既有建筑空调系统节能改造的能耗分析方法

摘 要

摘要：介绍了既有建筑空调系统节能改造的流程。针对空调系统能耗调研一般只在短期内进行，长期测试难以实现的情况，提出了在进行能耗分析时，合理利用短期内的测试数据与当地室外气

摘要：介绍了既有建筑空调系统节能改造的流程。针对空调系统能耗调研一般只在短期内进行，长期测试难以实现的情况，提出了在进行能耗分析时，合理利用短期内的测试数据与当地室外气象参数，通过拟合计算出空调系统的供冷、供暖负荷，为节能改造提供评价依据。结合工程实例，对该方法的实际应用进行了探讨。

关键词：  既有建筑；  空调系统；  节能改造；  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

近年来，随着我国城市化程度的不断提高，建筑能耗不断增长。根据部分城市建筑能源审计调查研究[1-7]，空调系统耗电量一般占建筑全年总耗电量的40％～60％。

M．F．Fels对用于独户建筑能耗分析的PRISM方法进行了介绍[8]。C．A．Balaras等人研究了EPIQR[9]、TOBUS[10]方法与软件，这两种方法分别用于住宅建筑与办公建筑的节能诊断与改造。T．Markis等人研究用于小型企业建筑的节能分析方法[11]。L．D．Santoli建立了一个评价建筑用能状况的专家系统，该系统将评价建筑用能状况的专业知识以简洁易懂的方式呈现给使用人员[12]。S．Leigh等人提出建筑用能管理过程包括：用能数据的收集、用能情况分析、辨识并评价节能潜力、改造实施与维护等步骤[13]。薛志峰研究了用于建筑节能的OTI方法[14]，即观察、交流、测试、计算、判断、解决。

现阶段的空调系统节能改造工作存在以下特点：前期调研测试工作一般只在短期内进行，若对空调系统进行长期测试，则需要消耗大量的资源和费用。能耗分析所需的各种资料较难收集完整。建筑各项改造措施节能量计算的准确程度不高，缺乏一种准确的计算方法。对于上述特点，利用短期内的调研测试数据反映出建筑空调系统的运行能耗状况，从整体上分析各项节能改造措施实施后所能达到的节能效果，提高目前节能量计算的准确性，是建筑空调系统节能改造工作的关键环节。

本文对既有建筑空调系统节能改造中的能耗分析方法进行探讨。

2 节能改造流程

既有建筑空调系统的节能改造流程包括：空调系统调研与测试，能耗分析，节能改造措施的提出，节能潜力分析计算，节能改造措施决策实施。

在空调系统调研与测试期间，需要掌握空调系统的设计概况与各用能设备的基本参数、运行控制策略及全年的运行时间等情况。通过对空调系统的水量、水温以及室外气象参数等数据的连续监测，得到不同室外气象参数下的多组数据，为空调系统的能耗分析打下基础。通过对空调系统中各设备参数的测试，发现系统运行中存在的问题，分析节能空间。

通过对前期调研测试得到的数据进行能耗分析，得出空调系统的总能耗及各分项能耗，以及冷热源效率、冷热水系统输送能效比、水泵效率等指标。利用获得的各项指标对空调系统运行情况进行评价分析，通过判断发现系统存在的问题。

针对建筑空调系统中存在的问题，提出相应的节能改造措施，分别计算各项节能改造措施实施后空调系统的能耗，与改造前空调系统能耗进行对比，得到节能改造措施的节能量。对不同节能改造措施的节能量进行对比分析，考察各项节能改造措施的重要性。最终进行节能改造措施的决策与实施。

3 能耗分析方法

①空调系统冷负荷计算

对于某一确定建筑物，空调系统冷负荷中。的计算式为[5]：

 

式中  Фc——空调系统冷负荷，kw

      Фc,1——围护结构得热量形成的冷负荷，kW

      Фc,2——室内热湿源散热散湿形成的冷负荷，kW

      K0——围护结构传热系数幅值，w／(m2·K)

