智能建筑的節(jié)能及經(jīng)濟效益評估

智能建筑的節(jié)能及經(jīng)濟效益評估

摘要：本文結(jié)合寧波港務(wù)局北侖港區(qū)國際集裝箱碼頭綜合樓智能化工程實例，從建筑可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略、工程技術(shù)經(jīng)濟性分析等方面分析了智能建筑的節(jié)能問題，對節(jié)能效益評估內(nèi)容與方法進行探討，并提出了空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能系數(shù)的計算方法。智能建筑的節(jié)能及經(jīng)濟效益評估

關(guān)鍵詞：智能建筑節(jié)能效益

1商業(yè)建筑的耗能概況

據(jù)有關(guān)統(tǒng)計，寫字樓和酒店等商業(yè)建筑中空調(diào)、照明、電梯等系統(tǒng)的耗能情況大致①空調(diào)：寫字樓空調(diào)耗能占總耗能的比例平均為60%，其下限為50%，上限不高于70%；酒店HVAC耗能占總耗能的比例為44%。②照明：寫字樓照明耗能占總耗能的比例為23%-55%，平均26%；酒店照明耗能占總耗能的比例為29%。③電梯：寫字樓耗能占總耗能的比例為8%，酒店電梯耗能占總耗能的比例為10%。

2智能建筑的節(jié)能措施

提高室內(nèi)溫濕度控制精度

室內(nèi)溫濕度的變化與建筑節(jié)能有著緊密的相關(guān)性。據(jù)美國國家標(biāo)準(zhǔn)局統(tǒng)計資料表明，如果在夏季將設(shè)定值溫度下調(diào)1℃，將增加9%的能耗，如果在冬季將設(shè)定值溫度上調(diào)1℃，將增加12%的能耗。因此將室內(nèi)溫濕度控制在設(shè)定值精度范圍內(nèi)是空調(diào)節(jié)能的有效措施。歐美等國對室內(nèi)溫濕度控制精度要求為：溫度為±℃，濕度為60±5%的變化范圍。

傳統(tǒng)的建筑由于沒有采用樓宇自控系統(tǒng)，往往造成夏季室溫過冷或冬季室溫過熱現(xiàn)象。這不但對人體的健康和舒適性來講都是不適宜的，同時也浪費了能源。采用了樓宇自控系統(tǒng)的智能建筑，不僅可以按照設(shè)定自動調(diào)節(jié)室內(nèi)溫濕度外，還可以根據(jù)室外溫濕度的和季節(jié)變化情況，改變室內(nèi)溫度的設(shè)定，使之更加滿足人們的需要，充分發(fā)揮空調(diào)設(shè)備的功能。空調(diào)系統(tǒng)溫度控制精度越高，不但舒適性越好，同時節(jié)能效果也越明顯。

新風(fēng)量控制

根據(jù)衛(wèi)生要求，建筑內(nèi)每人都必須保證有一定的新風(fēng)量。但新風(fēng)量取得過多，將增加新風(fēng)耗能量。以上海地區(qū)酒店為例，在設(shè)計工況下，處理一公斤室外新風(fēng)量需冷量，熱量，故在滿足室內(nèi)衛(wèi)生要求的前提下，減少新風(fēng)量，有顯著的節(jié)能效果。

新風(fēng)量應(yīng)該根據(jù)室內(nèi)允許CO2濃度來確定，CO2允許濃度值一般取%。采取固定新風(fēng)量的方式是不夠精確的，因為隨著季節(jié)和時間的變化以及空氣的污染情況，室外空氣中CO2濃度是變化的，同時室內(nèi)人員的變化自然對新鮮空氣的需求也發(fā)生變化，所以最為合理的方式是根據(jù)室內(nèi)或回風(fēng)中的CO2濃度，自動調(diào)節(jié)新風(fēng)量，以保證室內(nèi)空氣的新鮮度，控制功能較完善的樓宇自控系統(tǒng)可以滿足這些控制要求。

