摘 要

摘要：介紹了既有建筑空調系統節能改造的流程。針對空調系統能耗調研一般只在短期內進行，長期測試難以實現的情況，提出了在進行能耗分析時，合理利用短期內的測試數據與當地室外氣

摘要：介紹了既有建筑空調系統節能改造的流程。針對空調系統能耗調研一般只在短期內進行，長期測試難以實現的情況，提出了在進行能耗分析時，合理利用短期內的測試數據與當地室外氣象參數，通過擬合計算出空調系統的供冷、供暖負荷，為節能改造提供評價依據。結合工程實例，對該方法的實際應用進行了探討。

關鍵詞：  既有建筑；  空調系統；  節能改造；  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

近年來，隨著我國城市化程度的不斷提高，建筑能耗不斷增長。根據部分城市建筑能源審計調查研究^[1-7]，空調系統耗電量一般占建筑全年總耗電量的40％～60％。

M．F．Fels對用于獨戶建筑能耗分析的PRISM方法進行了介紹^[8]。C．A．Balaras等人研究了EPIQR^[9]、TOBUS^[10]方法與軟件，這兩種方法分別用于住宅建筑與辦公建筑的節能診斷與改造。T．Markis等人研究用于小型企業建筑的節能分析方法^[11]。L．D．Santoli建立了一個評價建筑用能狀況的專家系統，該系統將評價建筑用能狀況的專業知識以簡潔易懂的方式呈現給使用人員^[12]。S．Leigh等人提出建筑用能管理過程包括：用能數據的收集、用能情況分析、辨識并評價節能潛力、改造實施與維護等步驟^[13]。薛志峰研究了用于建筑節能的OTI方法^[14]，即觀察、交流、測試、計算、判斷、解決。

現階段的空調系統節能改造工作存在以下特點：前期調研測試工作一般只在短期內進行，若對空調系統進行長期測試，則需要消耗大量的資源和費用。能耗分析所需的各種資料較難收集完整。建筑各項改造措施節能量計算的準確程度不高，缺乏一種準確的計算方法。對于上述特點，利用短期內的調研測試數據反映出建筑空調系統的運行能耗狀況，從整體上分析各項節能改造措施實施后所能達到的節能效果，提高目前節能量計算的準確性，是建筑空調系統節能改造工作的關鍵環節。

本文對既有建筑空調系統節能改造中的能耗分析方法進行探討。

2 節能改造流程

既有建筑空調系統的節能改造流程包括：空調系統調研與測試，能耗分析，節能改造措施的提出，節能潛力分析計算，節能改造措施決策實施。

在空調系統調研與測試期間，需要掌握空調系統的設計概況與各用能設備的基本參數、運行控制策略及全年的運行時間等情況。通過對空調系統的水量、水溫以及室外氣象參數等數據的連續監測，得到不同室外氣象參數下的多組數據，為空調系統的能耗分析打下基礎。通過對空調系統中各設備參數的測試，發現系統運行中存在的問題，分析節能空間。

通過對前期調研測試得到的數據進行能耗分析，得出空調系統的總能耗及各分項能耗，以及冷熱源效率、冷熱水系統輸送能效比、水泵效率等指標。利用獲得的各項指標對空調系統運行情況進行評價分析，通過判斷發現系統存在的問題。

針對建筑空調系統中存在的問題，提出相應的節能改造措施，分別計算各項節能改造措施實施后空調系統的能耗，與改造前空調系統能耗進行對比，得到節能改造措施的節能量。對不同節能改造措施的節能量進行對比分析，考察各項節能改造措施的重要性。最終進行節能改造措施的決策與實施。

3 能耗分析方法

①空調系統冷負荷計算

對于某一確定建筑物，空調系統冷負荷中。的計算式為^[5]：

 

式中  Ф_c——空調系統冷負荷，kw

      Ф_c,1——圍護結構得熱量形成的冷負荷，kW

      Ф_c,2——室內熱濕源散熱散濕形成的冷負荷，kW

      K₀——圍護結構傳熱系數幅值，w／(m²·K)

      S——圍護結構傳熱面積，m²

      ω——太陽高度角變化速率，rad／h

      t——時刻，h

     φ——太陽高度角初相位，rad

     θ₀——室外溫度，℃

     α——圍護結構衰減因子

由式(1)得到空調系統冷負荷Ф_c的擬合汁算式為：

 

式中A、B、C、D——通過擬合確定的待定系數

認為空調系統的供冷量與空調系統冷負荷相等，忽略熱損失。利用所測得空調系統冷水流量與供回水溫差可求得空調系統供冷量，結合逐時室外氣象參數對式(2)進行擬合，確定待定系數，進而利用式(2)計算整個供冷期空調系統的冷負荷。