      S——围护结构传热面积，m2

      ω——太阳高度角变化速率，rad／h

      t——时刻，h

     φ——太阳高度角初相位，rad

     θ0——室外温度，℃

     α——围护结构衰减因子

由式(1)得到空调系统冷负荷Фc的拟合汁算式为：

 

式中A、B、C、D——通过拟合确定的待定系数

认为空调系统的供冷量与空调系统冷负荷相等，忽略热损失。利用所测得空调系统冷水流量与供回水温差可求得空调系统供冷量，结合逐时室外气象参数对式(2)进行拟合，确定待定系数，进而利用式(2)计算整个供冷期空调系统的冷负荷。

②空调系统热负荷

对于空调系统热负荷，可采用温频法(BIN法)计算，设定围护结构热负荷与室外温度成线性关系[16]。空调系统热负荷Фh的拟合计算式为：

 

式中  Фh——空调系统热负荷，kW

       E、F、G——通过拟合确定的待定系数

       d——室外空气含湿量，g／kg

对于某一确定的建筑物，采用实测的热负荷数据来拟合式(3)，可以保证计算结果的准确性。[16]。

③空调系统能耗计算

利用设备的运行控制策略判断出空调系统在全年不同负荷下的运行方式，包括不同负荷下设备的开启数量、串并联方式等。

对于夏季工况，利用制冷机组性能曲线可得到其在不同负荷率下的制冷性能系数，进而求得制冷机组在不同负荷下的运行功率。对于水泵、风机以及空气处理机组，一般情况下，这些设备的运行功率保持不变，运行数量与介质流量有关。若设备采用变频运行，则可根据不同负荷下的水量、风量，确定设备的运行频率，进而确定运行功率。

结合设备在不同负荷下的运行方式，可计算得到供冷期空调系统能耗。

冬季工况设备能耗的计算方法与夏季工况基本相同，结合空调系统热负荷与设备运行功率之间的关系，以及当地逐时室外气象参数，计算得到供暖期空调系统能耗。

4 工程应用

4．1 工程概况

某建筑位于天津市，属于大型办公建筑，建筑面积为57 396 m2，其中空调面积为51 127 m2。夏季室内空气设计温度为26℃，冬季室内空气设计温度为20℃：

4．2 夏季工况

①设备配置及运行策略

供冷期为5月1日至9月30日。空调系统包括：3台离心式冷水机组，性能参数见表1；4台冷水循环泵，扬程为32．1 m，流量为400 m3／h，功率为39．7 kW。周一至周五冷水机组在6：00开启，在20：00停止。冷水循环泵在大部分时间单台运行，并且在整个夏季保持至少l台一直开启。

 

 

②能耗计算

供冷期空调系统的测试工作在2010年7月11日至l7日进行。主要测试参数为室外空气温湿度、冷水机组的冷水进出口温度、流量以及冷水机组、冷水循环泵的运行功率、冷水压力等。

冷水系统基本处于定流量运行。冷水机组并联运行工况为1号机组与2、3号任意一台机组并联运行，当2号或3号冷水机组负荷率达到95％及以上时开启1号冷水机组并联运行。对测试数据进行整理，得到不同工况下冷水机组的制冷性能系数(见表2)。冷水循环泵效率的变化范围为73．16％～75．83％，平均值为73．78％。冷水系统输送能效比变化范围为0．021 5～0．029 9，平均值为0．026 3。

 

由表2可知，单台机组运行时，机组的制冷性能系数较高，均大于4．0。当两台机组并联运行时，l号机组的制冷性能系数较低。分析冷水机组性能曲线发现，当大小两台冷水机组负荷分配比例接近3：2时，两台机组的总运行功率较小，处于节能状态。在制冷工况下，冷水系统输送能效比的平均值为0．026 3，比GB 50189--2005《公共建筑节能设计标准》规定的限值0．024 1偏大一些，冷水系统处于不节能的运行状态。

根据人员上下班时间，将时间段划分为：6：009：00，9：00—16：00，16：00—20：00。利用7月14日至16日的测试数据求得各个时段空调系统冷负荷的拟合式。

 

采用式(4)～(6)得到的计算值与实测值的相对误差范围分别为-5．71％～4．23％、-9．52％～9．43％、-5．81％～5．97％。由此可知，相对误差范围在±10％以内，属于可接受的范围。