機電設(shè)備最佳啟停控制

對于辦公和商場等建筑夜晚是不需要空調(diào)的，自然在夜里是不需要開空調(diào)，為了保證工作開始時室內(nèi)環(huán)境的舒適，就需要提前對建筑進行預(yù)冷、預(yù)熱，另外室內(nèi)溫度是慣性很大的被控對象，提前關(guān)閉空調(diào)也可以保證室內(nèi)溫度在一定的時間內(nèi)變化不大，樓宇自控系統(tǒng)通過對空調(diào)設(shè)備的最佳啟停時間的計算和控制，可以在保證環(huán)境舒適的前提下，縮短不必要的空調(diào)啟停寬容時間，達到節(jié)能的目的；同時在預(yù)冷、預(yù)熱時，關(guān)閉室外新風(fēng)風(fēng)閥，不僅可以減少設(shè)備容量，而且可以減少獲取新風(fēng)而帶來冷卻或加熱的能量消耗。

在商業(yè)建筑中照明的能源消耗要占整個能源消耗的很大部分，其中公共照明最容易產(chǎn)生能源浪費，對這些照明設(shè)備實行定時開關(guān)控制，甚至按照作息時間和室外光線進行預(yù)程調(diào)光控制和窗際調(diào)光控制，可以極大降低能源消耗。

在實行多種電價的地區(qū)，利用樓宇自控系統(tǒng)，通過與冰蓄冷設(shè)備、應(yīng)急發(fā)電機等配合，可以在用電高峰時，選擇卸除某些相對不重要的機電設(shè)備減少高峰負荷，或投入應(yīng)急發(fā)電機以及釋放存儲的冷量等措施，實現(xiàn)避峰運行，降低運行費用。

空調(diào)水系統(tǒng)平衡與變流量管理

空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能控制算法是智能建筑節(jié)能的核心，通過科學(xué)合理的節(jié)能控制算法，不但可以達到溫度環(huán)境的自動控制，同時可以得到相當(dāng)可觀的節(jié)能效果。

空調(diào)系統(tǒng)的熱交換本質(zhì)是一定流量的水通過表冷器與風(fēng)機驅(qū)動的送風(fēng)氣流進行能量交換，因此能量交換的效率不但與風(fēng)速和表冷器溫度對熱效率的影響有關(guān)，同時更與冷熱供水流量與熱效率相關(guān)。通常在沒有采用對空調(diào)系統(tǒng)進行有效的空調(diào)供水系統(tǒng)平衡與變流量管理時，常規(guī)的做法是以恒定供回水壓力差的方式來設(shè)定空調(diào)控制算法，結(jié)果溫濕度控制精度很差，能量浪費也是極其明顯的。這是由于在恒定的供回水壓力差之下，自平衡能力很差，流量值與實際熱交換的需要量想差甚遠，往往因而造成溫濕度失控，能量浪費和設(shè)備受損。

通過對空調(diào)系統(tǒng)最遠端和最近端的空調(diào)機在不同供能狀態(tài)和不同運行狀態(tài)下的流量和控制效果測量參數(shù)分析可知空調(diào)系統(tǒng)具有明顯的動態(tài)特點，運行狀態(tài)中樓宇自控系統(tǒng)按照熱交換的實際需要動態(tài)地調(diào)節(jié)著各臺空調(diào)機的電磁閥，控制流量進行相應(yīng)變化，因此總的供回水流量值也始終處于不斷變化之中，為了響應(yīng)這種變化，供回水壓力差必須隨之有所調(diào)整以求得新的平衡。應(yīng)通過實驗數(shù)據(jù)建立變流量控制數(shù)學(xué)模型，將空調(diào)供回水系統(tǒng)由開環(huán)系統(tǒng)變?yōu)殚]環(huán)系統(tǒng)。

