摘 要

摘要：介紹了既有建筑空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造的流程。針對(duì)空調(diào)系統(tǒng)能耗調(diào)研一般只在短期內(nèi)進(jìn)行，長(zhǎng)期測(cè)試難以實(shí)現(xiàn)的情況，提出了在進(jìn)行能耗分析時(shí)，合理利用短期內(nèi)的測(cè)試數(shù)據(jù)與當(dāng)?shù)厥彝鈿?/p>

摘要：介紹了既有建筑空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造的流程。針對(duì)空調(diào)系統(tǒng)能耗調(diào)研一般只在短期內(nèi)進(jìn)行，長(zhǎng)期測(cè)試難以實(shí)現(xiàn)的情況，提出了在進(jìn)行能耗分析時(shí)，合理利用短期內(nèi)的測(cè)試數(shù)據(jù)與當(dāng)?shù)厥彝鈿庀髤?shù)，通過擬合計(jì)算出空調(diào)系統(tǒng)的供冷、供暖負(fù)荷，為節(jié)能改造提供評(píng)價(jià)依據(jù)。結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)該方法的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：  既有建筑；  空調(diào)系統(tǒng)；  節(jié)能改造；  能耗分析

Analysis on Energy Consumption in Energy-saving Reconstruction of Air-conditioning System in Existing Buildings

Abstract：The process of energy-saving reconstruction of existing buildings is introduced．The investigation OH energy consumption of air-conditioning system is generally conducted in a short term, while the long term test is difficult to achieve．When the energy consumption analysis is conducted，the cooling of heating load can be calculated by fitting the short-term test data of air-conditioning  system with the local outdoor meteorological parameters rationally．The findings can provide the evaluation basis for energy-saving reconstruction．The practical application of the method is discussed with a project example．

Key words：  existing building；  air-conditioning system；  energy-saving reconstruction；energy consumption analysis

1 概述

近年來，隨著我國(guó)城市化程度的不斷提高，建筑能耗不斷增長(zhǎng)。根據(jù)部分城市建筑能源審計(jì)調(diào)查研究^[1-7]，空調(diào)系統(tǒng)耗電量一般占建筑全年總耗電量的40％～60％。

M．F．Fels對(duì)用于獨(dú)戶建筑能耗分析的PRISM方法進(jìn)行了介紹^[8]。C．A．Balaras等人研究了EPIQR^[9]、TOBUS^[10]方法與軟件，這兩種方法分別用于住宅建筑與辦公建筑的節(jié)能診斷與改造。T．Markis等人研究用于小型企業(yè)建筑的節(jié)能分析方法^[11]。L．D．Santoli建立了一個(gè)評(píng)價(jià)建筑用能狀況的專家系統(tǒng)，該系統(tǒng)將評(píng)價(jià)建筑用能狀況的專業(yè)知識(shí)以簡(jiǎn)潔易懂的方式呈現(xiàn)給使用人員^[12]。S．Leigh等人提出建筑用能管理過程包括：用能數(shù)據(jù)的收集、用能情況分析、辨識(shí)并評(píng)價(jià)節(jié)能潛力、改造實(shí)施與維護(hù)等步驟^[13]。薛志峰研究了用于建筑節(jié)能的OTI方法^[14]，即觀察、交流、測(cè)試、計(jì)算、判斷、解決。

現(xiàn)階段的空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造工作存在以下特點(diǎn)：前期調(diào)研測(cè)試工作一般只在短期內(nèi)進(jìn)行，若對(duì)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行長(zhǎng)期測(cè)試，則需要消耗大量的資源和費(fèi)用。能耗分析所需的各種資料較難收集完整。建筑各項(xiàng)改造措施節(jié)能量計(jì)算的準(zhǔn)確程度不高，缺乏一種準(zhǔn)確的計(jì)算方法。對(duì)于上述特點(diǎn)，利用短期內(nèi)的調(diào)研測(cè)試數(shù)據(jù)反映出建筑空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行能耗狀況，從整體上分析各項(xiàng)節(jié)能改造措施實(shí)施后所能達(dá)到的節(jié)能效果，提高目前節(jié)能量計(jì)算的準(zhǔn)確性，是建筑空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造工作的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

本文對(duì)既有建筑空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造中的能耗分析方法進(jìn)行探討。

