上海市某商用建筑能耗分析与节能评估

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2019-05-14
简介
本文阐述某商用建筑能耗分析与节能评估,其中采用能耗模拟软件对上海市某商用建筑建立了计算模型,对模型进行校正之后计算出该建筑的能耗情况,在此基础上提出了一系列节能措施,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可用性。

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1 引言目前许多大型商业建筑的能源费用都很高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我们对上海市某大型综合写字楼进行了建筑能耗的计算机模拟并在此基础上对大厦做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做一些研究[1]。2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67000m2地上40层地下1层其中可出租面积约为55000m2、空调面积约为58500m2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中间有换热器连接冷源为离心式电制冷机900冷吨2台400冷吨1台热源为燃油蒸汽锅炉4.5MW3台。3 建筑能耗模拟计算模型的建立采用全年8760小时的逐时能耗模拟软件eQUEST(QuickEnergySimulationTool)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-2.2并在其基础上做了许多优化。建模过程主要包括建筑几何模型、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]。3.1 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。模型如图1所示75图1建筑模型外观3.2 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因此我们从模拟软件的材料库中尽量选取与实际情况相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/m2·K表面粗糙度吸收率外墙3.0540.25内墙2.2830.7楼板2.2730.7地面0.4730.7吊顶2.0530.7屋面2.9110.66.17SC0.95SHGC0.81玻璃6.12SC0.53SHGC0.463.3 内部负荷与运行时间表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表等信息我们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。表2 模型各区域内部负荷值及运行时间表汇总功能区域人员密度m2/人照明负荷W/m2设备负荷W/m2运行时段办公1815159:00~17:30学校320259:00~20:30银行415258:30~21:00饭店6401011:30~22:00桑拿202512:00~2:00商场5251010:00~22:00一楼大堂540车库5005走廊35103.4 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76图2大厦一层空调分区示意图 图3标准层空调分区示意图3.5 空调系统运行参数设定模型的主要部分就是空调系统我们根据在大厦内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进行了设置表3 模型空调系统主要参数设置空调系统参数模型设定值空调系统形式FCU+CAV供热设定温度222℃制冷设定温度242℃冷水机组能效比COP4.5冷冻水供、回水温度6℃/10.5℃锅炉效率60%新风量30m3/人·小时至此该建筑的计算模型已建成下一步将进行模拟计算和模型校正。4 建筑能耗模拟计算与模型校正4.1 模型计算与校正在完成了建模过程之后我们使用上海市的BIN格式的典型气象年TMY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。将初次计算的模拟结果与实际数据进行对比之后我们对模型做了三次校正以使模型符合实际建筑的运行规律·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·调整模型的空调运行时间供冷季节由510月份调整为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个小时供热季节调整为1月1日4月4日和11月30日12月31日·用实测的照明负荷替换模型中的假设值一楼大堂改为26.4W/m2、车库改为3.1W/m2、走廊改为6W/m2。模拟结果与实际能耗数据的比较如图4所示772004年实际用电量±10误差区间500000600000700000800000900000100000011000001200000123456789101112月份用电量/kWh2004年实际用电量初次模拟结果第一次校正结果第二次校正结果第三次校正结果图4模拟结果与2004年实际用电量的比较4.2 模型的评价[3]经过校正calibration之后的建筑能耗分析模型的准确性究竟怎么样国内目前还没有相关的标准来进行评价国际上已经有了几个通行的协议或标准。1ASHRAEGuideline142002MeasurementofEnergyandDemandSavings[4]这是美国采暖、制冷与空调工程师学会ASHRAE,AmericanSocietyofHeatingRefrigerationandAirConditioningEngineers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[5]IPMVPInternationalPerformanceMeasurementandVerificationProtocol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EnergyConservationMeasures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[6]FEMP,FederalEnergyManagementProgram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&VGuidelinesVersion2.2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)、年误差(ERRyear)和均方差变异系数(CV(RSMEmonth))来验证模型的准确性这三个指标的计算公式见附录表4 可接受的误差指标范围与模拟结果误差误差指标ASHRAE14PIPMVPFEMP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ERRmonth±5%±20%±15%22.2432.45%15.2%10.01%ERRyear―±10%6.7611.27%6.71%2.37%CV(RSMEmonth)±15%±5%±10%8.6515.08%8.12%5.70%从上表可以看出通过三次模型校正模拟计算的结果已基本符合三个标准的要求仅ASHRAE14P的ERRmonth项和IPMVP的CV(RSMEmonth)项没有满足。