克服暖通設(shè)計帶來的設(shè)備容量冗余

目前我國絕大多數(shù)暖通系統(tǒng)，為了保證能在最不利的環(huán)境情況下正常運行，在設(shè)計時往往采用靜態(tài)方法計算負荷，而且還乘以較大的安全系數(shù)，以至于在設(shè)備選型方面往往偏大。暖通系統(tǒng)是一個典型的動態(tài)系統(tǒng)，一年之中的負荷絕不是均勻分布的，即使是一天之中的負荷也是隨時間而變化的。不恰當(dāng)?shù)娜哂鄬斐赡茉吹睦速M，而這種冗余是很難用人工監(jiān)控的方式加以克服。由于智能建筑科學(xué)地運用樓宇自控系統(tǒng)的節(jié)能控制模式和算法，動態(tài)調(diào)整設(shè)備運行，有效地克服由于暖通設(shè)計帶來的設(shè)備容量和動力冗余而造成的能源浪費。

能源管理系統(tǒng)的應(yīng)用

開發(fā)能源管理軟件，建立能源管理系統(tǒng)，實現(xiàn)能耗跟蹤、節(jié)能的遠程及就地控制。能源管理系統(tǒng)由各種計量儀表和軟件程序組成。安裝于各種基本的空調(diào)設(shè)備上的計量儀表不僅可以在系統(tǒng)運行時采集該設(shè)備的適時運行原始數(shù)據(jù)，還可以協(xié)助中央控制器，在系統(tǒng)軟件控制下，實現(xiàn)系統(tǒng)的節(jié)能運行。軟件程序則是能源管理系統(tǒng)的中樞。

首先，由各種計量儀表采集的設(shè)備運行原始數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)傳輸通道傳輸?shù)街醒胩幚砥?，利用軟件程序?qū)ζ溥M行分析整理，從而建立系統(tǒng)高效低能運行數(shù)據(jù)庫并集成在能源管理系統(tǒng)軟件中，為以后的能源管理提供基本依據(jù)。

然后，在空調(diào)系統(tǒng)的運行過程中，各種計量儀表采集相應(yīng)的運行數(shù)據(jù)傳輸給中央處理器，通過軟件程序的對比分析，擬合出系統(tǒng)的運行曲線，從而判斷系統(tǒng)是否處于節(jié)能運行狀況。若發(fā)現(xiàn)運行異常，系統(tǒng)軟件可根據(jù)采集的適時運行數(shù)據(jù)及所擬合的運行曲線，自動確定故障部位、發(fā)出聲光報警信號，通知故障檢測程序自動排障或指示設(shè)備管理人員人工排障。

此外，能源管理軟件還可自動存儲或打印設(shè)備運行數(shù)據(jù)和運行曲線，為后續(xù)的系統(tǒng)完善提供可靠資料。各種計量儀表也可通過顯示屏直接顯示運行數(shù)據(jù)，提高管理人員的節(jié)能意識。

3節(jié)能的經(jīng)濟效益評估

節(jié)能效益評價內(nèi)容與方法

智能建筑的節(jié)能是指智能建筑內(nèi)能源的消費和合理利用之間的平衡關(guān)系。衡量一個建筑智能化系統(tǒng)的節(jié)能的經(jīng)濟效益應(yīng)該包括二個方面的內(nèi)容：一方面是節(jié)能設(shè)計的范圍、類別，是僅僅考慮了直接節(jié)能、還是包含了廣義節(jié)能？是否具備潛在節(jié)能？另一方面是節(jié)能的實際效率和深度。節(jié)能效益到底有還是沒有、高還是低？這些都是判別建筑智能化系統(tǒng)實際功效的重要指標(biāo)。通常建筑物節(jié)能的內(nèi)容和對象包括建筑設(shè)計、空調(diào)系統(tǒng)、照明與設(shè)備，智能建筑節(jié)能不但包括原有傳統(tǒng)建筑所采用的節(jié)能方法，更重要的是采用先進的科技來達到更準(zhǔn)確的調(diào)整和控制，即"主動節(jié)能"。