2 節(jié)能改造流程

既有建筑空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能改造流程包括：空調(diào)系統(tǒng)調(diào)研與測(cè)試，能耗分析，節(jié)能改造措施的提出，節(jié)能潛力分析計(jì)算，節(jié)能改造措施決策實(shí)施。

在空調(diào)系統(tǒng)調(diào)研與測(cè)試期間，需要掌握空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)概況與各用能設(shè)備的基本參數(shù)、運(yùn)行控制策略及全年的運(yùn)行時(shí)間等情況。通過對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的水量、水溫以及室外氣象參數(shù)等數(shù)據(jù)的連續(xù)監(jiān)測(cè)，得到不同室外氣象參數(shù)下的多組數(shù)據(jù)，為空調(diào)系統(tǒng)的能耗分析打下基礎(chǔ)。通過對(duì)空調(diào)系統(tǒng)中各設(shè)備參數(shù)的測(cè)試，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行中存在的問題，分析節(jié)能空間。

通過對(duì)前期調(diào)研測(cè)試得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行能耗分析，得出空調(diào)系統(tǒng)的總能耗及各分項(xiàng)能耗，以及冷熱源效率、冷熱水系統(tǒng)輸送能效比、水泵效率等指標(biāo)。利用獲得的各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，通過判斷發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)存在的問題。

針對(duì)建筑空調(diào)系統(tǒng)中存在的問題，提出相應(yīng)的節(jié)能改造措施，分別計(jì)算各項(xiàng)節(jié)能改造措施實(shí)施后空調(diào)系統(tǒng)的能耗，與改造前空調(diào)系統(tǒng)能耗進(jìn)行對(duì)比，得到節(jié)能改造措施的節(jié)能量。對(duì)不同節(jié)能改造措施的節(jié)能量進(jìn)行對(duì)比分析，考察各項(xiàng)節(jié)能改造措施的重要性。最終進(jìn)行節(jié)能改造措施的決策與實(shí)施。

3 能耗分析方法

①空調(diào)系統(tǒng)冷負(fù)荷計(jì)算

對(duì)于某一確定建筑物，空調(diào)系統(tǒng)冷負(fù)荷中。的計(jì)算式為^[5]：

 

式中  Ф_c——空調(diào)系統(tǒng)冷負(fù)荷，kw

      Ф_c,1——圍護(hù)結(jié)構(gòu)得熱量形成的冷負(fù)荷，kW

      Ф_c,2——室內(nèi)熱濕源散熱散濕形成的冷負(fù)荷，kW

      K₀——圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)幅值，w／(m²·K)

      S——圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱面積，m²

      ω——太陽高度角變化速率，rad／h

      t——時(shí)刻，h

     φ——太陽高度角初相位，rad

     θ₀——室外溫度，℃

     α——圍護(hù)結(jié)構(gòu)衰減因子

由式(1)得到空調(diào)系統(tǒng)冷負(fù)荷Ф_c的擬合汁算式為：

 

式中A、B、C、D——通過擬合確定的待定系數(shù)

認(rèn)為空調(diào)系統(tǒng)的供冷量與空調(diào)系統(tǒng)冷負(fù)荷相等，忽略熱損失。利用所測(cè)得空調(diào)系統(tǒng)冷水流量與供回水溫差可求得空調(diào)系統(tǒng)供冷量，結(jié)合逐時(shí)室外氣象參數(shù)對(duì)式(2)進(jìn)行擬合，確定待定系數(shù)，進(jìn)而利用式(2)計(jì)算整個(gè)供冷期空調(diào)系統(tǒng)的冷負(fù)荷。

②空調(diào)系統(tǒng)熱負(fù)荷

對(duì)于空調(diào)系統(tǒng)熱負(fù)荷，可采用溫頻法(BIN法)計(jì)算，設(shè)定圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱負(fù)荷與室外溫度成線性關(guān)系^[16]。空調(diào)系統(tǒng)熱負(fù)荷Ф_h的擬合計(jì)算式為：

 

式中  Ф_h——空調(diào)系統(tǒng)熱負(fù)荷，kW

       E、F、G——通過擬合確定的待定系數(shù)

       d——室外空氣含濕量，g／kg

對(duì)于某一確定的建筑物，采用實(shí)測(cè)的熱負(fù)荷數(shù)據(jù)來擬合式(3)，可以保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。^[16]。

