建筑物能耗審計的研究

建筑物能耗審計的研究

0香港能源審計隨著經(jīng)濟的增長，香港建筑的可支配能源消耗日益增加，但人們對能源是否有效利用能源尚不清楚。由于節(jié)能意識的弱化和能源浪費嚴重。電力作為建筑中使用最廣泛的能源形式,既是有限的也是無法再生利用的,在礦物燃料有限的情況下,節(jié)約能源不僅使個人受益,更有利于全球環(huán)境保護和經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展。而建筑耗能的日益增長使得建筑節(jié)能顯得愈來愈重要,能源審計在香港的重要性日益突出。筆者根據(jù)多年的研究和多個建筑物的能源審計結果,通過一個實例來說明建筑物能源審計的方法和步驟。能源審計依據(jù)的是英國屋宇設備工程師學會頒布的《能源審計與調查實施手冊》(以下簡稱《手冊》)。能源審計要對能源系統(tǒng)進行定期的調查、測量、報告、分析和檢測。詳細的能源審計要對公用側的設備和租戶側的設備總能耗進行歸納和詳細的分類,重點是高能耗的系統(tǒng),例如空調、電器、照明和垂直交通。此外,能源審計指南和《手冊》中給出的步驟和表格對能源審計的計劃和能耗數(shù)據(jù)的收集有指導作用。1能源審計和能耗數(shù)據(jù)收集是能能源審計的目標主要包括:1)確定建筑物中的用能系統(tǒng),并將總能耗分配到空調、照明、垂直交通和其他公用設備等各個子系統(tǒng);2)計算該建筑的能耗指標,并將此指標與香港地區(qū)類似綜合建筑的參照能耗指標作對比;3)針對該建筑,提出相應的節(jié)能和提高能源利用效率的改進措施。能源審計中的測算和能耗數(shù)據(jù)的收集一般按照以下步驟進行:1)收集歷史數(shù)據(jù)。收集的信息包括:歷年的電費記錄,建筑規(guī)劃布局和日常運行管理記錄。2)初步調查。進行實地調查、現(xiàn)場測量,并與建筑物的物業(yè)管理人員進行交流。另外,現(xiàn)場測量的數(shù)據(jù)可以作為建筑物管理單位提供數(shù)據(jù)的補充?，F(xiàn)場的調查實測對于掌握系統(tǒng)的運行特點,確定建筑的能耗構成及其相應的節(jié)能潛力有非常重要的作用。3)深入調查。通過分析歷史數(shù)據(jù)和日常管理記錄,對有節(jié)能潛力的設備和系統(tǒng)的整體性能進行細致的調研。4)數(shù)據(jù)分析與確認。歸納分析調研和實測獲得的數(shù)據(jù),并將這些數(shù)據(jù)與標準參照數(shù)值和實施標準對比。通過分析制定節(jié)能措施,確定投資和節(jié)能改造效益。2座雙2所該建筑屬于綜合商業(yè)建筑,1994年投入使用,采用玻璃幕墻作為圍護結構。整個建筑由裙房及裙房上的兩座雙塔構成,總建筑面積211000m2,包括多功能影院、4層飯店(17800m2)、12層購物商場(69300m2)和4層700個車位的地下停車場,其余為49層和39層的寫字間(96000m2)。除飯店餐飲的租戶使用城市燃氣外,電力是該建筑中公用服務設備和租戶使用的惟一能源。2.1離心式冷換熱器空調系統(tǒng)由5臺安裝在裙房12層上的制冷機(3臺8933kW離心式,2臺2814kW螺桿式)提供冷量,總制冷量32427kW,另有28臺風冷換熱器安裝在兩座塔樓的頂層。2.2直接數(shù)字控制系統(tǒng)雙塔上的寫字間采用變風量系統(tǒng),每層安裝兩臺空氣處理機,空氣處理機入口配備可由直接數(shù)字控制系統(tǒng)控制流量的百葉,此控制器是樓宇管理系統(tǒng)的一部分。室內空氣溫度由空調變風量末端調節(jié)。新風在預處理模塊中與回風混合,降溫、除濕后進入每個末端。商場和飯店采用新風風機盤管系統(tǒng),地下停車場和設備層采用機械通風。2.3多網(wǎng)供電系統(tǒng)整棟建筑配備了23臺1500kVA變壓器,其中,6臺用于向集中制冷裝置供電,10臺為空氣處理側設備和其他公共設備供電,另外7臺用于滿足租戶的用電需求。