上海典型办公建筑能耗模拟与分析.pdf

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1、第 3 1 卷第 2期 2 0 1 2年 4月 建 筑 热 能 通 风 空 调 B u i l d i n g E n e r g y&E n v i r o n me n t V0 l _ 3 1 No 2 Apr 2 01 2 4 0-43 文章编号：1 0 0 3 0 3 4 4(2 0 1 2)0 2 0 4 0 4 上海典型办公建筑能耗模拟与分析 余秋萍 邹钺 王欢 东华大学环境科学与工程学院 摘 要：通过对大量的上海办公建筑进行综合提炼、简化，建立上海典型办公建筑。选取照明功率密度、室内设计 参数、冷水机组 C O P、新风量四个典型能耗影响因子，通过正交实验法列出实验方案，应用

2、e Q U E S T能耗模拟软 件对不同方案进行模拟分析，找出最优方案，对四个典型能耗影响因子的综合影响程度进行研究，为以后的节能 设计和改造提供基础。关键词：e Q U E S T能耗模拟 正交实验 办公建筑 Anal ys i s and Si m ul at i on f or Typi cal Offi ce Bui l di ng En er g y Cons um p t i on i n Sh anghai Y U Q i u p i n g，Z O U Y u e，WA N G H u a n Co l l e g e o f En v i r o n me n t a l

3、a n d En g i n e e r i n g，Do n g h ua Uni v e r s i t y Abs t r ac t：Ba s e d o n t h e a n a l y s i s a n d r e fin i n g o f a l a r g e n u mb e r o f S h a n g h a i o ffi c e b u i l d i n g s，t h i s p a pe r e s t a b l i s h e d a typ i c a l o ffi c e b u i l d i n g i n S h a n g h a i O

4、ah o g o na l e x p e r i me n t me t h o d a n d a n i n t e r n a t i o n a l a ut h o r i t a t i ve e n e r g y s i mu l a t i o n s o f t w a r e e Q U E S T w e r e a p p l i e d t o c o n d u c t e x p e r i me n t s o n t h e mo d e l S f o u r s i g n i fi c a n t f a c t o r s：l i g h t i

5、n g p o w e r d e n s i ty，i n t e r i o r d e s i gn pa r a me t e r s，t h e COP o f c h i l l e r s，o u t s i d e a i r flo w p e r p e r s o nAn o p t i mu m s c h e me wa s s e l e c t e d b y t h e e x p e r i me n t s F i n a l l y，a n a l y s i s t he f o u r s i gn i fic a n t f a c t o r s

6、wh i c h a f f e c t i n g e n e r g y c o n s u mp t i o n，fin d o u t t h e c o mp r e h e n s i v e i nfl u e n c e o f t h e m，p r o v i d i n g d e s i g n e r s a r e f e r e n c e f o r ne w b u i l d i n g s e n e r g y c o ns e r v a t i o n a s we l l a s r e c o n s t r u c t i o n o f e

7、n e r gy-s a v i n g f o r t h e e s t a b l i s h e d b u i l d i n g Ke y wo r d s：e QUE S T，e n e r g y s i mu l a t i o n，o h o g o n a l e x p e r i me n t，o ffic e b u i l d i n g 我国是一个能源消耗大国，能源的消耗特点是：效率低下、浪费严重、污染严重。李志生、李冬梅等I l J 对 外保温情况对能耗的影响进行了分析研究。陈晨等 2 1 对上海市某商用建筑从建筑围护结构参数、照明功率 密度、空调系统参数几个

8、方面进行三个模型的设计，对 比了三个模型的能耗情况。郑沽等3 J 对重庆某宾馆 进行 了能耗组成的分析，得出了空调系统和照明系统 是最大耗能部分的结论，并提出了节能方案。梁珍等 对哈尔滨、北京、深圳的商场进行 了全年建筑能耗模 拟算，得出了不同地区商场的建筑能耗的主要影响因 素，并进行了节能分析。徐来银等【5 J研究了窗墙比和窗 玻传热系数对建筑能耗的影响；郑志勇等旧 通过设计 正交实验分析夏热冬暖地区医院建筑能耗影响因素 权重。这些工作推动了国内建筑能耗影响因素研究的 发展。王春雷7 J对 e Q U E S T中影响能耗的 3 0 个 因素应 用正交试验的方法进行了显著性分析。目前大多数的

