基于能耗分析的某大型商業(yè)建筑空調(diào)系統(tǒng)能耗研究

基于能耗分析的某大型商業(yè)建筑空調(diào)系統(tǒng)能耗研究

現(xiàn)在，中國(guó)正處于快速發(fā)展的過(guò)程中。建筑能耗約占中國(guó)總商品能耗的20%30%。隨著經(jīng)濟(jì)水平的持續(xù)上升，這一比例也在逐漸增加。當(dāng)前我國(guó)大型公共建筑面積只有城鎮(zhèn)建筑總面積的3.3%,但其能耗卻占我國(guó)城鎮(zhèn)建筑總能耗18%,并且隨著城市化進(jìn)程的加快,建筑能耗還在不斷增大?；诖笮途C合購(gòu)物廣場(chǎng)類商業(yè)建筑有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、高能耗、功能多樣、人員流動(dòng)性大、照明能耗高等眾多特點(diǎn),本文選擇西安市某大型商場(chǎng)作為研究對(duì)象,對(duì)其能耗進(jìn)行實(shí)測(cè)并利用能耗模擬軟件EnergyPlus模擬,將實(shí)測(cè)能耗與模擬能耗對(duì)比分析,最后提出有效的節(jié)能措施。1勝地公園概況該商場(chǎng)建筑面積為103551m2,其中地下六級(jí)人防和設(shè)備用房共占18043m2,地上部分為85508m2。商場(chǎng)地下兩層,地上七層,總高度29.45m。該商場(chǎng)為全框架結(jié)構(gòu)體系,填充墻外墻、內(nèi)防火墻、衛(wèi)生間廚房墻為240空心磚墻,其余隔墻為250厚加氣混凝土填充墻。商場(chǎng)空調(diào)面積約為9.0萬(wàn)m2,空調(diào)夏季冷負(fù)荷為16100kW,冬季熱負(fù)荷為5757kW,制冷站及換熱站設(shè)于地下二層,選用五臺(tái)特靈離心式冷水機(jī)組,其中四臺(tái)制冷量為3500kW,一臺(tái)制冷量為2100kW,提供7~12℃的冷凍水,冬季由換熱器提供60/50℃的熱水,熱源由城市外網(wǎng)提供95/70℃的熱水。2實(shí)驗(yàn)時(shí)間的測(cè)量在2012年7月24日到2012年12月24日近半年的時(shí)間內(nèi),分別在供冷季、過(guò)渡季、采暖季各自選取一周的時(shí)間對(duì)商場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量,測(cè)量?jī)?nèi)容包括建筑室內(nèi)、外溫度,制冷機(jī)的冷凍水及冷卻水進(jìn)、出口水溫度等。2.1夏季和夏季溫度分布對(duì)商場(chǎng)建筑內(nèi)全空氣空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)不同區(qū)域的溫度狀態(tài)進(jìn)行了逐時(shí)測(cè)量,測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖1所示。由于夏季測(cè)試結(jié)果比其他季節(jié)結(jié)果明顯,故選取夏季測(cè)試為例,從圖2顯示中發(fā)現(xiàn),該商場(chǎng)內(nèi)的溫度分布有較明顯的差異。除了一層和七層外,其余各層的溫度平均值基本保持在設(shè)計(jì)值26℃左右。一層溫度也比較高,是由于一層門沒(méi)有設(shè)置空氣幕導(dǎo)致了室外熱空氣進(jìn)入室內(nèi),故一層溫度比較高。七層是商場(chǎng)的餐廳,人流量大,廚灶設(shè)備散熱量也比較大,故該層所測(cè)溫度就明顯較高。2.2實(shí)驗(yàn)期間冷卻水的供、回水強(qiáng)度和水水溫度度圖3和圖4分別給出了2012年7月24日至7月30日測(cè)試期間該商場(chǎng)1號(hào)制冷機(jī)組的冷凍水和冷卻水進(jìn)出口溫度逐時(shí)曲線。從圖3可以看出,商場(chǎng)1號(hào)冷機(jī)冷凍水實(shí)際平均供、回水溫度為10.8℃和14.1℃,實(shí)際供水溫度高于設(shè)定值7/12℃。實(shí)際的平均供、回水溫差為3.3℃小于設(shè)定的供、回水溫差5℃。