塔樓寫字間380V/220V的供電分為兩個區(qū),每個區(qū)通過2條1600A的總線供電。屋頂設置3間中繼設備間,方便租戶安裝電力、電話和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。2.4反射鏡面塔樓寫字間的設計照度為500lx,光源采用36W的節(jié)能熒光燈管,并且有低損耗繼電器、鋁制弧形百葉和反射鏡面。整棟建筑的照明系統(tǒng)采用多種燈具,熒光燈占47%,緊湊式熒光燈占31%,鹵鎢燈占12%,鹵素反射燈占5%,高壓水銀燈占3%,其他燈具占2%。2.5日本電視墻的特點此電視墻高7m,寬9m,是日本索尼公司生產(chǎn)的亞洲最大的電視墻,其獨特的技術使該電視墻具有高清晰、高分辨率的優(yōu)點,更具有絕佳的音響效果。2.6地下電梯及經(jīng)營區(qū)域為了滿足垂直交通的需求,將塔樓寫字間分成了5個區(qū),除A塔樓的低區(qū)外(采用可承載3人的電梯),全部采用可承載6人的電梯。此外,在裙房商場、飯店和地下停車場之間另有3個分區(qū)的電梯提供穿梭服務。在7臺貨運電梯中有2臺同時作為消防電梯,在商場和飯店區(qū)域采用了55臺自動扶梯。為適應不斷變化的負載和交通擁擠情況,寫字間電梯運行由電腦群控,此控制系統(tǒng)由微電腦和其他硬件構成。中央控制器實時監(jiān)控使用者的呼叫和停止信號,并自動發(fā)出最適合的電梯響應信號。在樓宇控制間內安裝了監(jiān)視信號盤,用于監(jiān)控電梯和扶梯的運行狀態(tài)。監(jiān)視信號盤還集成了通過專用軟件實現(xiàn)的電梯開閉控制功能。3手搖式干濕球溫度計在1999年11月至2000年3月之間,通過采用手搖式干濕球溫度計的測試發(fā)現(xiàn),購物商場和寫字間的空氣溫度在22~25℃內(溫度略高,但沒有超出美國暖通空調工程師學會的規(guī)定范圍),在舒適度范圍內。4模擬估算能源效率3臺高壓離心式制冷機耗電量最大,這可以從每月香港電力公司發(fā)出的電費賬單中體現(xiàn)出來。每個變壓器都獨立計量,電力公司按月結算。至于其他低壓用電設備,由于沒有獨立的計量措施,其耗電量無法精確計量,只能根據(jù)現(xiàn)場測試進行模擬估算。1999年該建筑公用設備的能源消耗為69150890kWh,公用設施能耗和租戶能耗份額比為60∶40。在香港夏季溫度高濕度大的情況下,為保持室內舒適度,空調系統(tǒng)的耗電量很大(占總能耗66%),其次為照明和電器用電量(見圖1)。此結果與同類典型的商業(yè)綜合建筑一致。從圖1中能看出,提高能源使用效率,特別是空調系統(tǒng)和照明系統(tǒng)的能源使用效率,是降低商業(yè)建筑總能耗的關鍵。其他用電系統(tǒng)的耗電量全年變化不大,例如通風系統(tǒng)耗電量,電梯和自動扶梯耗電量,給排水系統(tǒng)耗電量等。圖2為1997—1999年間該建筑物中的公用設備的能源消耗量與相應費用。4.1公用設備年能耗該建筑物的每個變壓器都可以獨立計量,電力公司每月將耗電量數(shù)據(jù)和賬單交付租戶。通過物業(yè)管理機構筆者獲得了該建筑物1997年1月~2000年3月間每月公用設備耗電量數(shù)據(jù)。通過分析發(fā)現(xiàn),公用設備年耗電量在不同年份間變化不大。圖3給出了公用設備每月總耗電量。4.2能源消耗組成通過1999—2000年間測量的該建筑主要能耗設備獲得能耗構成數(shù)據(jù)。對主要能耗系統(tǒng)的測量根據(jù)以下步驟展開。詳細的能耗構成見表1。12混凝土地板系統(tǒng)的水平配置水側的能耗可以通過直接計量給系統(tǒng)供電的6個變壓器的供電量來獲得,其中包括水泵和換熱器的耗電量。2非高峰時段開啟地下停車場公共側和租戶側的空調系統(tǒng)設備都要在工作時間前開啟。物業(yè)管理人員控制非高峰時段開啟地下停車場的通風機?？諝鈧仍O備的耗電量通過收集操作維護記錄(獲得風機曲線和風機轉速)、運行日志(獲得運行時電流和電壓)和運行時間記錄獲得。