黃山市某辦公建筑空調(diào)系統(tǒng)能耗分析

方廷勇，宋丹妮，王黎明

(1.安徽建筑大學(xué) 環(huán)境與能源工程學(xué)院，安徽 合肥 230601；

2.安徽省安慶市住房和城鄉(xiāng)建設(shè)委員會(huì)，安徽 安慶 246003)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人們對(duì)環(huán)境舒適性要求的提高，建筑能耗問題日益嚴(yán)峻。近年來各省市發(fā)展迅速，公共建筑數(shù)目大量增長(zhǎng)，因其空調(diào)、照明、電梯等系統(tǒng)的運(yùn)行，耗電量指標(biāo)高達(dá)普通居民住宅的十幾倍。辦公類建筑因其能耗集中且大，空間復(fù)雜，成為了公共建筑總能耗的重要組成部分。

夏熱冬冷地區(qū)大部分辦公樓的全年使用時(shí)間大約在200～280 d，在公共建筑的全年能耗中，供暖空調(diào)系統(tǒng)的能耗約占40%～50%，照明能耗約占30%～40%，其他用能設(shè)備約占10%～20%[1]，因此辦公建筑在供暖空調(diào)方面有較大的節(jié)能潛力。

辦公建筑空調(diào)耗能不僅由空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)所決定，而且與室外氣候條件及室內(nèi)外通風(fēng)狀況息息相關(guān)。國(guó)內(nèi)外專家對(duì)于不同氣候區(qū)辦公建筑空調(diào)能耗方面作了大量研究，清華大學(xué)節(jié)能研究中心[2]采用模擬方法對(duì)北京、臺(tái)灣、香港及加州4棟實(shí)際辦公建筑進(jìn)行定量分析，得出在空調(diào)耗能方面，氣象特征、圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、人員用能行為等因素的敏感性。Yu Z[3]、劉建龍[4]、Peng C[5]等利用能耗仿真軟件對(duì)辦公建筑能耗進(jìn)行了模擬研究，分析了辦公建筑的負(fù)荷特性，并提出了有效的節(jié)能措施。張科等[6]采用各氣候區(qū)典型案例分析辦公建筑能耗，分析表明，室外氣候?qū)照{(diào)能耗有一定的影響。趙宇[7]對(duì)六種不同空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)用軟件DeST進(jìn)行全年逐時(shí)負(fù)荷的計(jì)算，采用CEC系數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，提出空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行管理相關(guān)指導(dǎo)意義。

國(guó)外學(xué)者大多考慮通風(fēng)與空調(diào)系統(tǒng)相結(jié)合的方式對(duì)辦公建筑空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能潛力分析。Fernandez N[8]利用EnergyPlus對(duì)美國(guó)某典型大型辦公樓幾種常見的供暖、通風(fēng)、空調(diào)系統(tǒng)調(diào)整措施進(jìn)行了節(jié)能潛力分析，并在美國(guó)16個(gè)不同氣候區(qū)進(jìn)行了單獨(dú)措施和組合措施方案的模擬，得出單獨(dú)措施和組合措施都能實(shí)現(xiàn)減少空調(diào)年能耗，且分別達(dá)到20%及35%以上。Flodberg K[9]通過動(dòng)態(tài)模擬針對(duì)瑞典地區(qū)辦公建筑提出了優(yōu)化低能耗設(shè)計(jì)的建議，得出建筑節(jié)能最重要的設(shè)計(jì)特點(diǎn)是要求控制通風(fēng)。Bagci[10]選擇典型濕熱地區(qū)香港某辦公建筑進(jìn)行能耗分析，得出用水冷離心式制冷機(jī)代替風(fēng)冷往復(fù)式制冷機(jī)，安裝冷凍水泵電機(jī)變速驅(qū)動(dòng)器，合理限定室內(nèi)空氣溫度等措施能大大節(jié)約空調(diào)耗電。T Shibahara[11]通過測(cè)定東京市中心于2003年3月竣工的總部辦公樓的室內(nèi)熱環(huán)境和通風(fēng)放熱率，得出夜間凈化通風(fēng)、自然通風(fēng)和混合空調(diào)的節(jié)能效果。

