劉賢崇,張志剛,李文博,張 偉
(天津城市建設(shè)學(xué)院 能源與機(jī)械工程系,天津 300384)
目前我國(guó)城鎮(zhèn)建筑消耗的能源占全國(guó)商品能源的 25%~28%(不包括建筑材料制造用能及建筑施工過(guò)程耗能),并且該比值仍保持上升趨勢(shì),預(yù)計(jì)最終將接近發(fā)達(dá)國(guó)家水平[1].在 440億 m2的既有大型公共建筑中,絕大部分是高能耗建筑,有的建筑即使采取了一些節(jié)能措施也無(wú)法評(píng)價(jià)其節(jié)能效益.為此,筆者應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)法及能耗軟件建模法,對(duì)天津市某大型公建能耗做了復(fù)核計(jì)算和能耗指標(biāo)對(duì)比,并對(duì)該建筑提出了相關(guān)的節(jié)能建議.
天津市某公共建筑2008年8月開(kāi)發(fā)建設(shè),總建筑面積為191 690 m2,分A,B兩區(qū).A區(qū)為酒店式公寓,地上 30層,地下 2層,總建筑面積為 92 990 m2,建筑高度為 99.95 m.B區(qū)為辦公綜合樓,地上 26層,地下 2層,總建筑面積為 98 700 m2,建筑高度為99.50 m.
該建筑的用能設(shè)備系統(tǒng)包括中央空調(diào)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、動(dòng)力設(shè)備(如電梯、水泵、風(fēng)機(jī))等.采用電制冷+市政熱網(wǎng)的空調(diào)方式,設(shè)置離心式冷水機(jī)組3臺(tái),螺桿式冷水機(jī)組 1臺(tái).建筑底商供暖制冷均采用 VRV空調(diào)系統(tǒng),冬季熱源為市政熱網(wǎng)提供的 130/80 ℃熱水,設(shè)置水-水換熱機(jī)組1臺(tái),換熱量4 000 kW.內(nèi)設(shè)板式換熱器 2臺(tái),單臺(tái)換熱量 3 000 kW,相應(yīng)設(shè)置 3臺(tái)循環(huán)水泵(2用 1備),二次側(cè)供回水溫度為 60/50℃.換熱機(jī)組內(nèi)另設(shè)變頻補(bǔ)水泵 2 臺(tái)(1用 1備).制冷站內(nèi)另設(shè)全自動(dòng)軟水器及軟化水箱等附屬設(shè)備.采用新風(fēng)換氣機(jī)對(duì)排風(fēng)進(jìn)行熱回收,且風(fēng)機(jī)采用變頻風(fēng)機(jī).將空調(diào)冷凝水進(jìn)行回收作為冷卻塔補(bǔ)水.另外系統(tǒng)對(duì)空調(diào)末端進(jìn)行計(jì)量控制,以減少能源的浪費(fèi).
通過(guò)實(shí)際勘測(cè),該工程項(xiàng)目建筑功能較多,由于房間內(nèi)人員數(shù)量及各種設(shè)施不同,使得各類(lèi)型房間的冷熱負(fù)荷特性差異較大.餐飲、商場(chǎng)、娛樂(lè)場(chǎng)所人員密度大,照明和各種用電設(shè)備多,人員散熱散濕、照明散熱和設(shè)備散熱等內(nèi)擾因素形成的冷負(fù)荷是構(gòu)成這些類(lèi)型房間冷負(fù)荷的主要部分;普通辦公室和會(huì)議室人員少,照明和用電設(shè)備也較少,房間冷負(fù)荷主要由外擾因素形成.在冬季,人員散熱、照明散熱和設(shè)備散熱則成為房間的有利因素,餐飲、商場(chǎng)、娛樂(lè)場(chǎng)所冷風(fēng)滲透耗熱量和冷風(fēng)侵入耗熱量較大,其主要原因是由人員出入頻繁造成的.
根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)規(guī)范及經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行校核、補(bǔ)充后,采用標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)法對(duì)建筑年總能耗及單位面積年綜合能耗情況進(jìn)行了復(fù)核.
