上海市某商用建筑能耗分析与节能评估.pdf
技术交流上海市某商用建筑能耗分析与节能评估上海房地产科学研究院 陈 晨同济大学 潘毅群 黄治钟华东建筑设计研究院有限公司建筑节能部 吴 刚摘要 采用能耗模拟软件eQUEST对上海市某商用建筑建立模型,对模型进行校正之后计算出该建筑的能耗情况,在此基础上提出6项节能措施,并分析了其节能效果,验证了计算机模拟技术在建筑能耗分析和节能评估中的适用性。关键词 商用建筑 能耗分析 校正 节能评估Energy c onsumption a nalysis a nd e nergy efficie nc ye valuation for a c o m m ercial building in Sha nghaiBy Chen Chen,Pan Y iqun,Huang Zhizhong and Wu GangAbstractEstablishes a model of a commercial building in Shanghai with the energy simulation softwareeQU EST,and calculates the energy consumption after modification.Suggests six measures for energyefficiency improvement,and analyses their effects.Verifies the feasibility of computer simulation forbuilding energy consumption analysis and energy efficiency evaluation.Keywordscommercialbuilding,energyconsumptionanalysis,modification,energyefficiencyevaluationShanghai Real Estate Science Research Institute,Shanghai,China0 引言目前许多大型商业建筑的能耗很高,而大多数物业管理部门都没有有效的测量手段和测试设备来了解各设备的性能和效率以及分析运行能耗,也就无法采取有针对性的节能措施,有的建筑即使采取了一些节能措施也无法评价节能效益。为此,笔者对上海市某大型综合写字楼进行了建筑能耗的模拟,并对大厦作了能耗分析和各种节能措施的效果评价,希望对计算机模拟技术在建筑能耗分析和节能评估中的应用作一些研究1。1 建筑概况该大厦是一座集金融、商务、餐饮、娱乐于一体的高档综合写字楼,已使用近10年,总建筑面积67 000 m2,地上40层,地下1层,其中可出租面积约为55 000 m2,空调面积约为58 500 m2;该建筑外立面为浅蓝色镜面镀膜玻璃幕墙,部分外窗可开启;办公区空调系统为两管制风机盘管+独立新风系统,公共区域为定风量全空气系统;空调水系统分高、低区,中间由换热器连接;冷源为离心式电制冷机,312 MW 2台,114 MW 1台;热源为燃油蒸汽锅炉,415 MW 3台。2 建筑能耗模拟计算模型的建立采用全年8 760 h的逐时能耗模拟软件eQUEST(quick energy simulation tool)对该大厦进行模拟计算。该软件的计算核心是DOE 2的高级版本DOE 212,并在其基础上作了许多优化。88 暖通空调HV&AC2006年第36卷第4期 陈晨,男,1980年3月生,工学硕士,硕士研究生200031上海市复兴西路193号上海市房地产科学研究院中心试验室(021)64718289217E2mail:c_c777 收稿日期:2005 11 09修回日期:2006 01 13建模过程主要包括建筑几何模型、建筑围护结构等基本参数的输入和内部负荷、运行时间表、空调系统等运行条件的设置2。2.1 建筑几何模型根据该大厦的平面设计图纸进行几何建模,并 图1 建筑模型外观对建筑外立面的一些装饰性结构和内部的一些建筑细节进行了简化,以减小模型规模和缩短模拟计算的时间。模型外观如图1所示。2.2 建筑围护结构由于该大厦已建成10年之久,许多原始资料已很难查到,因此尽量从模拟软件的材料库中选取与实际情况接近的围护结构形式,具体参数见表1。