智能建筑的節(jié)能效益評價可以考慮的內(nèi)容與方法推薦表見下表。

智能建筑的節(jié)能效益評價內(nèi)容與方法推薦表

系統(tǒng)

評價項目

評價測定內(nèi)容

評價方法

空調(diào)系統(tǒng)

耗能量

耗電量、燃料耗量的測定

與同用途的其它建筑物比較與基準(zhǔn)值比較

二次側(cè)負荷分布

對代表二次側(cè)負荷的量和變動的測定，把握熱負荷的實態(tài)，研究設(shè)備系統(tǒng)有效利用的方法

與其它建筑物熱負荷量比較

模擬二次側(cè)負荷分布

根據(jù)實際的房間使用狀態(tài)、設(shè)備工作狀態(tài)進行負荷計算并對熱源設(shè)備的容量驗證

與其它建筑物的熱負荷比較計算值與實測值的比較

冷熱水、冷卻水的溫度、流量

調(diào)查系統(tǒng)是否處于健全的狀態(tài)

與設(shè)計值、基準(zhǔn)值比較

空調(diào)機的送風(fēng)量、送風(fēng)溫度

調(diào)查輸送動力的低減化

與室內(nèi)實測數(shù)據(jù)對照，與設(shè)計風(fēng)量比較

風(fēng)量平衡

明確空調(diào)域和非空調(diào)域之間熱量的傳遞

與不同用途的正壓、負壓要求對照

新風(fēng)量

明確新風(fēng)量的過量或不足

與設(shè)計值比較

風(fēng)系統(tǒng)的阻力

風(fēng)閥、盤管、過濾器、靜壓箱、彎頭等部位實測阻力損失，探明阻力過大的原因

與基準(zhǔn)值比較設(shè)計風(fēng)量與實測風(fēng)量的比較

水系統(tǒng)的阻力

盤管、閥門、過濾器、閥門開度等部位實測阻力損失，探明阻力過大的原因

與基準(zhǔn)值比較設(shè)計水量與實測水量的比較

建筑電氣

變壓器的負荷率調(diào)查

變壓器的集中和容量降低的可能性

以平均負荷率50%為標(biāo)準(zhǔn)

節(jié)電設(shè)備的利用

節(jié)能型變壓器、電容器、照明器具、信號燈等利用的可能性

根據(jù)運行費的降低程度進行綜合

合適的照度

各房間取若干代表點作照度測定

與規(guī)范比較

晝光利用可能性

有采光窗的房間中作白天消燈、減燈可能性調(diào)查

與規(guī)范比較

引導(dǎo)燈消燈可能性

引導(dǎo)燈消燈可能性調(diào)查

費用效果比評價

有可能用時間表控制的設(shè)備調(diào)查

根據(jù)運行記錄和現(xiàn)場觀察

根據(jù)運行費的降低額度進行綜合評價

利用深夜電力可能性

熱水器的用水量和需用熱水的時間分布

根據(jù)運行費的降低額度進行綜合評價

給排水

給水使用量

查明過剩用水量、用途不明的水量

與設(shè)計值比較，與同種用途的其他建筑物比較

給水水量、水壓的測定

實測給水閥門的開度情況調(diào)查

根據(jù)測定結(jié)果進行校核，與設(shè)計值比較

供熱水熱源的效率

測定熱水鍋爐效率調(diào)查負荷率，確認鍋爐節(jié)能措施

與竣工數(shù)據(jù)比較與新設(shè)備比較

供熱水溫度

測定熱水供水溫度，測定隔熱材料傳熱系數(shù)

與末端容許最低溫度比較

供熱水量、供熱水壓力

測定末端供熱水栓調(diào)查熱水器具的使用率

與容許供熱水量、水壓的比較

供熱水循環(huán)泵運行方法

研討供熱水循環(huán)泵的間歇運行化、部分熱水供應(yīng)的停止、切換到局部供熱水方式

與正確循環(huán)量的比較

雨水利用的可能性

調(diào)查當(dāng)?shù)亟涤炅扛鶕?jù)建筑物形態(tài)計算集水量

研究費用效果比

空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能系數(shù)的計算

評估空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能效果的好壞，單從設(shè)計情況來考慮是不夠的，還需要計算空調(diào)系統(tǒng)的全年總耗能量。主要計算方法為當(dāng)量運行時間法。