(1)制冷機(jī)組耗電量采用溫頻法(BIN法)計(jì)算[2],根據(jù)天津地區(qū)典型年的氣象資料,以 2 ℃溫差為一個(gè)溫頻段得到天津地區(qū)的 BIN氣象參數(shù).不同室外溫度下的建筑空調(diào)冷負(fù)荷由諧波法計(jì)算確定,其中空調(diào)機(jī)組運(yùn)行時(shí)間,人員、照明、電器密度等依據(jù)《天津市公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》DB29—153—2005附錄 B的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)選取.設(shè)定夏季制冷機(jī)組供回水溫度為7/12 ℃,當(dāng)室外溫度高于 25 ℃時(shí)開(kāi)始供冷,制冷機(jī)組不同負(fù)荷率下的性能系數(shù)按機(jī)組樣本確定.機(jī)組耗電量如表1所示.
表1 冷水機(jī)組耗電量復(fù)核計(jì)算
(2)照明、電器、動(dòng)力設(shè)備耗電量
年耗電量=安裝電量×使用系數(shù)×日運(yùn)行時(shí)間×運(yùn)行天數(shù)×負(fù)荷系數(shù).
安裝電量=建筑面積×照明/設(shè)備功率密度.
各不同用電設(shè)備的功率密度、同時(shí)使用系數(shù)、日運(yùn)行時(shí)間、運(yùn)行天數(shù)及負(fù)荷系數(shù)等參數(shù)的選取及計(jì)算詳見(jiàn)表2及其附注說(shuō)明.
(3)冬季采暖耗熱量和天然氣消耗量采用常規(guī)算法[3],建筑綜合能耗復(fù)核計(jì)算結(jié)果匯總?cè)绫?所示.
表2 綜合能耗復(fù)核計(jì)算匯總
由表1-2可知,經(jīng)折標(biāo)后該建筑年綜合能耗約為6 094.99 tce/a,單位建筑面積年綜合能耗約為31.80 kgce/m2(含地下面積),與該建筑實(shí)際單位面積年綜合能耗折標(biāo) 38.59 kgce/m2(含地下面積)相比存在一定的差異.其能源具體消耗情況如圖1所示.
由圖1可知,該建筑中天然氣能耗和制冷能耗所占比例較小,電力消耗中照明耗能最多,達(dá)到了 30%,其次為電器設(shè)備和動(dòng)力設(shè)備.冬季采暖熱力消耗折標(biāo)后大體與動(dòng)力設(shè)備全年耗能持平.
圖1 建筑復(fù)核計(jì)算能耗分配
采用能耗軟件建模法對(duì)建筑能耗情況進(jìn)行復(fù)核計(jì)算,由于天然氣消耗量較少,且與復(fù)核計(jì)算結(jié)果無(wú)較大差距,故可不用考慮.其軟件建模法復(fù)核結(jié)果如表3所示.
表3 建筑全年能耗匯總
建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)情況及與建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比如表4所示.
由表4可知,該建筑體形系數(shù)及維護(hù)結(jié)構(gòu)保溫方面完全達(dá)到了建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的要求,但辦公類(lèi)建筑窗墻比偏大,尤其是西向窗墻比達(dá)到了 0.76,超出了節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定值.
通過(guò)建筑能耗復(fù)核計(jì)算,現(xiàn)將建筑能耗與能耗復(fù)核計(jì)算結(jié)果(包括標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)法和軟件建模法復(fù)核計(jì)算結(jié)果)進(jìn)行對(duì)比,以顯示3組指標(biāo)之間的差異,詳細(xì)對(duì)比情況如圖2所示.