表1 模型围护结构参数汇总围护结构 传热系数/(W/(m2K)表面粗糙度/mm吸收率外墙3.0540.25内墙2.2830.70楼板2.2730.70地面0.4730.70吊顶2.0530.70屋面2.9110.60玻璃6.171)6.122)注:1)遮阳系数为0195,日射得热系数为0181;2)遮阳系数为0153,日射得热系数为0146。2.3 内部负荷与运行时间模拟软件需要输入建筑的人员密度、照明负荷和办公设备负荷以及各区域运行时间等信息,根据物业管理人员提供的设计资料和典型区域的实际情况输入到模型中,如表2所示。表2 各区域内部负荷及运行时间功能区域人员密度/(m2/人)照明负荷/(W/m2)设备负荷/(W/m2)运行时段办公室18151509:0017:30学校3202509:0020:30银行4152508:3021:00饭店6401011:3022:00桑拿房202512:0002:00商场5251010:0022:001层大堂540全天车库5005全天走廊3510全天2.4 空调系统分区根据建筑物内高、低区的使用情况和空调系统形式对模型进行了分区,如图2,3所示。图21层空调系统分区示意图3 标准层空调系统分区示意2.5 空调系统运行参数设定模型的主要部分就是空调系统,根据大厦的实测数据对模型的空调系统(包括空气侧系统和水侧系统)进行设置,如表3所示。表3 模型空调系统主要参数设置模型设定值系统形式风机盘管+定风量供热设定温度/222供冷设定温度/242冷水机组能效比COP4.5冷水供/回水温度/6/10.5锅炉效率/%60新风量/(m3/(人 h)303 模型计算、校正与评价3.1 模型计算与校正在完成建模过程之后,用上海市的BIN格式的典型气象年气象数据进行了模拟计算,将模拟结果与收集到的该建筑2004年全年的实际能耗相比较就可以对模型的准确性进行验证。由于该建筑的蒸汽锅炉除了用于大楼冬季的供热以外,还向楼内的桑拿区域提供蒸汽,并且该部分蒸汽用量没有计量,因此无法对空调供热部分的能耗进行比较,只能对模型的用电情况进行验证。98 暖通空调HV&AC2006年第36卷第4期 技术交流将初次计算的模拟结果与实际数据对比之后,对模型进行了三次校正,以使模型符合实际建筑的运行规律。1)用2004年的实际气象参数代替上海市典型气象年的气象参数;2)调整模型的空调运行时间:供冷季节由510月调整为4月20日11月11日,其中6月16日9月15日每天的供冷时间比平时延长3 h;供热季节调整为11月30日次年4月4日。3)用实测的照明负荷替换模型中的假设值:1层大堂改为2614 W/m2、车库改为311 W/m2、走廊改为6 W/m2。模拟结果与实际能耗数据的比较如图4所示。图4 模拟结果与2004年实际用电量的比较3.2 模型的评价3经过校正之后的建筑能耗分析模型的准确性如何,国内目前还没有相关的评价标准,国际上已经有了几个通行的协议(或标准)。1)ASHRAE Guideline 142002,Measurementof Energy and Demand Savings4,这是ASHRAE为满足节能计算过程的需要而制定的,它为商业行为中节能测试的最低可接受的水平提供了指导。2)国际性能测试与认证协议(IPMVP)5,给出了目前最新的用于节能、节水和可再生能源项目结果认证的操作方法,还可以帮助设施管理人员评定和改善设施性能。其中的节能测试(ECMs,energy conservation measures)包括燃料节省测试、节水测试、设备安装或改进中的负荷转移和节能和/或操作程序的改进。3)美国联邦能源管理项目(FEMP)6,是为美国政府降低设施运行费用,帮助联邦能源管理者鉴别和征购节能项目而建立的。它的测试与认证指导书(M&V Guidelines Version 212)遵循IPMVP协议,为测试和认证与联邦机构的执行合同有关的能源节省提供了指导和方法。以上三个标准都给出了全建筑能耗模拟的校正方法,我们以月误差ERRmonth(建筑实测月能耗值与模拟值的相对误差)、年误差ERRyear(全年各月误差的平均值)和均方差的变异系数CV(RSM Emonth)(标准差与平均数的比值称为变异系数)3来验证模型的准确性,比较结果见表4。