當(dāng)量運行時間的定義是：全年空調(diào)冷負荷Q與制冷機最大出力q的比值，即：

τ=Q/q

負荷率ε是全年全年空調(diào)冷負荷Q與空調(diào)系統(tǒng)在累計運行時間內(nèi)總的最大出力之和的比例，即：

ε=Q/qT

式中T為空調(diào)系統(tǒng)累計運行時間。

結(jié)合二式后得：

ε=τ/T

式中：τ為采取節(jié)能措施后空調(diào)系統(tǒng)當(dāng)量運行時間，而T為未采取節(jié)能措施前空調(diào)系統(tǒng)實際運行時間。因此，ε可用于衡量空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能效果，空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能系數(shù)的計算公式為：

η=100%-ε

4工程實例

寧波港務(wù)局北侖港區(qū)國際集裝箱碼頭綜合樓智能化工程主要內(nèi)容包括：①樓宇自控系統(tǒng)，包括空調(diào)系統(tǒng)、變配電系統(tǒng)、電梯系統(tǒng)、照明控制系統(tǒng)及給排水系統(tǒng)的自動化監(jiān)控；②火災(zāi)自動報警與消防聯(lián)動控制系統(tǒng)；③保安管理系統(tǒng)；④背景音樂與緊急廣播系統(tǒng)；⑤綜合布線系統(tǒng)。

樓宇自控系統(tǒng)利用現(xiàn)代計算機技術(shù)、控制技術(shù)、測量技術(shù)、圖形顯示技術(shù)對空調(diào)、變配電、電梯、照明、給排水等系統(tǒng)實施監(jiān)視、控制和管理。自2001年1月建成以后，至今運行二年的時間里，已產(chǎn)生了明顯的效益：

嚴格控制室內(nèi)溫濕度變化

嚴格控制室內(nèi)溫濕度變化，溫度變化幅度±l℃，相對濕度變化幅度為±2％，有效地避免了空調(diào)系統(tǒng)的過冷或過熱現(xiàn)象。溫濕度控制精度的提高，不僅保證了舒適性，節(jié)能效益也相當(dāng)明顯。據(jù)實際數(shù)據(jù)計算，節(jié)能效果在15%以上。

變流量控制

為了滿足室內(nèi)溫濕度控制精度的要求，必須進行對空調(diào)機組流量的動態(tài)管理，即變流量控制，以滿足調(diào)節(jié)閥的控制精度。從給水工藝角度來看，閥兩端壓降越小越好，可以減少阻力損失，減輕給水泵動力負荷；從控制的工藝特點來看，閥兩端應(yīng)保持一定的壓差，以提高可控性。

實測數(shù)據(jù)表明，當(dāng)空氣處理機流量達到額定流量工況時，調(diào)節(jié)閥兩端壓力僅為/cm2-1kg/cm2。為了流量控制，通常的做法是通過供回水旁通閥的調(diào)節(jié)來平衡供回水壓差。但是僅僅依賴于旁通閥的壓差調(diào)節(jié)來控制流量有時作用并不明顯，也會增加不必要的能源消耗。

根據(jù)空氣處理機實際運行臺數(shù)和運行流量工況動態(tài)調(diào)整供水泵投入運行的臺數(shù)，并輔助旁通閥的微調(diào)來達到變流量控制的方式，避免了泄漏，提高了控制精度，減少了不必要的流量損失和動力冗余，因此可帶來明顯的節(jié)能效果。據(jù)實際數(shù)據(jù)計算，節(jié)能效果在25%以上。如果能夠?qū)⒐┗厮髁縿討B(tài)參數(shù)作為