9、 研究只对各个能耗影响因素按一种配比方式进行了 研究，没有进行 自由综合，也鲜有利用正交实验的；文 献 7】虽对 3 0个因素进行了显著性研究，但并没有给 出具体的影响程度；对单因素进行了影响程度的分析，没用进行综合影响程度分析，因此本文在上述文献研 究的基础上，选取 4 个典型能耗影响因子，利用正交试 收稿 日期：2 0 1 1-1 0 8 作者简介：余秋萍(1 9 8 5 )，女，硕士研究生；上海市松江区人民北路 2 9 9 9 号东华大学环境学院 3 1 3 1 室(2 0 1 6 2 0)E ma i l：n u a n n u a n 8 2 8 1 6 3 c o rn 万方数据第

10、3 1 卷第 2 期 余秋萍等：上海典型办公建筑能耗模拟与分析 4 1 验，科学合理地对这四个典型能耗影响因子的综合影 响程度进行研究。1 模拟方法及 其理论 采 用全年 8 7 6 0 h的逐 时能耗模拟 软 e Q U E S T (Q u i c k e n e r g y s i mu l a t i o n t o o 1)对本文建立的典型办公 建筑进行模拟计算。1 1 e QU E S T简 介 e Q U E S T为快速能耗模拟软件，它是基于 D O E 一 2 基础上开发起来的能耗模拟软件。DO E 一 2 是由美国能 源部和美国劳伦斯 伯克利国家实验室开发的能耗分 析模拟软

11、件，是国际上都公认的比较准确的能耗分析 软件，使用人数和范围非常广泛，功能全面而强大，经 过了无数工程的实践检验，并应用于全球 4 0多个国家 的建筑节能规范编制中嘲。1 2 e QU E S T的数 学模 型 e Q U E S T软件采用的数学模型与我国暖通工程界 常用的采暖空调负荷计算方法所采用的模型是一致 的 9 1。分析建筑热过程中，由于建筑物的围护结构具有 蓄热能力，在得热量转化为冷负荷的过程中，存在着 衰减和延迟。因此，计算负荷的数学模型是一个动态 的模型，e Q UE S T用反应系数法来计算建筑围护结构 的传热量 l o 。传热反应系数计算式如式(1)(2)I l】。当n=0

12、时 Y。=K+IJ 2 -(1 一 e a,a r)(1)i=1 u 0 当n 0时=(1 一 e a iA T：)(2)i=1 一 式中：r 为离散时间间隔，取AT=l h；B 为系数，等于 1 (c (一 )；为方程 B O)=O的第 i 个根；n为反应 系数的项数；K为墙体传热系数，W(m：)。2 典型办公建筑 模型 办公建筑一般是包括商业、办公室、多功能辅助 房等的综合建筑，主要用途是办公，为了研究 的方便 和变量系数的统一，使得研究的变量更具有针对性，本文按照常用办公建筑形态做以下简化：建筑外形和功能分区尽量简化，取正方形形 状，分为外区、内区和核心区。其 中核心区包括楼梯、电梯问及

13、前室、卫生问、开水问等，属于服务性空间，本 模型对核心区不设空调系统。为简化模型，认为各层面积、平面形状、长宽比、层高均相同，即所有层均为标准差。建筑的使用严格按照国家规定的节假 日，且周 末和节假 日 认为是没有人上班的。对于建筑整体来说，门的影响很小，所以忽略门 的影 响，不设 置。建筑四面的窗户为相同材质相同设置，按照窗 墙 比均匀分布。燃气主要用于冬季热水，供暖等，所以本文讨论 的用电量不包括冬季空调采暖，但包括输送用的电力。本文 的典型办公建筑模型选用上海地区大型纯办公 建筑楼，地上层数 2 3 层，无地下室，层高 3 6 m，建筑高 度 8 2 8 m，标准层面积 1 6 0 0

14、m，建筑面积 3 6 8 0 0 m2，体 型系数为 0 1 l 2。建筑朝向为 s N，墙窗比取 0 4。气象 文件选取 B I N格式的上海气象文件。核心区为边长为 1 8 m的正方形区域。外区进深为 4 m，内区为 7 m。如图 1所示：墅匡 内 区 厂 按心区 l I l I_l _ 4n一 j 4 n m I l 。图 1分区示意图 除下面讨论的 4 个典型能耗影响因子，典型建筑 的其他参数部分根据 A S H R A E 9 0 1 的附录 G的要求 来设置，部分参考实际建筑常用设计，部分依据公共 建筑节能设计标准。详见表 1。表 1典型建筑参数设置 建立的模型外观如下 万方数据建

15、 筑 热 能 通 风 空 调 图 2 建筑模型外观图 3 典型能耗影响因子 3 1 4个典型能耗影响因子 为节约研究时间，从前人的研究成果 中选 出对 建筑能耗影响较大 的几个因子：照明功率密度、室内 设计参数、冷水机组 C O P、新风量。讨论这 四个因子对 建筑能耗的影响。分别用 A、B、C、D代表这四个因子，每个因子分别取 3 个不 同水平的值，用字母加 1，2，3 代 表。水平 l，2，3的值按照 比 A S H R AE标 准低、A S HR A E标准、上海常用设计进行设置；排列的时候 按从小到大 的顺序。3 2 正交表和 9个方案 本文选取了4个典型因素来研究，每个因素又选 取了