從圖4中可以看出測(cè)試期間商場(chǎng)1號(hào)冷機(jī)冷卻水實(shí)際供水溫度基本保持在29℃左右,回水溫度保持在32℃左右,冷卻水實(shí)際供回水溫度均低于設(shè)定值32/37℃。在測(cè)試期間商場(chǎng)冷卻水實(shí)際的平均供、回水溫差為3℃小于設(shè)定的供、回水溫差5℃。測(cè)試期間冷機(jī)冷凍水、冷卻水供回水溫差大部分時(shí)間在3℃左右,說(shuō)明制冷機(jī)大部分時(shí)間處于低效運(yùn)行。3空調(diào)系統(tǒng)能耗模擬分析本文采用EnergyPlus第三方軟件DesignBuilder進(jìn)行建模并對(duì)建筑的空調(diào)系統(tǒng)能耗進(jìn)行模擬分析,通過(guò)模擬結(jié)果最后提出了節(jié)能措施。3.1圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)運(yùn)用DesignBuilder對(duì)該商場(chǎng)建筑進(jìn)行建模,根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙所提供的信息設(shè)置圍護(hù)結(jié)構(gòu)尺寸并輸入材料的詳細(xì)信息。表1是圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)詳細(xì)信息。由于該建筑是1998年設(shè)計(jì)的,所以外墻和屋面均未采用保溫層,導(dǎo)致傳熱系數(shù)超出節(jié)能規(guī)范的規(guī)定值。3.2全年能耗模擬值對(duì)比氣象參數(shù)采用的是EnergyPlus官方網(wǎng)站提供的,和實(shí)際的天氣狀況存有差異;因此,實(shí)際測(cè)量的結(jié)果與模擬結(jié)果有一定的出入。圖5和圖6分別給出了商場(chǎng)冷機(jī)、風(fēng)機(jī)與泵全年實(shí)際耗電量與模擬耗電量結(jié)果的對(duì)比,圖7給出了全年能耗模擬值與實(shí)際值對(duì)比。從圖5可以看出,冷機(jī)每月耗電量的模擬值與實(shí)測(cè)值變化趨勢(shì)基本吻合。在空調(diào)運(yùn)行期間,模擬與實(shí)際冷機(jī)耗電高峰值均出現(xiàn)在七月份。從圖6可以看出,商場(chǎng)空調(diào)系統(tǒng)中風(fēng)機(jī)與泵全年的模擬耗電量與實(shí)際耗電量的變化趨勢(shì)也基本一致。模擬值比實(shí)際值稍大一些,這是由于模擬時(shí)風(fēng)機(jī)與泵的運(yùn)行時(shí)間是提前設(shè)置好,每天運(yùn)行時(shí)間是固定的,而實(shí)際中風(fēng)機(jī)與泵的運(yùn)行時(shí)間是根據(jù)天氣情況變化的,有可能會(huì)提前關(guān)閉或者只開(kāi)部分。而從圖7看出商場(chǎng)模擬全年能耗與實(shí)際全年能耗也很接近,基于以上三幅圖的對(duì)比分析,說(shuō)明運(yùn)用DesignBuilder所建立的模型與實(shí)際的建筑相接近,認(rèn)為EnergyPlus模擬計(jì)算的結(jié)果可以代替實(shí)際值。3.3空調(diào)期冷負(fù)荷率通過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn),此商場(chǎng)每年空調(diào)供冷實(shí)際運(yùn)行7個(gè)月,總共214天。每天運(yùn)行的時(shí)間是10:00~21:00,所以全年空調(diào)期運(yùn)行的時(shí)間為2354小時(shí)。圖8就是使用軟件模擬空調(diào)期2354小時(shí)的逐時(shí)冷負(fù)荷。從圖中可以看出,過(guò)渡季節(jié)其冷負(fù)荷大部分時(shí)間較小,空調(diào)系統(tǒng)可以采用全新風(fēng)運(yùn)行。5~9月這幾個(gè)月中,其中5月和6月還有9月的冷負(fù)荷在4000~6000kW之間,而7月和8月的冷負(fù)荷處于8000~10000kW,主要由于西安市最熱月在7~8月這兩個(gè)月,所以負(fù)荷在這兩個(gè)月明顯高于其他幾個(gè)月的,在極端情況下冷負(fù)荷在10000kW以上,但是所占的比例很小,這說(shuō)明了空調(diào)系統(tǒng)在大部分時(shí)間內(nèi)是處于部分負(fù)荷運(yùn)行的?？