杜曉通,李 靖,王存東

(1.山東大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院,濟(jì)南 250061;2.中鐵置業(yè)青島公司,山東青島 266071)

建筑物公共區(qū)域能量有效性確定

杜曉通1,李 靖1,王存東2

(1.山東大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院,濟(jì)南 250061;2.中鐵置業(yè)青島公司,山東青島 266071)

公共建筑中公共區(qū)域人流量變化很大,能量的需求也應(yīng)隨著人流量的變化而變化。但傳統(tǒng)模式下能量輸出卻很少考慮人流量的變化,這就造成了部分能量無效。如何評價能量有效性,以減少能量浪費是建筑節(jié)能需要研究的問題。提出了能量利用效率概念,用于判斷人對能量的利用程度,給出了能量利用效率的計算方法。在某醫(yī)院公共候診區(qū)進(jìn)行了工程實驗,對比實驗前后的能耗狀況發(fā)現(xiàn),能量利用效率能夠評估能量有效性的狀況,以提高能量利用效率為控制目標(biāo),可以較大幅度提高建筑物公共區(qū)域能效。

建筑物;能量利用效率;能效;公共區(qū)域

2006年中國建筑總面積395億m2,機(jī)關(guān)辦公樓和大型公共建筑年耗電量約占中國城鎮(zhèn)總耗電量的22%,年人均能耗是城鎮(zhèn)居民的10～20倍[1-4]。雖然大型公共建筑中的人均能耗應(yīng)該高于城鎮(zhèn)居民的能耗,但是如此大的差距表明公共建筑的能量使用不夠合理,存在著明顯的能量浪費現(xiàn)象。建筑物中中央空調(diào)的能耗約占總能耗的60%,照明約占20%[5-7],因此建筑節(jié)能的關(guān)鍵在于空調(diào)的節(jié)能。建筑物中人流量變化大的地方主要在公共區(qū)域,比如走廊、門廳、會議室等,辦公室、實驗室、值班室等場所的人員變化并不大[15]。人員相對穩(wěn)定區(qū)域的能耗主要與個人的用能習(xí)慣有關(guān),這部分區(qū)域節(jié)能的關(guān)鍵在于加強(qiáng)管理,形成良好的用能習(xí)慣實現(xiàn)節(jié)能。對于人流量變化比較大的公共區(qū)域若僅通過提高溫度控制精度等傳統(tǒng)控制方法,雖然能夠減少部分能耗,但是當(dāng)無人或人流量減少時,從能量為人所用的角度看依然存在能量浪費[8-14]。而要減少浪費的能量,首先必須確定哪些能量是被浪費的,只有確定了浪費的能量多少,才能研究能量效率討論節(jié)能的效果。既然建筑物的能量是為人提供舒適環(huán)境的,如果以人是否使用了能量為標(biāo)準(zhǔn),判斷能量的有效性,那么就可以區(qū)分建筑物中那些能量是有效的,那些能量是被浪費的。如果把浪費的能量檢測出來,通過控制手段減少甚至完全消除能量浪費現(xiàn)象,不僅可以大大降低建筑能耗,而且在對大量運行數(shù)據(jù)分析和信息提取基礎(chǔ)上,還可進(jìn)一步獲得不同類型建筑的合理基準(zhǔn)能耗,為優(yōu)化建筑能耗的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 能量有效性的判定

1.1 能量有效性的判定依據(jù)

要評價建筑物能量的有效性,首先要明確何為合理(有效)能耗。建筑物消耗能量的目的是為人提供舒適的環(huán)境,環(huán)境舒適度主要是通過溫、濕度來表現(xiàn),由于目前在絕大多數(shù)建筑物中沒有針對濕度的調(diào)節(jié)系統(tǒng),因此暫用溫度作為舒適度的指標(biāo)。若將某個溫度值T0作為設(shè)定的舒適度,達(dá)到設(shè)定溫度消耗的能量可視為合理能耗,而將無人時開機(jī),夏季溫度設(shè)定過低,冬季溫度設(shè)定過高等情況輸出的部分能量視為無效能耗。由于人對舒適度的要求不同,在確定的條件下,夏季設(shè)定溫度高于,冬季設(shè)定溫度低于T0時所需要的能量都可以視為有效能耗。

若根據(jù)建筑物中能量輸出是否有效評價能量使用的合理性,那么有效能量占總能耗的比率可以定義為：

系統(tǒng)總能耗比較容易獲得,因此問題的關(guān)鍵是合理能耗的計算。既然合理能耗與人有關(guān),就必須要建立人與能量的聯(lián)系。為了建立這種關(guān)聯(lián),利用感知傳感器對人員的活動狀況進(jìn)行檢測。

為了簡化問題的分析,先以夏季為例進(jìn)行討論。由于人的浪費行為很多,主要的浪費行為可分為3種情況：無人不關(guān)機(jī)時的能耗,溫度過低時的能耗ET,門窗大開時的浪費的能耗ED,總能耗減去浪費能耗即為合理能耗?？蓪⑹?重新寫為：S

其中：μ為環(huán)境溫度每降低一度所浪費的能耗,據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)統(tǒng)計,夏季環(huán)境溫度每高一度約減少10%能耗[8]。為空調(diào)系統(tǒng)的功率,為設(shè)定溫度,TN為實時溫度,為紅外感知次數(shù)。由于沒有其它的探測手段,很難直接判斷出是否是處于開窗狀態(tài),因此利用溫度的變化率間接判斷[15]。即設(shè)室內(nèi)溫度正常變化率為△t0,若在一個采樣周期內(nèi)室內(nèi)溫度升高變化率大于△t0,且室溫大于設(shè)定溫度,則視為開門窗狀態(tài),則式5中為滿足上述條件的總和。