③空調(diào)系統(tǒng)能耗計(jì)算

利用設(shè)備的運(yùn)行控制策略判斷出空調(diào)系統(tǒng)在全年不同負(fù)荷下的運(yùn)行方式，包括不同負(fù)荷下設(shè)備的開啟數(shù)量、串并聯(lián)方式等。

對(duì)于夏季工況，利用制冷機(jī)組性能曲線可得到其在不同負(fù)荷率下的制冷性能系數(shù)，進(jìn)而求得制冷機(jī)組在不同負(fù)荷下的運(yùn)行功率。對(duì)于水泵、風(fēng)機(jī)以及空氣處理機(jī)組，一般情況下，這些設(shè)備的運(yùn)行功率保持不變，運(yùn)行數(shù)量與介質(zhì)流量有關(guān)。若設(shè)備采用變頻運(yùn)行，則可根據(jù)不同負(fù)荷下的水量、風(fēng)量，確定設(shè)備的運(yùn)行頻率，進(jìn)而確定運(yùn)行功率。

結(jié)合設(shè)備在不同負(fù)荷下的運(yùn)行方式，可計(jì)算得到供冷期空調(diào)系統(tǒng)能耗。

冬季工況設(shè)備能耗的計(jì)算方法與夏季工況基本相同，結(jié)合空調(diào)系統(tǒng)熱負(fù)荷與設(shè)備運(yùn)行功率之間的關(guān)系，以及當(dāng)?shù)刂饡r(shí)室外氣象參數(shù)，計(jì)算得到供暖期空調(diào)系統(tǒng)能耗。

4 工程應(yīng)用

4．1 工程概況

某建筑位于天津市，屬于大型辦公建筑，建筑面積為57 396 m²，其中空調(diào)面積為51 127 m²。夏季室內(nèi)空氣設(shè)計(jì)溫度為26℃，冬季室內(nèi)空氣設(shè)計(jì)溫度為20℃：

4．2 夏季工況

①設(shè)備配置及運(yùn)行策略

供冷期為5月1日至9月30日?？照{(diào)系統(tǒng)包括：3臺(tái)離心式冷水機(jī)組，性能參數(shù)見表1；4臺(tái)冷水循環(huán)泵，揚(yáng)程為32．1 m，流量為400 m³／h，功率為39．7 kW。周一至周五冷水機(jī)組在6：00開啟，在20：00停止。冷水循環(huán)泵在大部分時(shí)間單臺(tái)運(yùn)行，并且在整個(gè)夏季保持至少l臺(tái)一直開啟。

 

 

②能耗計(jì)算

供冷期空調(diào)系統(tǒng)的測(cè)試工作在2010年7月11日至l7日進(jìn)行。主要測(cè)試參數(shù)為室外空氣溫濕度、冷水機(jī)組的冷水進(jìn)出口溫度、流量以及冷水機(jī)組、冷水循環(huán)泵的運(yùn)行功率、冷水壓力等。

冷水系統(tǒng)基本處于定流量運(yùn)行。冷水機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行工況為1號(hào)機(jī)組與2、3號(hào)任意一臺(tái)機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行，當(dāng)2號(hào)或3號(hào)冷水機(jī)組負(fù)荷率達(dá)到95％及以上時(shí)開啟1號(hào)冷水機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行。對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，得到不同工況下冷水機(jī)組的制冷性能系數(shù)(見表2)。冷水循環(huán)泵效率的變化范圍為73．16％～75．83％，平均值為73．78％。冷水系統(tǒng)輸送能效比變化范圍為0．021 5～0．029 9，平均值為0．026 3。

 

由表2可知，單臺(tái)機(jī)組運(yùn)行時(shí)，機(jī)組的制冷性能系數(shù)較高，均大于4．0。當(dāng)兩臺(tái)機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，l號(hào)機(jī)組的制冷性能系數(shù)較低。分析冷水機(jī)組性能曲線發(fā)現(xiàn)，當(dāng)大小兩臺(tái)冷水機(jī)組負(fù)荷分配比例接近3：2時(shí)，兩臺(tái)機(jī)組的總運(yùn)行功率較小，處于節(jié)能狀態(tài)。在制冷工況下，冷水系統(tǒng)輸送能效比的平均值為0．026 3，比GB 50189--2005《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的限值0．024 1偏大一些，冷水系統(tǒng)處于不節(jié)能的運(yùn)行狀態(tài)。

