累积冷负荷为117 931 kW•h。

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图3  DeST全年负荷模拟计算结果


2.1.4  计算结果比较

设置空调供冷时间为6月1日至8月30日。采用本文所提出的空调系统冷负荷简化计算方法对建筑累积冷负荷进行计算,同时选取对应时间范围内的DeST逐时负荷模拟结果进行累加。二者比较结果如图4所示。


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图4  空调系统冷负荷计算结果比较


采用简化计算方法计算得到的供冷季空调系统累积冷负荷为74 191 kW•h,DeST模拟计算得到的供冷季累积冷负荷为74 413 kW•h,二者相对误差为0.3%。因此认为采用简化计算方法计算空调系统冷负荷结果可靠,方法可行。

2.2  空调系统供冷量计算方法验证

为了验证空调系统供冷量评价计算方法的合理性,在北京某大型商场进行调研与测试,根据其实际设计与运行情况,采用简化计算方法计算供冷季空调系统累积供冷量;同时分析其供冷季实际运行数据,计算空调系统实际累积供冷量,并与简化计算方法进行比较验证。

2.2.1  简化计算方法计算

该建筑为大型商场,建筑面积49 500 m2,共3层,体形系数为0.19;东、西、南、北、屋顶的窗墙面积比分别为0.03,0.01,0.31,0.20,0.18;营业时间为每日10:00—22:00。

采用本文简化计算方法计算供冷季空调系统供冷量。其中围护结构负荷依据北京气象参数与建筑设计参数(见表7)进行计算。

表7  实际建筑围护结构热工性能

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为了计算商场实际的新风负荷,对商场主要的进出风来源和风量进行调研和测试,并根据风量平衡情况验证测试结果的准确性,由此确定商场的实际新风量。测试结果如图5所示,进出风量不平衡率为15%,测试结果可靠。测试结果表明,商场主要进风来源包括空调机组、与室外直接连接的通道(如开敞的外门)、与其他建筑内部连接的通道(如办公楼)、商场内餐饮商户的补风,其中前两部分风量为直接送入商场内、增加空调负荷的室外新风,共计31.9万m 3/h。由于空调机组的新风量主要与机组的运行模式有关,通过与室外连接的通道进入室内的风量与建筑室内外压差有关,而本案例中建筑室内外压差主要受建筑机械送排风量平衡关系影响,因此,在机组运行模式基本不变的情况下,认为新风量基本不变。由此计算供冷季新风负荷。

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图5  商场风量平衡测试结果


根据商场各出入口客流计数器提供的逐时进出客流数据,可以计算得到商场内逐时在室人数(见图6),由此计算供冷季人员负荷。

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图6  商场逐时在室人数


根据建筑分项计量系统记录的分项能耗数据(见图7),计算灯光设备负荷与输配系统产热。

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图7  商场分项能耗


2.2.2  实际供冷量计算

为了验证本文所提出的空调系统供冷量简化计算方法的合理性,采用下式计算建筑实际空调系统供冷量Qr  


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式中  k为制冷机数量;cp 为水的比定压热容,kJ/(kg•℃);ρ为水的密度,kg/m3 Gk 为第k台制冷机的冷水流量,m3/h; tin,ktout,k 分别为k台制冷机的冷水进、出口温度,℃。

通过实测空调系统冷水泵在各个工况下的冷水流量,结合制冷站冷水温度的运行记录,即可计算供冷季空调系统实际供冷量。

2.2.3  计算结果比较

图8为采用本文简化计算方法计算的空调系统供冷量与建筑实际空调系统供冷量的逐日计算结果比较。计算结果表明,简化计算方法计算出的供冷季建筑总供冷量为6 054 MW•h,而通过建筑空调系统实际运行数据计算得到的供冷季建筑实际供冷量为5 184 MW•h,二者相对误差为16.8%。考虑到新风量测量过程中由仪器误差、测量断面风速不均匀等因素导致的测量误差约为10%~20%,因此认为采用简化计算方法计算空调系统供冷量结果可靠,方法可行。

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图8  空调系统供冷量计算方法实测比较


3  案例应用

采用本文所提出的空调系统运行能耗评价指标体系,对2.2节中的商场的空调系统运行情况进行评价和分析。

3.1  空调系统能耗评价

在对建筑空调系统能耗进行评价的过程中,需要计算建筑合理运行能耗。根据图1所示的指标体系,空调系统合理运行能耗需要根据合理情况下空调系统供冷量与空调系统能效比进行计算。合理情况下空调系统能效比即为空调系统能效比限值。

在计算合理情况下的空调系统供冷量时,围护结构面积等信息应与实际设计情况保持一致,热工性能参数依据GB 50189—2015《公共建筑节能设计标准》选取;新风量依据建筑实际在室人数和人均新风量标准进行计算;室内人员、灯光设备与输配系统耗电量与实际运行情况保持一致。

根据计算结果,供冷季建筑空调系统实际运行能耗为2 079 MW•h,而合理情况下的运行能耗应为1 746 MW•h,其中存在16%的节能空间。

3.2  空调系统节能潜力分析

对商场空调系统的实际运行情况进行进一步的分析。分别计算实际情况下建筑空调系统供冷量与空调系统能效的各分项指标,并与合理值比较,结果如图9,10所示。


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图9  空调系统供冷量评价

 

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图10  空调系统能效评价


在空调系统供冷量中,灯光设备负荷虽然占比最大,但由于这部分耗电量主要由租户产生,作为商场物业在此方面并无节能空间。在实际运行中,由于商场机械送排风不平衡等原因导致由室外直接进入室内的新风量过大,远远高于实际需要,造成了额外的新风负荷,因此存在较大的节能空间。

比较空调系统各设备的实际能效与能效限值发现,虽然建筑空调系统的实际能效比与合理值接近,但这主要是由冷却水输送系数和空调末端能效比均高于合理值导致,而实际运行情况下冷水机组COP和冷水输送系数均低于合理值,因此对于冷水机组和冷水泵应进行进一步的节能诊断和改造,以找到问题出现的原因,提高空调系统运行水平。

4  结语

本文主要基于建筑分项计量系统能耗数据与建筑实际运行数据,采用简化计算方法建立了大型公共建筑空调系统运行能耗的评价指标体系。研究结果一方面可以用于对公共建筑空调系统实际运行情况进行快速评价;另一方面通过对分项指标的计算和评价,可以准确定位能源浪费的环节,从而更有针对性地实现空调系统运行优化。


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