②空調系統熱負荷

對于空調系統熱負荷，可采用溫頻法(BIN法)計算，設定圍護結構熱負荷與室外溫度成線性關系^[16]。空調系統熱負荷Ф_h的擬合計算式為：

 

式中  Ф_h——空調系統熱負荷，kW

       E、F、G——通過擬合確定的待定系數

       d——室外空氣含濕量，g／kg

對于某一確定的建筑物，采用實測的熱負荷數據來擬合式(3)，可以保證計算結果的準確性。^[16]。

③空調系統能耗計算

利用設備的運行控制策略判斷出空調系統在全年不同負荷下的運行方式，包括不同負荷下設備的開啟數量、串并聯方式等。

對于夏季工況，利用制冷機組性能曲線可得到其在不同負荷率下的制冷性能系數，進而求得制冷機組在不同負荷下的運行功率。對于水泵、風機以及空氣處理機組，一般情況下，這些設備的運行功率保持不變，運行數量與介質流量有關。若設備采用變頻運行，則可根據不同負荷下的水量、風量，確定設備的運行頻率，進而確定運行功率。

結合設備在不同負荷下的運行方式，可計算得到供冷期空調系統能耗。

冬季工況設備能耗的計算方法與夏季工況基本相同，結合空調系統熱負荷與設備運行功率之間的關系，以及當地逐時室外氣象參數，計算得到供暖期空調系統能耗。

4 工程應用

4．1 工程概況

某建筑位于天津市，屬于大型辦公建筑，建筑面積為57 396 m²，其中空調面積為51 127 m²。夏季室內空氣設計溫度為26℃，冬季室內空氣設計溫度為20℃：

4．2 夏季工況

①設備配置及運行策略

供冷期為5月1日至9月30日。空調系統包括：3臺離心式冷水機組，性能參數見表1；4臺冷水循環泵，揚程為32．1 m，流量為400 m³／h，功率為39．7 kW。周一至周五冷水機組在6：00開啟，在20：00停止。冷水循環泵在大部分時間單臺運行，并且在整個夏季保持至少l臺一直開啟。

 

 

②能耗計算

供冷期空調系統的測試工作在2010年7月11日至l7日進行。主要測試參數為室外空氣溫濕度、冷水機組的冷水進出口溫度、流量以及冷水機組、冷水循環泵的運行功率、冷水壓力等。

冷水系統基本處于定流量運行。冷水機組并聯運行工況為1號機組與2、3號任意一臺機組并聯運行，當2號或3號冷水機組負荷率達到95％及以上時開啟1號冷水機組并聯運行。對測試數據進行整理，得到不同工況下冷水機組的制冷性能系數(見表2)。冷水循環泵效率的變化范圍為73．16％～75．83％，平均值為73．78％。冷水系統輸送能效比變化范圍為0．021 5～0．029 9，平均值為0．026 3。

 

由表2可知，單臺機組運行時，機組的制冷性能系數較高，均大于4．0。當兩臺機組并聯運行時，l號機組的制冷性能系數較低。分析冷水機組性能曲線發現，當大小兩臺冷水機組負荷分配比例接近3：2時，兩臺機組的總運行功率較小，處于節能狀態。在制冷工況下，冷水系統輸送能效比的平均值為0．026 3，比GB 50189--2005《公共建筑節能設計標準》規定的限值0．024 1偏大一些，冷水系統處于不節能的運行狀態。

根據人員上下班時間，將時間段劃分為：6：009：00，9：00—16：00，16：00—20：00。利用7月14日至16日的測試數據求得各個時段空調系統冷負荷的擬合式。

 

采用式(4)～(6)得到的計算值與實測值的相對誤差范圍分別為-5．71％～4．23％、-9．52％～9．43％、-5．81％～5．97％。由此可知，相對誤差范圍在±10％以內，屬于可接受的范圍。

根據式(4)～(6)，結合當地氣象站提供的逐時室外溫度，可得到供冷期空調系統的逐時冷負荷。根據供冷期空調系統逐時冷負荷、冷水機組的負荷分配比例，以及不同負荷下機組的運行功率，對供冷期冷水機組的能耗進行計算，計算結果為2 271．6CJ。

冷水系統處于定流量運行狀態，結合冷水循環泵的運行情況及實測數據，計算得供冷期冷水循環泵能耗為471．6 GJ。經計算，供冷期空調系統能耗為2 743．2 GJ。

③節能潛力分析

7月12 日至16日室內溫度變化見圖1。由圖1可知，空調系統停止運行后，室內溫度在0：00之前升溫較快，0：00之后升溫緩慢，最高達到26．5℃，溫度上升并不明顯。因此，冷水機組在人員下班后即可停止運行，即停機時間調整為18：00，而冷水循環泵則運行至20：00停機，以利用冷水剩余冷量，可降低運行費用。