表4 建筑基本信息及與節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比
圖2 建筑各能耗指標(biāo)對(duì)比
由圖2可以看出:①建筑的照明和采暖能耗計(jì)算結(jié)果相對(duì)于復(fù)核計(jì)算的結(jié)果明顯偏大,這是由于該建筑主要為寫(xiě)字樓和商業(yè)用樓,因此在設(shè)計(jì)時(shí)選取的建筑照明功率密度和采暖耗熱量指標(biāo)偏大.冬季建筑內(nèi)溫度明顯高于設(shè)計(jì)溫度主要是未考慮人員、設(shè)備和燈光的散熱.該建筑的制冷、電器設(shè)備、動(dòng)力設(shè)備耗電量及天然氣消耗量與復(fù)核計(jì)算結(jié)果相差不大,可知與此相關(guān)的節(jié)能措施均按照現(xiàn)行國(guó)家及地方相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范制定,在經(jīng)濟(jì)技術(shù)上是可行的;②燈光電器設(shè)備能耗在建筑總能耗中所占比例較大,對(duì)比軟件建模法的計(jì)算結(jié)果,建筑燈光電器設(shè)備能耗具有很大的節(jié)能空間.另外采用軟件建模法,各項(xiàng)目的計(jì)算結(jié)果均為最小值.這是因?yàn)榻S?jì)算結(jié)果是在室內(nèi)、外標(biāo)準(zhǔn)溫度下及照明、電器、新風(fēng)等都為標(biāo)準(zhǔn)情況下模擬出的最佳能耗結(jié)果,對(duì)比建筑能耗現(xiàn)狀可知:常規(guī)建筑設(shè)計(jì)中仍有用能浪費(fèi)的現(xiàn)象.因此,建議該類(lèi)建筑在施工設(shè)計(jì)過(guò)程中,可采用類(lèi)似的軟件建模的計(jì)算方法,這將有助于最佳節(jié)能方案的制定.
該建筑內(nèi)大部分燈具通常全天開(kāi)啟,沒(méi)有或很少利用自然光,而該建筑的節(jié)能主要在于空調(diào)系統(tǒng)和照明的節(jié)能,照明和設(shè)備用電在很大程度上又和建筑使用者的節(jié)能意識(shí)有關(guān),因此可采用智能照明控制系統(tǒng),將公共場(chǎng)所照明按白天、晚上、周末、清掃、安全等使用條件設(shè)計(jì)為多種開(kāi)關(guān)模式[5],以滿足節(jié)能及管理的要求.根據(jù)不同的使用場(chǎng)合采用綠色、節(jié)能、高效、環(huán)保和使用壽命長(zhǎng)的燈具,如:我國(guó)“綠色照明”工程所推薦的節(jié)能型熒光燈就是一種高效照明燈具,在相同的亮度下,其耗電量是白熾燈的 25%,是普通熒光燈的 85%,其中 T5型燈具為三基色、細(xì)管徑、直管型、高頻率、高光效的節(jié)能燈,較傳統(tǒng) T8型節(jié)能燈具可節(jié)能 30%.另外還可選用變頻電梯等節(jié)能設(shè)備,配置變頻調(diào)速系統(tǒng)的電梯較普通電梯可節(jié)能 30%[6].
(1)該新建大型公共建筑在建筑體形系數(shù)及維護(hù)結(jié)構(gòu)保溫方面完全達(dá)到了建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的要求,但辦公類(lèi)建筑窗墻比偏大,超出了節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定值.其在建筑節(jié)能和終端用能產(chǎn)品節(jié)能上,均符合國(guó)家及地方現(xiàn)行節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)終端用能產(chǎn)品的能效標(biāo)準(zhǔn)的要求.
(2)該建筑節(jié)能效果屬國(guó)內(nèi)同行業(yè)先進(jìn)水平,其空調(diào)冷凝水的回收、全熱轉(zhuǎn)輪換熱機(jī)組的使用以及中水水源的回用,均體現(xiàn)了循環(huán)經(jīng)濟(jì)的理念.但該建筑的照明功率密度和采暖耗熱量指標(biāo)明顯偏大,可通過(guò)相關(guān)節(jié)能措施及加強(qiáng)運(yùn)行管理,提倡行為節(jié)能來(lái)減小照明能耗和采暖耗熱量指標(biāo).
(3)采用標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)法的計(jì)算結(jié)果和建筑實(shí)際能耗相差較小,有較強(qiáng)的可比性,但其無(wú)法反應(yīng)建筑能耗的動(dòng)態(tài)變化;采用軟件建模的計(jì)算結(jié)果,各項(xiàng)目的能耗值均為最小值,對(duì)比建筑能耗現(xiàn)狀可知常規(guī)建筑設(shè)計(jì)、管理中仍有用能浪費(fèi)的現(xiàn)象.能耗模擬軟件能夠極大地方便科學(xué)研究和工程實(shí)踐,但其畢竟只是對(duì)實(shí)際情況的近似和模擬,對(duì)一些隨機(jī)情況和不可預(yù)料的影響因素不能全面考慮.積極探索更加合理的計(jì)算模型和模擬方法對(duì)大型公共建筑的能耗分析意義重大.
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