根据式(4)～(6)，结合当地气象站提供的逐时室外温度，可得到供冷期空调系统的逐时冷负荷。根据供冷期空调系统逐时冷负荷、冷水机组的负荷分配比例，以及不同负荷下机组的运行功率，对供冷期冷水机组的能耗进行计算，计算结果为2 271．6CJ。

冷水系统处于定流量运行状态，结合冷水循环泵的运行情况及实测数据，计算得供冷期冷水循环泵能耗为471．6 GJ。经计算，供冷期空调系统能耗为2 743．2 GJ。

③节能潜力分析

7月12 日至16日室内温度变化见图1。由图1可知，空调系统停止运行后，室内温度在0：00之前升温较快，0：00之后升温缓慢，最高达到26．5℃，温度上升并不明显。因此，冷水机组在人员下班后即可停止运行，即停机时间调整为18：00，而冷水循环泵则运行至20：00停机，以利用冷水剩余冷量，可降低运行费用。

 

原来运行策略为在夜间及周末无人期间冷水机组停止运行的情况下仍开启一台冷水循环泵，这是为了防止冷水管道集气，影响下次开机运行。根据理论分析，只要冷水系统中排气阀设置位置合理，就可解决冷水管道的集气问题。因此，在夜间及周末无人期间可将冷水循环泵关闭。由于冷水系统输送能效比偏高，在冷水循环泵上加装变频器以降低运行能耗。根据建立的能耗计算模型，计算调整冷水机组、冷水循环泵运行时间后的供冷期空调系统能耗。调整运行时间后的冷水机组能耗为1 995．1GJ，节能率为12．2％。冷水循环泵的能耗为340．9GJ，节能率为27．8％。

4．3 冬季工况

①设备配置及运行策略

供暖期为ll月1日至次年3月31日，空调系统热源采用热电厂蒸汽，热水循环泵与冷水循环泵共用。冬季空调系统全天24 h开启，节假日也不停止工作。根据不同时间段室内温度的需求，结合室外温度，自动控制系统通过控制进汽管上的电动调节阀自动调节供汽量，使换热器二级侧出口水温达到设定温度。

②能耗计算

供暖期空调系统测试工作在2011年1月11日至17日进行。根据测试结果计算的热水系统输送能效比的变化范围为0．016 0～0．021 9，平均值为0．0l8 6，与GB 50189--2005规定的限值0．005 77差距较大。热水循环泵实际运行效率变化范围为54．78％～63．54％，多数情况下都低于60％。实际供回水温差大部分时间低于设计值(10 ℃)。由此可知，冷热水循环泵共用，存在冬夏季工况不匹配的情况。

根据人员上下班时间，将供暖工况分为上班时间段(8：00-18：00)、夜间时间段(18：00-次日8：00)。不同时间段内，建筑热负荷状况不同，利用测试数据对式(3)进行拟合。

 

采用式(7)、(8)得到的计算值与实测值的相对误差范围分别为-7．64％～8．61％、-5．06％～5．29％。由此可知，相对误差在±10％以内，属于可接受的范围。

根据式(7)、(8)，结合逐时室外气象参数，可求得供暖期空调系统逐时热负荷。考虑换热器的换热效率，得到供暖期空调系统蒸汽能耗为35 208 GJ。根据实测数值，计算得热水循环泵的能耗为573．84GJ。

③节能潜力分析

GB 50189--2005规定冬季采用空调系统供暖的一般房间室内设计温度不超过20℃。测试数据显示，冬季室内各区域温度比设计温度普遍高3～6℃，白天室内平均温度达到24．02℃。分析原因，由于换热器进汽管上的电动调节阀易出现故障，运行管理人员采取了手动调节方式，使得换热器二级侧实际出水温度较高，造成了室内温度过高。对此，应更换电动调节阀，改善电动调节阀的工作环境，加强维护，恢复白控系统的控制运行。