國(guó)內(nèi)外多采用軟件模擬方式研究不同因素對(duì)建筑空調(diào)能耗的影響，結(jié)合實(shí)際能耗數(shù)據(jù)分析較少，本文針對(duì)黃山市某辦公建筑，運(yùn)用DeST-c對(duì)兩種常見空調(diào)方式進(jìn)行模擬，并基于黃山市公共建筑能耗監(jiān)管平臺(tái)，統(tǒng)計(jì)該建筑近兩年實(shí)測(cè)能耗數(shù)據(jù)，采用模擬與實(shí)測(cè)相結(jié)合的方式對(duì)比分析辦公建筑的空調(diào)能耗，研究結(jié)果能夠?yàn)橄臒岫涞貐^(qū)辦公建筑節(jié)能提供依據(jù)。

1 某辦公建筑空調(diào)系統(tǒng)方案分析

1.1 建筑概況

本文研究對(duì)象為辦公建筑，位于安徽省黃山市(圖 1)，總建筑面積為 8023.40 m2，建筑高度為21.8 m，朝向?yàn)槟掀珫|40.2°，建筑體形系數(shù)為0.24。主體結(jié)構(gòu)形式為框架結(jié)構(gòu)，地上五層，主要功能房間為辦公室、會(huì)議室、閱覽室等。該辦公樓工作時(shí)間為周一至周五的9：00到18：00。

圖1 建筑軸側(cè)圖

1.2 室外氣象參數(shù)

黃山市屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候，年平均氣溫15.7℃，年日照時(shí)間約2000 h，季風(fēng)明顯，四季分明，冬天寒冷，夏天炎熱，春秋兩季氣候適中，為典型的夏熱冬冷地區(qū)，平均溫度較安徽其他各城市略低。黃山的降雨主要集中在夏季，雨量適中。年均降水量約1000 mm，平均相對(duì)濕度為77%。根據(jù)中國(guó)氣象局氣象信息中心氣象資料室1971-2003年全國(guó)各地面氣象臺(tái)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)，如圖2，最熱月為7月，月平均溫度為27.96℃，最高溫度可達(dá)36.20℃，最冷月為1月，平均溫度只有2.98℃，最冷溫度為-3.50℃。

圖2 黃山市全年逐時(shí)干球溫度

根據(jù)黃山市逐時(shí)含濕量情況可知(圖3)，空氣的最高含濕量值可達(dá)到28.07 g/kg，處于空調(diào)冷負(fù)荷最大的夏季。因此，該地區(qū)采用由經(jīng)過處理的空氣來承擔(dān)全部的室內(nèi)熱濕負(fù)荷的空調(diào)系統(tǒng)難以滿足舒適度要求。作為典型的濕熱氣候區(qū)，其空調(diào)方案設(shè)計(jì)宜考慮空調(diào)系統(tǒng)增加獨(dú)立的新風(fēng)系統(tǒng)，互相承擔(dān)冷、濕負(fù)荷和新風(fēng)負(fù)荷。

圖3 黃山市全年逐時(shí)含濕量

1.3 室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)

參照工程設(shè)計(jì)資料，利用DeST-c對(duì)各房間功能參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)及傳熱系數(shù)與建筑設(shè)計(jì)圖紙中提供信息一致，見表1，不同房間功能熱擾參數(shù)見表2，其中，人員、燈光及設(shè)備熱擾作息設(shè)定采用本辦公建筑工作作息。

表1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)

2 建筑模型及模擬工況設(shè)置

2.1 建立模型

運(yùn)用軟件DeST-c對(duì)該辦公建筑建立模型，建筑模型圖見圖4和圖5。

圖4 建筑模型圖

圖5 建筑模型平面圖

根據(jù)黃山市的氣候因素，本工程夏季空調(diào)期設(shè)置為6月1日至9月 30日，冬季采暖期設(shè)置為11月15日至次年3月15日，在增加房間互通風(fēng)與建筑內(nèi)外通風(fēng)的情況下，通過模擬，得到該辦公建筑空調(diào)季和采暖季的逐時(shí)冷、熱負(fù)荷變化趨勢(shì)，如圖6所示。建筑全年冷負(fù)荷主要集中在6～8月份，其中最大冷負(fù)荷為1092.93 kW；建筑全年熱負(fù)荷主要集中在12～1月末，其中全年最大熱負(fù)荷為525.00 kW。建筑物全年冷、熱負(fù)荷統(tǒng)計(jì)情況見表3。