根據(jù)人員上下班時(shí)間，將時(shí)間段劃分為：6：009：00，9：00—16：00，16：00—20：00。利用7月14日至16日的測(cè)試數(shù)據(jù)求得各個(gè)時(shí)段空調(diào)系統(tǒng)冷負(fù)荷的擬合式。

 

采用式(4)～(6)得到的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差范圍分別為-5．71％～4．23％、-9．52％～9．43％、-5．81％～5．97％。由此可知，相對(duì)誤差范圍在±10％以內(nèi)，屬于可接受的范圍。

根據(jù)式(4)～(6)，結(jié)合當(dāng)?shù)貧庀笳咎峁┑闹饡r(shí)室外溫度，可得到供冷期空調(diào)系統(tǒng)的逐時(shí)冷負(fù)荷。根據(jù)供冷期空調(diào)系統(tǒng)逐時(shí)冷負(fù)荷、冷水機(jī)組的負(fù)荷分配比例，以及不同負(fù)荷下機(jī)組的運(yùn)行功率，對(duì)供冷期冷水機(jī)組的能耗進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果為2 271．6CJ。

冷水系統(tǒng)處于定流量運(yùn)行狀態(tài)，結(jié)合冷水循環(huán)泵的運(yùn)行情況及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算得供冷期冷水循環(huán)泵能耗為471．6 GJ。經(jīng)計(jì)算，供冷期空調(diào)系統(tǒng)能耗為2 743．2 GJ。

③節(jié)能潛力分析

7月12 日至16日室內(nèi)溫度變化見圖1。由圖1可知，空調(diào)系統(tǒng)停止運(yùn)行后，室內(nèi)溫度在0：00之前升溫較快，0：00之后升溫緩慢，最高達(dá)到26．5℃，溫度上升并不明顯。因此，冷水機(jī)組在人員下班后即可停止運(yùn)行，即停機(jī)時(shí)間調(diào)整為18：00，而冷水循環(huán)泵則運(yùn)行至20：00停機(jī)，以利用冷水剩余冷量，可降低運(yùn)行費(fèi)用。

 

原來運(yùn)行策略為在夜間及周末無人期間冷水機(jī)組停止運(yùn)行的情況下仍開啟一臺(tái)冷水循環(huán)泵，這是為了防止冷水管道集氣，影響下次開機(jī)運(yùn)行。根據(jù)理論分析，只要冷水系統(tǒng)中排氣閥設(shè)置位置合理，就可解決冷水管道的集氣問題。因此，在夜間及周末無人期間可將冷水循環(huán)泵關(guān)閉。由于冷水系統(tǒng)輸送能效比偏高，在冷水循環(huán)泵上加裝變頻器以降低運(yùn)行能耗。根據(jù)建立的能耗計(jì)算模型，計(jì)算調(diào)整冷水機(jī)組、冷水循環(huán)泵運(yùn)行時(shí)間后的供冷期空調(diào)系統(tǒng)能耗。調(diào)整運(yùn)行時(shí)間后的冷水機(jī)組能耗為1 995．1GJ，節(jié)能率為12．2％。冷水循環(huán)泵的能耗為340．9GJ，節(jié)能率為27．8％。

4．3 冬季工況

①設(shè)備配置及運(yùn)行策略

供暖期為ll月1日至次年3月31日，空調(diào)系統(tǒng)熱源采用熱電廠蒸汽，熱水循環(huán)泵與冷水循環(huán)泵共用。冬季空調(diào)系統(tǒng)全天24 h開啟，節(jié)假日也不停止工作。根據(jù)不同時(shí)間段室內(nèi)溫度的需求，結(jié)合室外溫度，自動(dòng)控制系統(tǒng)通過控制進(jìn)汽管上的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥自動(dòng)調(diào)節(jié)供汽量，使換熱器二級(jí)側(cè)出口水溫達(dá)到設(shè)定溫度。

②能耗計(jì)算

供暖期空調(diào)系統(tǒng)測(cè)試工作在2011年1月11日至17日進(jìn)行。根據(jù)測(cè)試結(jié)果計(jì)算的熱水系統(tǒng)輸送能效比的變化范圍為0．016 0～0．021 9，平均值為0．0l8 6，與GB 50189--2005規(guī)定的限值0．005 77差距較大。熱水循環(huán)泵實(shí)際運(yùn)行效率變化范圍為54．78％～63．54％，多數(shù)情況下都低于60％。實(shí)際供回水溫差大部分時(shí)間低于設(shè)計(jì)值(10 ℃)。由此可知，冷熱水循環(huán)泵共用，存在冬夏季工況不匹配的情況。