 

原來運行策略為在夜間及周末無人期間冷水機組停止運行的情況下仍開啟一臺冷水循環泵，這是為了防止冷水管道集氣，影響下次開機運行。根據理論分析，只要冷水系統中排氣閥設置位置合理，就可解決冷水管道的集氣問題。因此，在夜間及周末無人期間可將冷水循環泵關閉。由于冷水系統輸送能效比偏高，在冷水循環泵上加裝變頻器以降低運行能耗。根據建立的能耗計算模型，計算調整冷水機組、冷水循環泵運行時間后的供冷期空調系統能耗。調整運行時間后的冷水機組能耗為1 995．1GJ，節能率為12．2％。冷水循環泵的能耗為340．9GJ，節能率為27．8％。

4．3 冬季工況

①設備配置及運行策略

供暖期為ll月1日至次年3月31日，空調系統熱源采用熱電廠蒸汽，熱水循環泵與冷水循環泵共用。冬季空調系統全天24 h開啟，節假日也不停止工作。根據不同時間段室內溫度的需求，結合室外溫度，自動控制系統通過控制進汽管上的電動調節閥自動調節供汽量，使換熱器二級側出口水溫達到設定溫度。

②能耗計算

供暖期空調系統測試工作在2011年1月11日至17日進行。根據測試結果計算的熱水系統輸送能效比的變化范圍為0．016 0～0．021 9，平均值為0．0l8 6，與GB 50189--2005規定的限值0．005 77差距較大。熱水循環泵實際運行效率變化范圍為54．78％～63．54％，多數情況下都低于60％。實際供回水溫差大部分時間低于設計值(10 ℃)。由此可知，冷熱水循環泵共用，存在冬夏季工況不匹配的情況。

根據人員上下班時間，將供暖工況分為上班時間段(8：00-18：00)、夜間時間段(18：00-次日8：00)。不同時間段內，建筑熱負荷狀況不同，利用測試數據對式(3)進行擬合。

 

采用式(7)、(8)得到的計算值與實測值的相對誤差范圍分別為-7．64％～8．61％、-5．06％～5．29％。由此可知，相對誤差在±10％以內，屬于可接受的范圍。

根據式(7)、(8)，結合逐時室外氣象參數，可求得供暖期空調系統逐時熱負荷。考慮換熱器的換熱效率，得到供暖期空調系統蒸汽能耗為35 208 GJ。根據實測數值，計算得熱水循環泵的能耗為573．84GJ。

③節能潛力分析

GB 50189--2005規定冬季采用空調系統供暖的一般房間室內設計溫度不超過20℃。測試數據顯示，冬季室內各區域溫度比設計溫度普遍高3～6℃，白天室內平均溫度達到24．02℃。分析原因，由于換熱器進汽管上的電動調節閥易出現故障，運行管理人員采取了手動調節方式，使得換熱器二級側實際出水溫度較高，造成了室內溫度過高。對此，應更換電動調節閥，改善電動調節閥的工作環境，加強維護，恢復白控系統的控制運行。

恢復板式換熱器供氣量的準確調節后，將白天室內溫度控制在設計溫度(20 ℃)。對于恢復調節后的工況能耗計算，只需在式(7)、(8)的基礎上，將室外溫度增加4．02℃，其余參數保持不變，可計算得到蒸汽量調整后供暖期空調系統的蒸汽能耗為31 356 GJ，節能率為10．9％。在滿足運行要求的前提下，將熱水循環泵按照GB 50189--2005規定的熱水系統輸送能效比限值重新選型后，能耗為221．76GJ，節能率為61．3％。

5 分析與討論

在應用能耗分析方法時，可以將空調系統作為一個整體進行分析，也可以將其各個子系統單獨進行分析。在對建筑空調系統進行調研測試的過程中，調研數據與資料往往并不完整，但文中采用的能耗分析方法，基本不受調研數據不完整性的影響。

能耗計算方法有效地將短期內的測試數據擴展應用到全年，利用修正后的能耗計算模型更方便準確地計算出建筑空調系統的全年能耗以及實施各項節能改造措施后的節能量。若采用能耗計算軟件進行能耗計算，所需的基本參數及計算條件苛刻，往往導致計算結果與實際能耗差別較大。這種能耗分析方法采用逐時室外氣象參數計算空調系統負荷，比傳統估算能耗方法的計算結果準確。

通過對本建筑空調系統節能診斷的分析，可以發現無論對于系統供冷工況還是供暖工況，其最大節能空間集中在空調系統的運行控制策略優化上。因此節能改造工作應將空調系統運行控制策略的調整放在首位。

 

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本文作者：孫斌輝  田喆  朱能

作者單位：天津大學環境科學與工程學院