圖6 建筑物全年逐時(shí)空調(diào)負(fù)荷

表3 建筑負(fù)荷統(tǒng)計(jì)表

2.2 系統(tǒng)方案模擬

夏熱冬冷地區(qū)辦公建筑常用空調(diào)系統(tǒng)包括：風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)系統(tǒng)，定風(fēng)量全空氣系統(tǒng)，變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)，分體式空調(diào)及多聯(lián)機(jī)等。針對(duì)夏熱冬冷地區(qū)特點(diǎn)，本文模擬該辦公建筑以下兩種空調(diào)工作方式：方式一，風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)系統(tǒng)；方式二，變制冷劑流量多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)+新風(fēng)機(jī)組(帶熱回收)。

2.2.1 風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)系統(tǒng)

根據(jù)系統(tǒng)負(fù)荷計(jì)算的冷負(fù)荷及scheme計(jì)算的額定風(fēng)量選擇冷卻除濕設(shè)備，設(shè)備型號(hào)如表4所示。在空氣處理設(shè)備全局設(shè)定中對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)定，系統(tǒng)選取單風(fēng)機(jī)連接形式，采用蒸汽加濕器、電再熱器，設(shè)置無熱回收方式，進(jìn)行風(fēng)網(wǎng)模擬計(jì)算和空氣處理室模擬計(jì)算。

表4 選用盤管型號(hào)

結(jié)合夏熱冬冷地區(qū)的能源結(jié)構(gòu)類型、冷熱源方案的能耗和經(jīng)濟(jì)性情況，選用螺桿式冷水機(jī)組+燃?xì)忮仩t的冷熱源方案。利用冷熱源全局設(shè)定自動(dòng)選擇冷熱源臺(tái)數(shù)和設(shè)備容量。依據(jù)建筑負(fù)荷，冷卻水系統(tǒng)選擇一機(jī)對(duì)一塔和一機(jī)對(duì)一泵的控制策略，冷源水系統(tǒng)形式為一次泵形式，水泵控制策略為一機(jī)對(duì)一泵。設(shè)置完成后進(jìn)行水系統(tǒng)模擬計(jì)算。

2.2.2 VRV+新風(fēng)系統(tǒng)方式

根據(jù)建筑負(fù)荷選用11臺(tái)室外機(jī)分層放置于室內(nèi)機(jī)房或置于屋面，按房間需求選用105臺(tái)室內(nèi)機(jī)，室內(nèi)機(jī)可選吊頂嵌入式+風(fēng)管天井式室內(nèi)機(jī)，選用設(shè)備型號(hào)如表5所示。新風(fēng)系統(tǒng)水平分層布置，其中辦公室、會(huì)議室、教室、閱覽室、展覽室用直接蒸發(fā)式新風(fēng)機(jī)組和全熱交換器滿足室內(nèi)新風(fēng)。冷凝水設(shè)立管集中間接排至室外雨水井或衛(wèi)生間。

表5 主要設(shè)備型號(hào)

3 建筑能耗模擬結(jié)果分析

根據(jù)建筑物各設(shè)定參數(shù)，利用DeST模擬分別得出該建筑物兩種空調(diào)模式下的能耗。對(duì)于采用冷水機(jī)組作為冷源的空調(diào)系統(tǒng)的能耗主要包括制冷機(jī)、冷凍水泵、冷卻塔、冷卻水泵、補(bǔ)水泵和風(fēng)機(jī)等設(shè)備的運(yùn)行能耗。熱源采用燃?xì)忮仩t的采暖系統(tǒng)能耗主要由熱源消耗量、一次泵電耗、熱源泵電耗、新風(fēng)機(jī)組電耗等組成。模擬計(jì)算結(jié)果見表6。其中，水系統(tǒng)全年總電耗為345 055.8 kW·h，風(fēng)系統(tǒng)全年總電耗為77 595.43 kW·h，空調(diào)全年累計(jì)耗電量為422 651.20 kW·h，單位建筑面積耗電量為52.68 kW·h。多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)+新風(fēng)機(jī)組(帶熱回收)的空調(diào)方式模擬得到的各設(shè)備能耗情況見表7，空調(diào)全年累計(jì)耗電量為341 478.64 kW·h。