照{(diào)期冷負(fù)荷率是指空調(diào)期內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)某一時(shí)刻冷負(fù)荷與系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行峰值冷負(fù)荷的比值,對(duì)于指導(dǎo)冷源系統(tǒng)的選擇、運(yùn)行自控方案的確定、全年的能耗分析與經(jīng)濟(jì)分析等具有重要價(jià)值。圖9為空調(diào)期冷負(fù)荷率分布圖。從圖中分析得到建筑的負(fù)荷多數(shù)時(shí)間在最大冷負(fù)荷的1%~50%之間,共1489個(gè)小時(shí);而以最大冷負(fù)荷的90%~100%運(yùn)行的時(shí)間只22個(gè)小時(shí),這說(shuō)明空調(diào)機(jī)組大部分時(shí)間是在部分負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行的。因此,如果能夠采用合理的運(yùn)行方式和先進(jìn)的控制系統(tǒng),就可以有效地減少空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行的能耗。4能耗方面的節(jié)能空間通過(guò)對(duì)商場(chǎng)空調(diào)能耗模擬分析發(fā)現(xiàn),商場(chǎng)空調(diào)系統(tǒng)在能耗方面的節(jié)能空間比較大。根據(jù)模擬結(jié)果提出了以下幾種節(jié)能措施并對(duì)其節(jié)能效果進(jìn)行了模擬分析。4.1回水水質(zhì)造成的能耗在制冷量不變的情況下,冷凍水供回水溫差減小,使冷凍水的流量增大,導(dǎo)致水泵的能耗增大。實(shí)際測(cè)量時(shí)發(fā)現(xiàn),商場(chǎng)冷凍水的供回水溫差小于設(shè)定值。運(yùn)用軟件模擬不同的冷凍水供回水溫差設(shè)定值下空調(diào)系統(tǒng)的能耗情況,其中供水溫度設(shè)定為7℃,不同冷凍水供回水溫差能耗模擬結(jié)果如表2所示。4.3夜間通風(fēng)技術(shù)的節(jié)能5冷凍水供回水高差的影響本文通過(guò)對(duì)西安市某大型商場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試并利用能耗模擬軟件對(duì)該商場(chǎng)的空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行能耗模擬研究,得到如下結(jié)論:1)由測(cè)試得知,該商場(chǎng)中各樓層存在著溫度分布不均勻現(xiàn)象。隨著樓層升高,每層的室內(nèi)溫度也升高。2)通過(guò)模擬軟件計(jì)算,得到該商場(chǎng)夏季空調(diào)設(shè)計(jì)負(fù)荷只有11480kW,而原來(lái)設(shè)計(jì)通過(guò)冷指標(biāo)估算得到的負(fù)荷近16100kW,造成設(shè)備選型嚴(yán)重偏大,使得制冷機(jī)冷凍水供回水溫差大部分時(shí)間在3~4℃之間,制冷機(jī)低效運(yùn)行。3)由模擬結(jié)果得出利用冷凍水供回水大溫差進(jìn)行節(jié)能,只有在冷凍水泵的能耗減少大于冷凍機(jī)能耗的增加時(shí),其節(jié)能才有實(shí)際意義。4)采用變頻技術(shù)可以達(dá)到較好的節(jié)能效果。采用水泵變頻后冷機(jī)的年耗電量約減少6.83萬(wàn)kWh,而水泵的年耗電量減少達(dá)60.16萬(wàn)kWh。采用風(fēng)機(jī)變頻后冷機(jī)年耗電量約減少34.12萬(wàn)kWh,風(fēng)機(jī)的年耗電量減少7.38kWh。5)通過(guò)采用夜間通風(fēng)技術(shù)延遲人工制冷開(kāi)啟時(shí)間共80h?？照{(diào)期共節(jié)省電量44000kWh,節(jié)能率約為3.1%。