16、 3 个不同的水平值，如果全面考虑实验，需要做 8 1 次模拟，工作量很大，也没有这个必要，因为有些组 合是不具有代表性的，因此本文参照文献 1 2 卜 1 3 ，选 用正交实验设计方法来处理，该方法利用规格化的表 格正交表，科学地挑选试验条件来合理安排与分 析多因素试验。它是由试验因素的全部水平组合中，挑选部分有代表性的水平组合进行试验的，通过对这 部分试验结果的分析了解全面试验的情况，找出最优 的水平组合。选取正交表 3 ，如表 2。表 2 正交方案设计 列号 1 2 3 4 影响周子 水平组合 照 明功率密度 室 内设计参数 冷水 H C OP 新风量 方案(W m )()(h 人)方

17、案】AI BI C 1 D1 方案 2 AI B 2 C 2 D2 方 案 3 AI B 3 C 3 D3 方案4 A2 B1 C 2 D3 方案 5 A2 B 2 C 3 DI 方案 6 A2 B3 CI I 1 2 方 案 7 A3 B1 C 3 D2 方案 8 A3 B2 CI I 1 3 方 案9 A3 B 3 C 2 DI 4 能耗分析 图 3 是正交实验的结果，从图中可以看出，方案 3 为 8种 方 案 中 的 最 优 方 案，年 均 用 电 量 为 8 5 2 k Wh m ，以最高能耗方案 8 为比较基准点，比较各 个方案的相对节能率。一 0 一 l 0 ，I 毋 图3 各方案

18、年均用电量和相对节能率的比较 从模拟出的结果看出，建筑的主要耗能部分是照 明、空调和设备用电，三者总和达到建筑总耗能的 8 0 以上，这三部分的耗能比例随参数的设置而有所 改变，图4是分别对 8 种方案中这三项的耗电量占总 耗电量的百分比的统计。较 对正交试验结果的分析方法有两种：一种是直观 分析法，该方法简单、直观、易做、计算量较少；另一种 是方差分析法，计算结构复杂，计算量较大，但该方法 分析较精确。本文采用第一种方法进行能耗模拟数据 的分析。水平 1(I)分别代表实验因子 A、B、C、D在所有 实验中水平为 1 的实验结果的和。同理水平 1(I I)分 别代表实验因子 A、B、C、D在所

19、有实验中水平为 2的 实验结果的和，以此类推。I 3，I I 3，I I I 3 是对上述值 求平均。极差 R是各因子中不同水平的平均值中最大 差值，其值的大小反映各因子的交互作用对能耗大小 的影响程度 1 4 1，计算结果如表 3 所示。表 3 实验结果分析 水平1(I)2 7 z1 3 0 4 3 1 5 2 9 6 9 水平2(I I)2 9 7 8 2 9 9 6 2 9 7,9 2 9 9 8 水平3(n I)3 2 7 7 2 9 4 2 8 6 2 3 G O 9 J 3 9 0 7 1 0 l 3 1 0 4 5 9 9 I I 3 9 9 3 9 99 9 9 3 9 9 9

20、 I I I 3 l O 92 9 8 954 1 o 0 3 极差R 1 8 5 3 3 9l l 3 万方数据第 3 1卷第2期 余秋萍等：上海典型办公建筑能耗模拟与分析 4 3 从上表中可以看出，照明功率密度对能耗的大小 影响最为明显，其次是冷水机组的 C O P，影响最小的 是新风量的大小。由于室内设定温度提高以及 C OP值 的增大空间非常有限。一般情况下，在满足人的热舒 适性要求下，室内温度调幅一般在 2 C 3；C O P值 受空调制冷技术发展水平的限制，提升也非常有限。相 反，照明密度的变化范围却相当之大。从普遍情况来 看。公共建筑照明密度设计相差很大。有些设计在 2 0 3

21、0 W m：，有些商场的照明密度甚至高达 4 0 5 0 W m。根据照明节能设计标准，办公建筑照明密度标准为 1 5 W m：。因此，严格按照节能设计标准进行照明设计 及相关改造，节能潜力巨大。5 结论 1)利用 e Q UE S T能耗模拟软件对虚拟的上海市 典型办公楼模型进行了模拟计算。由于对建筑进行了 大量简化，导致最终得出的能耗数据偏大，但是基于 本文是研究 4 个典型因子对能耗的影响，能耗偏大并 不影响对其的研究。模拟计算结果显示，9 种方案的建 筑峰值耗均出现在 8 月。2)运用正交设计实验方案，对 9种方案中的不同 照明功率密度、室内设定温度、制冷机 C OP、新风量进 行了模