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·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·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运行78·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·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。5 能耗分析对该大厦的能耗评价是借助基本模型的模拟结果进行的包括能耗指标和能耗组成的分析。5.1 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 9,210,007kWh年总耗油量 9,719,002MJ242.2t年单位面积耗电量 157.4kWh/m2年单位面积耗油量 166.1MJ/m24.14kg/m2年总电费 7,395,636元年总油费 1,005,130元年总能耗费用 8,400,766元年单位面积电费 126.4元/m2年单位面积油费 17.2元/m2年单位面积总能耗费用 143.6元/m25.2 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制冷机12.2%冷却塔0.4%风机4.4%水泵5.0%设备45.5%照明32.5%图5各系统耗电百分比其中设备部分的耗电量最大占到了总耗电量的45.5%此部分除了办公设备以外还包括该大楼12台电梯共308kW的年运行能耗和每层一台12kW的电热水炉的年运行能耗。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32.5%。图6为基本模型全年各月用电组成情况可以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。79020000040000060000080000010000001200000123456789101112用电量/kW照明设备制冷机冷却塔风机水泵图6全年各月用电组成6 节能评估本课题的最终目的是借助基本模型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、对模型进行了能耗分析之后确定节能目标、提出节能措施、评价节能效果。6.1 节能标准的模拟与比较我们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》ASHRAE90.12001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。更改的参数主要在以下几个方面表5围护结构材料参数的更改项目基本模型上海基准模型ASHRAE基准模型1、单层透明玻璃玻璃U值W/m2·K遮阳系数SC日射得热系数SHGCU6.17SC0.95SHGC0.81U=3.7窗墙比<0.4U=3.0窗墙比>0.4SC=0.6U=1.8SC=0.39北向SC=0.29其他2、蓝色镜面玻璃玻璃U值W/m2·K遮阳系数SC日射得热系数SHGCU6.12SC0.53SHGC0.46U=3.7窗墙比<0.4U=3.0窗墙比>0.4SC=0.6U=1.8SC=0.39北向SC=0.29其他外墙总U值W/m2·K3.051.000.70屋顶总U值W/m2·K2.910.800.192楼板总U值W/m2·K2.272.0表6室内照明负荷的更改单位W/m2功能区域基本模型上海基准模型ASHRAE基准模型办公151514商场252016饭店40301680表7空调系统参数的更改空调系统参数基本模型上海基准模型ASHRAE基准模型空调系统形式FCU+CAVFCU+CAVVAV空气侧经济器无无有冷水机组能效比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冻水一级泵定流量定流量变流量冷冻水二级泵定流量定流量变流量锅炉效率60%80%80%热水一级泵定流量定流量定流量热水二级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%将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表8基本模型与基准模型全年能耗比较全年峰值用电kW全年用电(kWh/m2)全年用油(MJ/m2)总能耗(MJ/m2)基本模型5476157.4166.1732.9上海基准模型4781148.950.4586.3ASHRAE基准模型4504141.815.3525.9综合优化模型5036144.4181.2701.0表9基本模型与基准模型全年能源费用比较全年电费成本(元/m2)全年油费成本(元/m2)总能耗成本(元/m2)节省成本(元/m2)基本模型126.417.2143.6上海基准模型119.55.2124.718.9ASHRAE基准模型113.91.6115.528.1综合优化模型116.018.8134.88.881010000002000000300000040000005000000照明设备制冷机冷却塔水泵风机全年用电量/kW基本模型上海基准模型ASHRAE基准模型图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1.24倍可见该建筑还是有比较大的节能潜力可以挖掘的尤其是在照明和空调系统方面这也是我们寻找节能优化措施的主要方向。