表4 可接受的误差指标范围与模拟结果误差比较%误差指标ASHRAE Guideline 142002IPMVPFEMP初次模拟结果误差第一次校正 结果误差第二次校正 结果误差第三次校正 结果误差ERRmonth52015-22.24-32.45-15.2-10.01ERRyear10-6.76-11.27-6.71-2.37CV(RSM Emonth)155108.6515.088.125.70从表3可以看出,通过三次模型校正,除ASHRAE Guideline 142002的ERRmonth项和IPMVP的CV(RSM Emonth)项外,模拟计算的结果已基本符合三个标准的要求。模拟结果与实际数据仍有一定的偏差,主要是以下几个方面的原因:1)实际建筑每天的使用情况都不同,模拟软件无法对这种随机情况进行模拟;2)实际建筑中空调系统的运行由物业管理人员手动控制,而模拟软件只能按事先设定好的情况模拟;3)没有详细的建筑围护结构材料的数据,软件自带的材料库中的围护结构参数与实际情况有差别;4)不同的办公区域室内负荷会有所不同,模拟软件也无法模拟这种随机情况。经过校正的最终模型已基本能够反映实际建筑的运行情况,可作为该建筑的基本模型,并用于能耗分析和节能评估。4 能耗分析4.1 能耗指标通过对基本模型的模拟计算可以得到该建筑的一系列能耗指标:年总耗电量为912 GWh;年总 耗 油 量 为09技术交流 暖通空调HV&AC2006年第36卷第4期 9 719 002 MJ(24212 t,模拟软件中按J计);年单位面积耗电量为15714 kWh/m2;年单位面积耗油量为16611 MJ/m2(4114 kg/m2);年总电费为7 395 636元;年总油费为1 005 130元;年总能耗费用为8 400 766元;年单位面积电费为12614元/m2;年单位面积油费为1712元/m2;年单位面积总能耗费用为14316元/m2。4.2 能耗组成基本模型中耗电的各系统分别为照明、设备、制冷机、水泵、风机和冷却塔等,各部分耗电情况如图5所示。其中,设备部分的耗电量最大,此部分图5 各系统耗电百分比除了办公设备以外还包括该大楼12台电梯(共308 kW)的年运行耗电量和每层1台12 kW的电热水炉的年运行耗电量。空调系统的耗电包括制冷机、冷却塔、水泵和风机的耗电总和,占到了总耗电量的22%,照明系统占了3215%。图6为基本模型全年各月用电组成情况,可以图6 全年各月用电组成看出空调系统的能耗与气候变化密切相关,夏季室外气温升高,大厦利用电制冷机供冷并且运行相关的冷却塔、水泵等,用电量明显增加;而在冬季,室外气温降低,大厦利用燃油锅炉供热,用电量减少,但风机和水泵仍有一定的使用。另外,照明和设备耗电量不受气候变化的影响,因此全年的耗电量比较稳定。5 节能评估本课题的最终目的是为该建筑提供可靠的节能优化方案,因此需要在基本模型的基础上进行能耗分析之后,确定节能目标、提出节能措施、评价节能效果。5.1 模型的模拟与比较在基本模型的基础上,参照 上海市公共建筑节能设计标准(因全国公共建筑节能设计标准于2005年7月1日正式实施,故在进行本课题的研究时仍以上海市的地方标准为依据)和 美国非住宅建筑节能标准(ASHRAE 90112001)分别建立了两个基准模型:将基本模型中不符合节能标准的参数进行更改,保留达到或超过节能标准的参数,同时保留一些基本的建筑信息、分区情况等内容。更改的参数如表57所示。表5 建筑围护结构材料参数项 目基本模型上海基准模型ASHRAE基准模型单层透明玻璃 传热系数/(W/(m2K)6.173.70(窗墙比 0.4)3.00(窗墙比 0.4)1.80 遮阳系数Sc0.950.600.39(北向)0.29(其他)蓝色镜面玻璃 传热系数/(W/(m2K)6.123.70(窗墙比 0.4)3.00(窗墙比 0.4)1.80 遮阳系数Sc0.530.600.39(北向)0.29(其他)外墙总传热系数/(W/(m2K)3.051.000.70屋顶总传热系数/(W/(m2K)2.910.800.19楼板总传热系数/(W/(m2K)2.272.00表6 室内照明负荷W/m2功能区域基本模型上海基准模型ASHRAE基准模型办公室151514商场 252016饭店 403016表7 空调系统参数基本模型上海基准模型ASHRAE基准模型系统形式风机盘管+定风量 风机盘管+定风量变风量空气侧经济器无无有冷水机组COP4.55.26.1冷却塔单速风扇单速风扇双速风扇冷却水泵定流量定流量变流量冷水一次泵定流量定流量变流量冷水二次泵定流量定流量变流量锅炉效率60%80%80%热水一次泵定流量定流量定流量热水二次泵定流量定流量变流量风机效率实测数据50%50%水泵效率实测数据60%60%19 暖通空调HV&AC2006年第36卷第4期 技术交流 对建好的两个基准模型进行模拟计算后得到其全年能耗情况,如表8、图7所示。