根據(jù)人員上下班時(shí)間，將供暖工況分為上班時(shí)間段(8：00-18：00)、夜間時(shí)間段(18：00-次日8：00)。不同時(shí)間段內(nèi)，建筑熱負(fù)荷狀況不同，利用測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)式(3)進(jìn)行擬合。

 

采用式(7)、(8)得到的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差范圍分別為-7．64％～8．61％、-5．06％～5．29％。由此可知，相對(duì)誤差在±10％以內(nèi)，屬于可接受的范圍。

根據(jù)式(7)、(8)，結(jié)合逐時(shí)室外氣象參數(shù)，可求得供暖期空調(diào)系統(tǒng)逐時(shí)熱負(fù)荷?？紤]換熱器的換熱效率，得到供暖期空調(diào)系統(tǒng)蒸汽能耗為35 208 GJ。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)值，計(jì)算得熱水循環(huán)泵的能耗為573．84GJ。

③節(jié)能潛力分析

GB 50189--2005規(guī)定冬季采用空調(diào)系統(tǒng)供暖的一般房間室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度不超過20℃。測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，冬季室內(nèi)各區(qū)域溫度比設(shè)計(jì)溫度普遍高3～6℃，白天室內(nèi)平均溫度達(dá)到24．02℃。分析原因，由于換熱器進(jìn)汽管上的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥易出現(xiàn)故障，運(yùn)行管理人員采取了手動(dòng)調(diào)節(jié)方式，使得換熱器二級(jí)側(cè)實(shí)際出水溫度較高，造成了室內(nèi)溫度過高。對(duì)此，應(yīng)更換電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，改善電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的工作環(huán)境，加強(qiáng)維護(hù)，恢復(fù)白控系統(tǒng)的控制運(yùn)行。

恢復(fù)板式換熱器供氣量的準(zhǔn)確調(diào)節(jié)后，將白天室內(nèi)溫度控制在設(shè)計(jì)溫度(20 ℃)。對(duì)于恢復(fù)調(diào)節(jié)后的工況能耗計(jì)算，只需在式(7)、(8)的基礎(chǔ)上，將室外溫度增加4．02℃，其余參數(shù)保持不變，可計(jì)算得到蒸汽量調(diào)整后供暖期空調(diào)系統(tǒng)的蒸汽能耗為31 356 GJ，節(jié)能率為10．9％。在滿足運(yùn)行要求的前提下，將熱水循環(huán)泵按照GB 50189--2005規(guī)定的熱水系統(tǒng)輸送能效比限值重新選型后，能耗為221．76GJ，節(jié)能率為61．3％。

5 分析與討論

在應(yīng)用能耗分析方法時(shí)，可以將空調(diào)系統(tǒng)作為一個(gè)整體進(jìn)行分析，也可以將其各個(gè)子系統(tǒng)單獨(dú)進(jìn)行分析。在對(duì)建筑空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)研測(cè)試的過程中，調(diào)研數(shù)據(jù)與資料往往并不完整，但文中采用的能耗分析方法，基本不受調(diào)研數(shù)據(jù)不完整性的影響。

能耗計(jì)算方法有效地將短期內(nèi)的測(cè)試數(shù)據(jù)擴(kuò)展應(yīng)用到全年，利用修正后的能耗計(jì)算模型更方便準(zhǔn)確地計(jì)算出建筑空調(diào)系統(tǒng)的全年能耗以及實(shí)施各項(xiàng)節(jié)能改造措施后的節(jié)能量。若采用能耗計(jì)算軟件進(jìn)行能耗計(jì)算，所需的基本參數(shù)及計(jì)算條件苛刻，往往導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果與實(shí)際能耗差別較大。這種能耗分析方法采用逐時(shí)室外氣象參數(shù)計(jì)算空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷，比傳統(tǒng)估算能耗方法的計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確。

通過對(duì)本建筑空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能診斷的分析，可以發(fā)現(xiàn)無論對(duì)于系統(tǒng)供冷工況還是供暖工況，其最大節(jié)能空間集中在空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行控制策略優(yōu)化上。因此節(jié)能改造工作應(yīng)將空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行控制策略的調(diào)整放在首位。

 

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本文作者：孫斌輝  田喆  朱能

作者單位：天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院