6.2 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我们提出了6项节能措施[7]分别为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提高风机盘管电机效率将风机马达由交流电动机改为直流无刷电机电机效率提高204更换一台冷却塔将基本模型中启动次数最多、使用时间最长的一台冷却塔改为高效、双速风扇的冷却塔5更换两台冷却塔在前一项节能措施的基础上再更换一台高效、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15W/m2降至10W/m2照度仍保持在400450lx。在基本模型的基础上分别对以上节能措施进行了模拟计算并做了节能效果的比较和经济性分析表10各项节能措施节能效果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基本模型5476157.4166.1143.6制冷机及一次水系统的优化运行5479157.4165.9143.50.1高区水泵变频控制5423155.9167.6142.51.1提高风机盘管电机效率5357156.1166.5142.61.0更换一台冷却塔5444156.8166.1143.10.5更换两台冷却塔5431156.5166.1142.80.7降低办公区照明负荷5178147.3179.3136.86.882表11各项节能措施经济性比较节能措施年能耗成本节省元/m2初投资元简单回收期年制冷机及一次水系统的优化运行0.125,0004.3高区水泵变频控制1.1120,0001.9提高风机盘管电机效率1.0225,0003.8更换一台冷却塔0.5130,0004.3更换两台冷却塔0.7260,0006.4降低办公区照明负荷6.81,248,0003.1注简单回收期初投资/年能耗成本节省/空调面积6.3 综合优化模型经过上述各项分析我们将全部6项节能措施应用于该大厦而形成最终的节能优化模型。通过模拟计算我们得出了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、表9。综合优化模型在采用了一系列节能措施后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会使空调热负荷略有增加但全年的总能耗还是节省了6.1%。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8.1比ASHRAE基准模型高出16.7。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针对该大厦的实际情况这些方面的改进措施是比较困难的经济性和可操作性差因此我们不做建议。同时综合优化模型总的初投资为1,878,000元每年可节省能源费用514,800元即每平方米8.8元如果不考虑利率的影响3.6年即可回收初投资。7 结论1本文使用eQUEST能耗模拟软件建立了某商用建筑的能耗计算模型然后对模型做了三次校正使模拟结果与实际能耗数据的误差在允许范围内月误差(ERRmonth)最大为-10.01年误差(ERRyear)为-2.37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。通过计算机模拟的方法我们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楼宇的能源管理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。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》ASHRAE90.12001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1.24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。3在能耗分析的基础上本文针对大厦的照明和空调系统提出了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又综合了以上6项节能措施建立了综合优化模型经过模拟计算该方案每年可节省能耗6.1、投资回收期为3.6年。能耗模拟软件在节能方案的论证与分析以及节能效果的评估等方面有一定的应用价值尤其是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。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83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因此我们在利用计算机模拟技术时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VolkerHartkopf.建筑全能耗分析软件EnergyPlus及其应用.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.暖通空调.2003,33(3)[3]MichaelJ.Chimack.Determiningbaselineenergyconsumptionandpeakcoolingloadsofa107-year-oldsciencemuseumusingDOE2.1E.SeventhInternationalIBPSAConference,2001[4]ASHRAEGuideline142002MeasurementofEnergyandDemandSavingsASHRAEStandardsCommitteeJune222002[5]InternationalPerformanceMeasurementandVerificationProtocolIPMVPVolume1March2002[6]FederalEnergyManagementProgramFEMPM&VGuidelines:MeasurementandVerificationforFederalEnergyProjects,Version2.2September2000[7]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.暖通空调.2004,34(4)附录误差指标计算公式[3]%100)((%)monthmonthmonthMSMERR (1)式中M——实际测量能耗值kWhS——模拟能耗值kWhyearmonthmonthyearNERRERR(%) (2)式中N——一年中能源帐单数月数%100)(%)(monthmonthmonthARSMERSMECV2/12)(monthmonthmonthmonthNSMRSME (3)monthmonthmonthNMA)(…
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