恢复板式换热器供气量的准确调节后，将白天室内温度控制在设计温度(20 ℃)。对于恢复调节后的工况能耗计算，只需在式(7)、(8)的基础上，将室外温度增加4．02℃，其余参数保持不变，可计算得到蒸汽量调整后供暖期空调系统的蒸汽能耗为31 356 GJ，节能率为10．9％。在满足运行要求的前提下，将热水循环泵按照GB 50189--2005规定的热水系统输送能效比限值重新选型后，能耗为221．76GJ，节能率为61．3％。

5 分析与讨论

在应用能耗分析方法时，可以将空调系统作为一个整体进行分析，也可以将其各个子系统单独进行分析。在对建筑空调系统进行调研测试的过程中，调研数据与资料往往并不完整，但文中采用的能耗分析方法，基本不受调研数据不完整性的影响。

能耗计算方法有效地将短期内的测试数据扩展应用到全年，利用修正后的能耗计算模型更方便准确地计算出建筑空调系统的全年能耗以及实施各项节能改造措施后的节能量。若采用能耗计算软件进行能耗计算，所需的基本参数及计算条件苛刻，往往导致计算结果与实际能耗差别较大。这种能耗分析方法采用逐时室外气象参数计算空调系统负荷，比传统估算能耗方法的计算结果准确。

通过对本建筑空调系统节能诊断的分析，可以发现无论对于系统供冷工况还是供暖工况，其最大节能空间集中在空调系统的运行控制策略优化上。因此节能改造工作应将空调系统运行控制策略的调整放在首位。

 

参考文献：

[1] 薛志峰，江亿．北京市大型公共建筑用能现状与节能潜力分析[J]．暖通空调，2004，34(9)：8-10．

[2] MA Zhenjun，WANG Shengwei．Building energy research in Hong Kong：a review[J]．Renewable and Sustainable Energy Reviews，2009，13(8)：1870-1883．

[3] 何华，周智勇，龙天渝，等．重庆市江北区公共建筑能耗调研[J]．煤气与热力，2009，29(10)：A22-A26．

[4] 任绳凤，吕建，郭式伟．高校公共建筑耗电量统计及节能分析[J]．煤气与热力，2009，29(1)：Al6-Al8．

[5] 文精卫，杨昌智．公共建筑能效基准及能效评价[J]．煤气与热力，2008，28(11)：Al2-Al5．

[6] 张华锋，张志刚，张丽璐，等．大型公共建筑能耗的现状分析及对策[J]．煤气与热力，2008，28(10)：A27-A29．

[7] 缪晨光，杨勇，尹峰，等．长沙市政府办公建筑能耗调研及节能途径[J]．煤气与热力，2009，29(9)：A22-A24．

[8] FEIS M F．Prism：an introduction[J]．Energy and Buildings，1986(9)：5-18．

[9] BALARAS C A，DROUTSA K，ARGIRIOU A A，et al．Potential for energy conservation in apartment buildings[J]．Energy and Buildings，2000(2)：143-154．

[10] BALARAS C A，DROUTSA K，ARGIRIOU A A，et al．Assessment of energy and natural resources conservation in office buildings using TOBUS[J]．Energy and Buildings，2002(2)：135-153．

[11] MARKIS T，PARAVANTIS J A．Energy conservation in small enterprises[J]．Energy and Buildings，2007(4)：404-415．

[12] SANTOLI L D．FELICI G．Use of an expert system rating for the energy Performance of a building[J]．Building Service Engineering Research and Technology，2005，26(4)：349-360．

[13] LEIGH S．WON J．BAE J．An energy management process and prediction of energy use in all office building[J]．Journal of Asian Architecture and Building Engineering，2005(2)：501-508．

[14] 薛志峰．既有建筑节能诊断与改造[M]．北京：中国建筑工业出版社，2007：44-45．

[15] 梅海峰，曹家枞，林星春，等．建筑物空调逐时负荷计算方法探讨[J]．制冷与空调，2006，6(6)：23-26．

[16] 龙惟定．用BIN参数作建筑物能耗分析[J]．暖通空调，l992，22(2)：6-11．

 

本文作者：孙斌辉  田喆  朱能

作者单位：天津大学环境科学与工程学院