表8 基本模型、基准模型与综合优化模型全年能耗及费用比较全年峰值用电/kW全年用电/(kWh/m2)全年用油/(MJ/m2)总能耗/(MJ/m2)总能耗成本/(元/m2)节省成本/(元/m2)基本模型5 476157.4166.1732.9143.6上海基准模型4 781148.950.4586.3124.718.9ASHRAE基准模型4 504141.815.3525.9115.528.1综合优化模型5 036144.4181.2701.0134.88.8图7 基本模型与基准模型全年用电组成比较 通过以上的比较可以看出,基本模型的能耗明显高于两个基准模型,是ASHRAE基准模型能耗的1124倍,可见该建筑还是有较大的节能潜力,尤其是在照明和空调系统方面,这也是寻找节能优化措施的主要方向。5.2 节能措施的模拟研究根据上述模拟分析并结合该大厦的实际情况,提出了6项节能措施7。1)制冷机及一次水系统(冷、热水)的优化运行:按室外气温的变化自动调节一次水的温度,根据负荷变化自动启停制冷机;2)高区水泵变频控制;3)提高风机盘管电动机效率:将风机电动机由交流电动机改为直流无刷电动机,电动机效率提高20%;4)更换1台冷却塔:将基本模型中启动次数最多、使用时间最长的1台冷却塔改为高效、双速风扇的冷却塔;5)更换2台冷却塔:在前一项节能措施的基础上再更换1台高效、双速风扇冷却塔;6)降低办公区照明负荷:办公区更换节能灯具,照明负荷由15 W/m2降至10 W/m2,照度仍保持在400450 lx。在基本模型的基础上分别对采用以上节能措施的模型进行了模拟计算,并对节能效果进行了比较和经济性分析,如表9所示。表9 各项节能措施节能效果及经济性比较节能措施峰值用电/kW全年用电/(kWh/m2)全年用油/(MJ/m2)全年能耗总成本/(元/m2)年能耗成本节省/(元/m2)初投资/万元简单回收期/a基本模型5 476157.4166.1143.6制冷机及一次水系统的优化运行5 479157.4165.9143.50.12.54.3高区水泵变频控制5 423155.9167.6142.51.112.01.9提高风机盘管电动机效率5 357156.1166.5142.61.022.53.8更换1台冷却塔5 444156.8166.1143.10.513.04.3更换2台冷却塔5 431156.5166.1142.80.726.06.4降低办公区照明负荷5 178147.3179.3136.86.8124.83.1 注:简单回收期=初投资/(年能耗成本节省 空调面积)5.3 综合优化模型将6项节能措施全部应用于该大厦形成最终的节能优化模型。综合优化模型的节能效果以及与两个基准模型的比较见表8。综合优化模型能耗及能源成本都比基本模型有显著下降,其中柴油的用量有所上升,这是由于降低了办公区的照明负荷使空调热负荷略有增加,但全年的总能耗还是节省了611%。与两个基准模型相比,综合优化模型的能耗还是略高的,比上海基准模型高出811%,比ASHRAE基准模型高出1617%。造成这些差距的原因主要在围护结构、玻璃材料、空调系统形式和冷热源的效率等方面,针对大厦的实际情况这些方面的改进措施比较困难,经济性和可操作性差,因此笔者不做建议。同时,综合优化模型总的初投资为18718万元,每年可节省能源费用51148万元,即818元/m2,如果不考虑利率的影响,316 a即可回收初投资。6 结论6.1 使用eQUEST能耗模拟软件建立了某商用建筑的能耗计算模型,然后对模型进行了三次校29技术交流 暖通空调HV&AC2006年第36卷第4期 正,使模拟结果与实际能耗数据的误差在允许范围内,月误差最大为-10101%,年误差为-2137%;经过校正的基本模型能够反映该大厦实际的用能规律,通过模拟计算得到了该大厦的一系列能耗指标和能耗组成情况,对该大厦各系统设备的运行规律和耗能情况有了更加深入的了解,可以帮助物业管理人员更好地进行建筑物的能源管理,在一定程度上弥补了现场测试条件不足而造成的数据缺乏。