3照明系統(tǒng)總功率通過計量每種燈具的功率,并與每個典型照明電路上的燈具個數(shù)相乘求得照明系統(tǒng)的總功率;再將每個照明系統(tǒng)的總功率與其相應的運行時間累積,求得整個照明系統(tǒng)的總能耗。4電梯運行時間的累積為了計量電梯的全年總能耗,首先測量一臺載客電梯在正常工作時間、周末和公共假期內的全天逐時能耗,然后將每個區(qū)電梯的每天運行時間累積,最后與相應的運行天數(shù)相乘。采用相同方法獲得載貨電梯的全年和逐月的總能耗。對于自動扶梯,用自動扶梯的功率乘以運行時間求得全年和逐月的總能耗。4.3公用設備和其他設備能耗對比通常,將能耗密度(總能耗和總建筑面積之比)作為比較面積不同的建筑物能耗效率的指標。將公用設備和其他設備的總電力消耗除以總建筑面積分別得到1997,1998和1999年的能耗指標,分別為217,221和202kWh/m2,如表2所示。為確定能源是否有效利用,將這些能耗指標與其他建筑的能耗密度比較,比較結果見表3。4.4空調系統(tǒng)能耗的擬合直線方程圖4為公用設備月耗電量與室外月平均溫度的關系,從圖4中可擬合出建筑物的能耗特征線。采用能耗特征線不用計算機模擬就能了解建筑物整體和空調系統(tǒng)的能源使用效率。由于能耗特征線的精確度與能耗統(tǒng)計數(shù)據(jù)的量相關,因此,逐日的數(shù)據(jù)組比逐月的數(shù)據(jù)組精確度高。在圖4中,由于缺少可用的數(shù)據(jù),只采用了12組逐月的數(shù)據(jù)。通常,能耗特征線由一條斜線和一條水平線構成,兩條線相交處的室外空氣溫度稱為基準溫度。當平均室外空氣溫度低于基準溫度時,建筑能耗不會受到影響。對于1999年的公用設備總能耗,擬合的直線方程為EL=0.705t(1)EL=0.705t(1)式中EL為單位面積公用設備能耗,kWh/m2;0.705為系數(shù),kWh/(m2·℃);t為月平均室外溫度,℃。同年空調系統(tǒng)能耗的最佳擬合直線方程為EAC=0.5779t?4.4443(2)EAC=0.5779t-4.4443(2)式中EAC為單位面積空調系統(tǒng)能耗,kWh/m2;0.5779為系數(shù),kWh/(m2·℃)。從圖4中可看出,兩條直線幾乎平行,式(1),(2)也顯示兩條直線的斜率相近,這說明空調系統(tǒng)能耗是公用設備能耗變化的主導因素。能耗特征可以作為與建筑物將來能耗比較的基準,用于檢測空調系統(tǒng)運行是否節(jié)能,或節(jié)能改造措施是否有效。5電力消耗量調查除了公用部分外,建筑物內剩下的就是租戶部分。評價建筑總能耗水平還需要租戶的能源消耗數(shù)據(jù)。由于租戶的能源消耗量(主要能源為電力,包括飯店區(qū)使用的城市燃氣)由專門公司單獨計量收費,除非租戶自愿提供,否則物業(yè)管理公司無法得到這些私人公司的能源消耗量數(shù)據(jù)。為了掌握租戶全年的能源消耗數(shù)據(jù),采取了實地調查的方式。調查的范圍包括30個塔樓寫字間的租戶,40個裙房購物商場的零售租戶,7個飯店的租戶和電影院的租戶。調查內容主要如下:1)儀表房內電表顯示的能源消耗速率;2)照明和其他設備耗能的能源形式,能源消耗量以及額定功率;3)照明和其他設備的使用時段;4)正常的設備運行時間。此次調查范圍內租戶使用的建筑面積占總建筑面積約68%,其中寫字間、零售商店、飯店和電影院分別占46%,16%,5%和1%。表4匯總了本次調查掌握的租戶消耗電量數(shù)據(jù)對面積的加權平均值。寫字間的租戶平均每m2建筑面積每年消耗128kWh電量,零售商店、飯店和電影院租戶每m2建筑面積每年消耗的電量分別為377,100和21kWh。通過對調查數(shù)據(jù)的整理,還獲得了照明系統(tǒng)和其他設備電器的功率密度和能源消耗值。寫字間租戶平均照明電力需求量為23VA/m2。如果照明負荷在使用期不變,則寫字間照明系統(tǒng)的能耗為60kWh/(m2·a)。