22、拟，对得 出的能耗数据，用直接分析法进行 了 分析，分析比较结果表明，通过调整照明密度实现建 筑节能 的潜力很大。3)由直 接 分 析 法 可 以 得 出，最 佳 方 案 为 A1 B3 C3 D1。4)运用能耗模拟软件模拟建筑的能耗是一种方 便快捷 的方法，能很快得 出各个方案的优劣，提供选 择方案的一种依据，但是也存在着一些不足之处，例 如：软件只能是对实际情况的一种近似模拟；实际有 一些系统在软件中无法直接模拟，必须进行近似，容 易产生误差；软件模拟所借用的典型年的天气数据库 与实际的情况可能也会有出入。参考文献 1 李志生，李冬梅，梅胜，等 夏热冬暖地区办公建筑能耗模拟与 分析 J J

23、 节能技术，2 0 0 6，2 4(6)：4 8 3 4 8 6 2】陈晨，潘毅群，黄治钟 上海市某商用建筑能耗分析与节能评估 J 暖通 空调，2 0 0 6，3 6(4)：8 8 9 3 3 郑洁，孙海军，曹晓庆 重庆地区宾馆类建筑能耗模拟分析 A 见：中国仪器仪表学会第九届青年学术会议论文集，2 0 0 7 4】梁珍，程继梅，徐坚 商场建筑能耗主要影响因素及节能分析 f J 节 能技术，2 0 0 1，1 9(3)：1 7-2 0 5 5 徐来银，陈伟，熊春晖 某办公楼能耗影响因素分析及改进措施 f J 四川建材，2 0 0 8，(4)：1 5 2 2 6 郑志勇，吴祥生，方锋 医院建筑能

24、耗影响因素分析 J 制冷与 空调，2 0 0 5，(Z1)：7 5 7 7 7 王春雷 夏热冬暖地区大型办公建筑能耗影响因素研究 D 哈 尔滨：哈尔滨 业大学，2 0 1 0 8 8 孙大明 当前国内外建筑节能软件现状分析 N】中华建筑报，2 0 0 6 0 6-1 7(0 0 7)9 侯余波 夏热冬暖地区建筑师用建筑能耗计算方法的研究 D 重庆：重庆大学，2 0 0 1 【1 0 Wa l t z，P J a me s C o mp u t e r i z e d B u i l d i n g E n e r g y S i mu l a t i o n Ha n d b o o k M

25、Ma r c e l De k k e r，2 0 0 0 1 1】何嘉鹏，王东方，姜正良 对墙体不稳定传热一反应系数法的应 用研究 AJ 见：全 国暖通空调制冷 1 9 9 8 年学术年会论 文集【c 1 9 9 8 1 2 田胜元，萧日荣 实验设计与数据处理 M 北京：中国建筑工业 出版社，1 9 8 8 1 3 施富清，史如琴，肖锋，等，正交试验法与模拟计算 J 肥工业 大学学报，2 0 0 1，2 4：7 7 7 7 8 1 1 4 彦鲁博，白秀忠 正交试验在工程 中的应用 A 见：第十二届全 国-程设计计算机应用学术会议文集 c 2 0 0 4 (上接 7 4 页)4 结论 1)水泵

26、变频控制技术运用在空调水系统中可以节 能能源，从而降低运行费用。通过分析某厂制冷站水 系统能耗，得出大型冷站冷却水系变频运行节能率可 达定流量运行的4 8 9。2)由于在冬季工况下冷却塔的换热能力小于夏季 工况，因此，在设计制冷站系统时，建议多台冷却塔、冷 却水泵及对应的管路系统应采用并联形式，以便在充 分利用冷却资源和延长设备使用寿命。参考文献 1 张谋雄 冷水机组变流量的性能 J 暖通空调，2 0 0 0，3 0(6)：5 6 5 8 2】徐菱虹，王凌云集中空调冷却水系统的节能运行f J 暖通空调，2 0 0 0，3 0(3)：8 2-8 4 3 李苏泷，徐莉，朱海峰水冷式冷水机组冷凝温度控制法研究 J l 制冷学报，2 0 0 5，2 6(4)：5 9 6 2 4 董亮 空调系统冷却水泵配置的压差法分析 J 建筑热能通风 空调，2 0 0 7，2 6(1)：4 8 5 0 5 曲凯阳，胡德祥，王连吉，等 空调冷却水系统最有节能控制策 略 J l 暖通空调，2 0 1 0，4 0(4)：1 1 0 1 1 4 万方数据