6.2 参照 上海市公共建筑节能设计标准 和 美国非住宅建筑节能标准(ASHRAE 90112001)分别建立了两个基准模型,通过模拟计算可以看出,该 大 厦 的 能 耗 明 显 高 于 基 准 模 型,是ASHRAE基准模型的1124倍,有一定的节能空间。借助能耗模拟软件可以将实际建筑与节能标准进行比较,确定节能目标和节能方向。但是该建筑在围护结构、空调系统形式等方面进行节能改造的难度很大、成本很高,经济性差,因此很难达到节能标准限定的能耗指标。这也说明了在使用能耗模拟软件进行节能评估和预测时还要充分考虑节能方案的经济性和可操作性。6.3 在能耗分析的基础上,提出了6项节能措施,并逐一进行了模拟计算,得到了各项节能措施的节能效果和经济性分析;综合以上6项节能措施建立了综合优化模型,经过模拟计算可知该方案每年可节省能耗611%、投资回收期为316 a。能耗模拟软件在方案论证和评估方面有很大的优势,它可以模拟计算出各种节能方案和控制策略的节能效果。6.4 尽管能耗模拟软件能够极大地方便科学研究和工程实践,但它毕竟只是对实际情况的近似和模拟,对一些随机情况和不可预料的影响因素没有很好的解决办法,不可能完全反映客观实际,应该积极探索更加合理的计算模型和模拟方法,全面掌握专业知识以指导模拟技术。参考文献1 潘毅群,吴刚,Volker Hartkopf.建筑全能耗分析软件EnergyPlus及其应用J.暖通空调,2004,34(9)2 侯余波,付祥钊,郭勇.用DOE 2程序分析建筑能耗的可靠性研究J.暖通空调,2003,33(3)3ChimackMJ.Determiningbaselineenergyconsumption and peak cooling loads of a 1072year2oldscience museumusing DOE211E C SeventhInternational IBPSA Conference,20014ASHRAE Standards Committee.ASHRAE Guideline142002MeasurementofEnergyandDemandSavingsS.America,20025U S Department ofEnergy and Office ofEnergyEfficiencyandRenewableEnergy.InternationalPerformance Measurement and Verification ProtocolS.America,20026U S Department ofEnergy and Office ofEnergyEfficiency and Renewable Energy.Federal EnergyManagement Program(FEMP),M&V Guidelines:Measurement and Verification forFederalEnergyProjectsS.America,20007 周巧航,赵加宁,施雪华.深圳市某办公楼空调系统节能潜力分析J.暖通空调,2004,34(4)简讯 特种工区多变调控全新风除湿机通过鉴定 由解放军某部、海军工程设计研究院、广东申菱空调设备有限公司共同研制的特种工区多变调控全新风除湿机鉴定会,于2006年2月25日在广东顺德召开。军内外19位代表参加了会议,并由来自全国各地的9位知名专家组成鉴定委员会。会议听取了样机研制报告、科研查新报告和国家压缩机制冷设备质量监督检验中心关于样机性能检测报告的汇报,并察看了样机。与会专家一致认为:该机组具有全新风、大风量、大焓差的特点,在单机容量上取得重大突破;机组结构布置合理,首次采用多制冷系统蒸发器串并联,以及风冷和水冷冷凝器的串并联方案,便于调节控制,节能降耗,系统设计新颖可靠,具有独特的创新性;该机组采用变频多工况调控技术,能实现在不同进风条件下变工况智能化运行;采取屏蔽等措施,消除了变频运行时各机组间电磁干扰现象,确保机组运行的稳定性;同时,机组采用可编程PLC技术,实现了系统全自动控制,有效地消除温度盲区,使温湿度调节更加精确;采取有效的防腐措施,确保机电控制设备、整机设备能在高温、高湿、高盐雾环境条件下可靠运行。该机组技术先进,性能达到国内领先水平。该机组的研制成功,对国防工程建设具有重要的现实意义,军事经济效益显著。同时对民用地下工程也具有广泛的应用前景。(姜绍彬)39 暖通空调HV&AC2006年第36卷第4期 技术交流