表6 方式一各設(shè)備能耗統(tǒng)計(jì)表

表7 方式二各設(shè)備能耗統(tǒng)計(jì)表

通過兩種空調(diào)方式的能耗結(jié)果對(duì)比可知(表8)，采用方式二能夠降低該辦公建筑的全年空調(diào)能耗，節(jié)能率達(dá)19.2%。對(duì)于此辦公建筑，方式一全年累計(jì)耗電量中，冷熱水機(jī)組所占能耗比重最大，達(dá)50.7%，水系統(tǒng)設(shè)備能耗達(dá)30.9%，末端設(shè)備能耗為18.4%，因此水系統(tǒng)的節(jié)能潛力很大。由建筑物全年逐時(shí)負(fù)荷(圖6)可知，全年空調(diào)系統(tǒng)在部分負(fù)荷工況下運(yùn)行時(shí)間較多，因此系統(tǒng)耗能與機(jī)組部分負(fù)荷下工作性能緊密相關(guān)，在部分負(fù)荷時(shí)，水泵的能耗高居不下，會(huì)形成能源的浪費(fèi)。而方式二的室外機(jī)輸出可根據(jù)室內(nèi)負(fù)荷的大小自動(dòng)調(diào)節(jié)，在部分負(fù)荷時(shí)cop值較高，同時(shí)采用了新風(fēng)熱回收裝置有效利用排風(fēng)熱量(冷量)降低室內(nèi)冷熱負(fù)荷，減少耗能。

表8 全年累計(jì)電耗對(duì)比

于經(jīng)濟(jì)性而言，VRV空調(diào)系統(tǒng)由于室內(nèi)外機(jī)的設(shè)備費(fèi)用昂貴，初投資高于冷水機(jī)組+鍋爐系統(tǒng)，但運(yùn)行過程中因VRV空調(diào)系統(tǒng)在部分負(fù)荷工況下優(yōu)勢(shì)顯著，運(yùn)行費(fèi)用較低，而鍋爐冬季消耗燃?xì)?，運(yùn)行費(fèi)用較高。此外，水機(jī)+鍋爐系統(tǒng)需設(shè)維護(hù)人員定期進(jìn)行管道清理，鍋爐房需要設(shè)置安全措施，而VRV空調(diào)的年維修費(fèi)用非常低，日?？照{(diào)維護(hù)只需定期檢查重要元器件和室內(nèi)機(jī)的過濾網(wǎng)清洗工作。從運(yùn)行壽命上考慮，VRV空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行壽命一般可達(dá)15年以上，水系統(tǒng)主機(jī)壽命可達(dá)15～20年，但水系統(tǒng)末端設(shè)備壽命為5～8年，設(shè)備更換費(fèi)用增加。因此，此辦公建筑使用年限越長(zhǎng)，采用方式二作為空調(diào)系統(tǒng)受益越大。

4 建筑能耗監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

為貫徹落實(shí)國(guó)家、省、市節(jié)能減排工作部署和要求，切實(shí)推進(jìn)黃山市建筑能耗監(jiān)測(cè)工作，提高能耗監(jiān)管水平，黃山市于2017年底建成了國(guó)家機(jī)關(guān)辦公建筑和大型公共建筑能耗監(jiān)測(cè)平臺(tái)，旨于2020年底前，實(shí)現(xiàn)國(guó)家機(jī)關(guān)辦公建筑和大型公共建筑能耗監(jiān)測(cè)全覆蓋。此平臺(tái)涵蓋黃山市三區(qū)四縣及主要的機(jī)關(guān)、醫(yī)院、賓館、高校等，對(duì)全市主要公共機(jī)構(gòu)、大型公建、辦公建筑能耗實(shí)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、統(tǒng)計(jì)、分析，為能源審計(jì)和能耗統(tǒng)計(jì)提供翔實(shí)準(zhǔn)確的能耗數(shù)據(jù)，為公共建筑節(jié)能管理和節(jié)能改造工作提供技術(shù)支撐。

本文從黃山市公共建筑能耗監(jiān)管平臺(tái)中選取該辦公建筑的2016年及2017年全年能耗統(tǒng)計(jì)信息，見表9。根據(jù)平臺(tái)所提供的月能耗數(shù)據(jù)，如圖7所示，對(duì)比得到該辦公建筑2016年度及2017年度的全年用能趨勢(shì)大致相同，春秋季用能較少，而冬夏季為用能高峰，符合夏熱冬冷地區(qū)各季度負(fù)荷特征，且兩年度全年最高用能月份同為7月，分別為99 659 kW·h和94 891 kW·h，最低用能月份同為4 月，分別為 30 496 kW·h 與 29 997 kW·h，2017年度相較于2016年度能耗有所降低，各月用電量差距與該月氣象參數(shù)、人員活動(dòng)、節(jié)假日情況等因素相關(guān)。