寫字間電器設備的峰值負荷約為38VA/m2,其電力消耗量約為68kWh/(m2·a)。采用相同方法計算得到零售商店、飯店和電影院的電力消耗量(參見表4)。調查結果顯示,在寫字間中大量使用個人電腦,個人電腦的電力負荷占辦公室內電器設備總電力負荷的15%~27%,寫字間租戶占用面積的加權平均數(shù)約為35%,這相當于8VA/m2的電力需求量和每年21kWh/(m2·a)的電力消耗量。寫字間內還有打印機、冰箱、微波爐、電熱壺和冷水飲用水源等其他電器設備。將寫字間、零售商店、飯店和電影院的平均電力消耗值按其建筑面積所占總建筑面積的比例,累加求得建筑中所有租戶的電力消耗量。建筑中租戶總耗電量與其中照明系統(tǒng)和電器設備每年的耗電量分別為184,99.3和85kWh/m2。6香港商業(yè)建筑能耗通過一年時間的測量和調查,獲取掌握了公用設備(測量數(shù)據(jù))和租戶(實地調查數(shù)據(jù))的能耗數(shù)據(jù)。表5列出了整棟建筑全年耗電量及其主要負荷構成?；趯懽珠g的總耗電量和香港商業(yè)建筑中寫字間的總面積,寫字間平均每年耗電量在350kWh/m2左右。所審計建筑的年耗電量為386kWh/m2(見表5),較平均值高出10%。但是,所審計的建筑為商業(yè)綜合建筑,與典型的商業(yè)建筑或有不同。審計建筑的全年空調耗電量為132kWh/(m2·a)?？紤]到該建筑中不僅有寫字間,還有許多零售商店和電影院,其空調系統(tǒng)每周運行70h,此數(shù)值說明其系統(tǒng)運行效率令人滿意,然而,該建筑仍有改進的空間。7能耗量和能耗根據(jù)實地調查和數(shù)據(jù)分析,確定了幾種可行的節(jié)能措施。由于空調系統(tǒng)能耗量和節(jié)能建筑的能耗量相近,如果要在空調和制冷系統(tǒng)上提出節(jié)能建議需要作更詳細的研究,如實測制冷機的運行參數(shù)等,需要更多的時間和資源。所以這里所提的節(jié)能措施重點放在耗能量第二的照明系統(tǒng)上,建議如下。7.1反射鏡面的合成熒光燈是此建筑中最主要的照明光源,每間辦公室中安裝兩個36W熒光燈管和帶有反射鏡面的鋁制弧型格柵。雖然熒光燈已經(jīng)采用了節(jié)能型燈管,但鎮(zhèn)流器采用傳統(tǒng)型,比電子鎮(zhèn)流器耗電多,若采用電子鎮(zhèn)流器能節(jié)約更多的能源。7.2照明開關電路的控制建議重新規(guī)劃租戶使用區(qū)域的照明控制電路,縮小每個照明開關電路的控制范圍,方便用戶控制。用戶可在不需要人工照明的時候關閉電燈,節(jié)約能源;同時,適當降低背景照明的亮度,可采用臺燈照明。7.3自然光照和人工照明相結合自然光是極好的免費光源。由于窗戶采用了鍍膜玻璃,安裝了內遮陽,該建筑的太陽輻射得熱量較小。此外,塔樓寫字間的窗戶約占外立面面積的70%,周圍沒有其他高層建筑的遮擋,因此,在建筑物外圍區(qū)域利用自然光是十分可行的措施。為確定全天不同時刻建筑周邊區(qū)域的自然采光照度,使用照度計在全陰天的情況下測試建筑周邊區(qū)域的水平面上的照度值。自然采光的時段為9:00~18:00。此系統(tǒng)可以采用光電傳感器探測室外自然光強度的變化,控制人工光源的開閉或漸變和內遮陽的收放。人工照明光源采用高頻率的電子鎮(zhèn)流器,平行于窗戶布置,當室內照度低于500lx時,首先控制內遮陽收起,當自然采光照度依然不能滿足設定的照度要求時,從距離窗戶最遠的燈逐次開啟;當自然采光強度增加時,人工光源可以關閉或逐漸變暗,當室內照度仍然大于照度設定值時,內遮陽逐漸放下。這種控制方式將自然采光與人工照明結合起來以達到設計照度值。從現(xiàn)場的實地調查發(fā)現(xiàn),該建筑的建筑管理系統(tǒng)只能記錄供暖通風空調系統(tǒng)的能耗狀況。因此,需要采取輔助計量措施,使其能監(jiān)視不同的系統(tǒng),例如電梯/自動扶梯、照明和其他耗能較少的設備。這不僅有利于非正常情況的定位,也方便能