與其它的節(jié)能措施相比,夜間通風(fēng)不需要對(duì)原有系統(tǒng)進(jìn)行任何修改和投資任何費(fèi)用,只要通過(guò)簡(jiǎn)單的措施控制新風(fēng)機(jī)組的啟停即可實(shí)現(xiàn)。從表2可以看出隨著冷凍水供回水溫差的增大,空調(diào)系統(tǒng)總能耗是逐漸減小的;當(dāng)冷水溫差達(dá)到8℃時(shí),總能耗為347.87萬(wàn)kWh,比5℃時(shí)減少9.16萬(wàn)kWh,節(jié)能2.57%;當(dāng)溫差減小為3℃時(shí),空調(diào)系統(tǒng)總能耗升高到391.78萬(wàn)kWh,能耗增加9.73%。但是從表中同樣可得出結(jié)論,當(dāng)溫差小于5℃時(shí),冷機(jī)的能耗隨著冷水供回水溫差增大而減小,當(dāng)溫差大于5℃時(shí),冷機(jī)的能耗隨著冷水供回水溫差增大而增大。對(duì)于水泵在不同冷凍水供回水溫差下,其耗能量是隨著冷凍水供回水溫差的增大而減小的。分析空調(diào)系統(tǒng)各設(shè)備能耗產(chǎn)生上述變化的主要原因是:冷凍水供回水溫差增大導(dǎo)致冷機(jī)的蒸發(fā)溫度升高,壓縮比減小,從而使冷機(jī)的能耗降低。冷凍水溫差增大,在制冷量不變的情況下,所需的冷凍水的流量減小,從而使水泵的功率減小,那么水泵的耗電量自然也就下降。4.2空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用變風(fēng)量的模擬研究由于空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷受室外天氣隨時(shí)變化,但是在空調(diào)設(shè)計(jì)、設(shè)備選擇通常都是按照最不利工況進(jìn)行的,而空調(diào)系統(tǒng)在部分負(fù)荷下工作占絕大部分時(shí)間,其中空調(diào)機(jī)組在75%設(shè)計(jì)負(fù)荷以下運(yùn)行的時(shí)間占到了全部運(yùn)行時(shí)間的97.5%,這就導(dǎo)致了空調(diào)系統(tǒng)絕大多數(shù)時(shí)間按照大流量小溫差的方式運(yùn)行。目前在我國(guó)廣泛采用的是定流量系統(tǒng),盡管對(duì)此采取了多臺(tái)水泵并聯(lián)運(yùn)行,采用臺(tái)數(shù)調(diào)節(jié)的方式,但這種方式的調(diào)節(jié)范圍非常有限,節(jié)能效果自然也不是最好。比較科學(xué)的做法是采用變頻調(diào)速技術(shù),它是一項(xiàng)成熟高效節(jié)能的新技術(shù),將變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用到空調(diào)行業(yè),可以使系統(tǒng)的調(diào)節(jié)手段更為先進(jìn)高效,在很大的程度上消除了能量的浪費(fèi)。通過(guò)對(duì)水泵與風(fēng)機(jī)使用變頻進(jìn)行模擬,從模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn),采用變頻后冷機(jī)的年耗電量約減少6.83萬(wàn)kWh,而水泵的年耗電量減少達(dá)60.16萬(wàn)kWh,可以看出水泵采用變頻技術(shù)對(duì)于水泵的節(jié)能的潛力很大。風(fēng)機(jī)采用變頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)變風(fēng)量同樣也能達(dá)到節(jié)能效果。風(fēng)機(jī)變頻后冷機(jī)年耗電量約減少34.12萬(wàn)kWh,風(fēng)機(jī)的年耗電量減少7.38kWh。西安地區(qū)屬于寒冷地區(qū),夏季室外最高溫度高,空調(diào)運(yùn)行期長(zhǎng),夏季夜間溫度較低,溫度不超過(guò)25℃。亓?xí)粤盏热私Y(jié)合我國(guó)各地區(qū)夏季的氣象條件引入CCP(“ClimaticCoolingPotential”)的概念,分析了夜間通風(fēng)在北方地區(qū)辦公建