表9 各年度建筑總能耗統(tǒng)計(jì)報(bào)表

圖7 兩年度月能耗用能對(duì)比

由于能耗分項(xiàng)計(jì)量工作量巨大，此平臺(tái)對(duì)于空調(diào)能耗的統(tǒng)計(jì)正在完善中。根據(jù)夏熱冬冷地區(qū)的空調(diào)季及采暖期，由圖6及圖7可知，建筑物全年逐時(shí)負(fù)荷于4月、5月、10月為低谷，空調(diào)系統(tǒng)基本處于關(guān)閉狀態(tài)，運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)算法，可將其統(tǒng)計(jì)平均值記為非空調(diào)季月基礎(chǔ)耗電量，并將總年耗電量與年基礎(chǔ)耗電量的差值近似作為全年空調(diào)系統(tǒng)能耗，計(jì)算結(jié)果見表10。

根據(jù)粗略計(jì)算(表10)，2016年度與2017年度空調(diào)年耗電量占建筑物總年耗電量分別為51.1%和49.5%，將此計(jì)算結(jié)果與上文模擬結(jié)果對(duì)比分析(圖8)可知，單位面積空調(diào)耗電量位于40 kW·h/m2～55 kW·h/m2范圍內(nèi)，二者單位面積空調(diào)耗能數(shù)據(jù)偏差在15%以內(nèi)，且采用模擬方式2的空調(diào)能耗最低，對(duì)于此建筑，適合采用方式2以滿足空調(diào)需求量并進(jìn)一步降低空調(diào)能耗。因此對(duì)于夏熱冬冷地區(qū)辦公建筑，采用多聯(lián)機(jī)+新風(fēng)熱回收系統(tǒng)方式具有一定的節(jié)能潛力。在實(shí)際工程運(yùn)用中，可從逐月能耗數(shù)據(jù)方面將模擬能耗與實(shí)測(cè)能耗進(jìn)行對(duì)比，以及將制冷、制熱、設(shè)備照明等進(jìn)行分項(xiàng)用能對(duì)比，詳細(xì)分析引起差異的主要原因：氣象參數(shù)、人為因素、軟件計(jì)算方式、系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)等，盡可能地采取有效節(jié)能措施。

表10 空調(diào)耗電量統(tǒng)計(jì)

圖8 單位面積空調(diào)耗能對(duì)比

5 結(jié)論

結(jié)合夏熱冬冷地區(qū)氣候特征，以黃山市某辦公建筑為研究對(duì)象，在相同冷熱負(fù)荷條件下，對(duì)兩種空調(diào)方式進(jìn)行模擬分析，并將模擬結(jié)果與建筑能耗監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得出的主要結(jié)論如下：

(1)運(yùn)用DeST-c模擬冷水機(jī)組+燃?xì)忮仩t及多聯(lián)機(jī)+新風(fēng)熱回收兩種空調(diào)方式下的耗電量，得出前者冷熱源能耗占比及節(jié)能潛力很大，采用后者能夠降低該辦公建筑的全年空調(diào)能耗，節(jié)能率達(dá)19.2%，運(yùn)行費(fèi)用降低。

(2)通過模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，二者空調(diào)耗能數(shù)據(jù)偏差范圍在15%以內(nèi)，且采用多聯(lián)機(jī)+新風(fēng)熱回收系統(tǒng)的空調(diào)模擬能耗最低，為42.5 kW·h/m2，因此夏熱冬冷地區(qū)該類辦公建筑可考慮采用此系統(tǒng)進(jìn)一步降低能耗。

(3)通過軟件模擬結(jié)合能源監(jiān)測(cè)的方式能佐證空調(diào)方案選擇的合理性，得出系統(tǒng)受外界因素影響程度的大小，進(jìn)而采取節(jié)能措施，有助于建筑的低能耗運(yùn)行，對(duì)夏熱冬冷地區(qū)辦公建筑節(jié)能潛力分析有一定的參考意義。