將式(3)、(4)、(5)代入式(2),將約去,從而得到易于計算的有效能量占總能耗的比率-能量利用效率如式(7)所示。

因為研究能量有效性的主要目的是為了找到浪費能量的方法,沒有能量浪費的狀況暫不進(jìn)行討論,所以式6沒有考慮環(huán)境溫度高于設(shè)定溫度時能耗更為節(jié)省的情況。

1.2 能量有效性的工程驗證

為了驗證能量有效性分析的正確性,對某醫(yī)院的公共區(qū)域的空調(diào)系統(tǒng)運行和人流變化狀況進(jìn)行了檢測,對空調(diào)的運行進(jìn)行了控制。該區(qū)域是醫(yī)院的放療樓候診區(qū),面積約270m2。除了幾個分診護(hù)士位置固定外,人員流動十分頻繁。控制系統(tǒng)以5 min為單位記錄紅外感知數(shù)據(jù)以及溫度情況,并對風(fēng)機(jī)盤管進(jìn)行控制?？刂撇呗詾椋喝?5min內(nèi)檢測到控制區(qū)域無人則停機(jī);溫度低于設(shè)定值后停機(jī)。整個區(qū)域共有15個風(fēng)機(jī)盤管,設(shè)置了10套檢測和控制設(shè)備,即10個控制區(qū)域,其分布位置如圖1所示。

圖1 放療區(qū)結(jié)構(gòu)及控制器安裝分布示意圖

該控制系統(tǒng)的組成如圖2所示。主要由能量管理服務(wù)器(Serve Device,以下簡稱SD)、能量檢測控制器(Control Device,以下簡稱CD)以及末端能量檢測傳感器組成。系統(tǒng)工作時由CD控制各種末端傳感器節(jié)點采集房間末端的溫度和感知數(shù)據(jù),根據(jù)檢測溫度和感知數(shù)據(jù)的變化控制風(fēng)機(jī)的開關(guān),傳感器檢測數(shù)據(jù)和開關(guān)動作通過SD上傳至管理中心,由管理中心軟件存入數(shù)據(jù)庫并對各控制器的能量有效性進(jìn)行分析。

圖2 控制系統(tǒng)構(gòu)架圖

2 能量有效性分析

為使結(jié)論更有代表性,選取了上班時間內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。測試時間為7月18日至7月30日,上午7：30到下午17：30。由于建筑布局的緣故,其中3個控制器所處區(qū)域很少有人通過,因此只對其中7個有人流變化的控制器的數(shù)據(jù)進(jìn)行討論。

2.1 系統(tǒng)的工作數(shù)據(jù)

對選取的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計的結(jié)果見表1。其中t(NH=0)為感知信號為零的采樣次數(shù),即區(qū)域內(nèi)無人狀態(tài)。關(guān)機(jī)時間是指滿足關(guān)機(jī)條件后關(guān)閉風(fēng)機(jī)盤管的時間,比例是指2個時間段分別占總工作時間的百分比。由表1中可以看出：

1)平均無人的時間為58.53%。即在工作時間

內(nèi),大約有60%的時間是無人的。

2)控制器停機(jī)時間為39.84%,按照當(dāng)前簡單的控制策略,可以使空調(diào)在約40%的時間內(nèi)不工作。

表1 控制器控制數(shù)據(jù)統(tǒng)計

由上面的數(shù)據(jù)可以看出,不同控制器檢測到得人流量和控制輸出變化很大。這表明在一個較大空間,人流量和密度變化很大,且局域環(huán)境也不相同,因此可以對局域分別進(jìn)行節(jié)能控制,通過提高局域能效,達(dá)到提高整體能效的目的。

從上述分析可以看出,醫(yī)院候診區(qū)僅關(guān)機(jī)時間就約占總工作時間的40%,說明至少可以減少40%的能耗輸出。由于要檢測到無人15 min后才關(guān)機(jī),且沒有考慮設(shè)定溫度的影響,因此40%并不能完全反應(yīng)出能量浪費的情況,也不能說明能量的有效性是60%。

2.2 能量有效性分析

風(fēng)機(jī)盤管通常有3個風(fēng)扇運行檔位,其功率變化不大,再考慮到公共區(qū)域每天人為換擋的檔位的幾率不高,為便于分析問題,下文假定風(fēng)機(jī)盤管的風(fēng)機(jī)工作在同一個檔位,風(fēng)機(jī)功率不變。

7個控制器返回的數(shù)據(jù)中,CD5的關(guān)機(jī)時間處于中間狀態(tài),因此先選取CD5控制器的工作數(shù)據(jù),討論CD5對應(yīng)風(fēng)機(jī)盤管能量輸出的有效性。

為了便于在圖中顯示的更為清晰,風(fēng)機(jī)盤管的開關(guān)機(jī)狀態(tài)用高低電平表示,圖3中控制曲線為低時,表示風(fēng)機(jī)盤管關(guān)機(jī)。由于控制區(qū)域為公共區(qū)域,可以不考慮ED的浪費。由圖3可以看出,能量的浪費主要表現(xiàn)在無人開機(jī)和溫度設(shè)定過低上。取μ為10%,由數(shù)據(jù)我們可以看到由于溫度絕大多少時間都在26℃以上,低溫設(shè)定浪費的很少,若把無人時所有輸出的能量都認(rèn)為是無效的,其能量利用效率為：

通過理論計算出的能量利用效率只是反應(yīng)了建筑物公共區(qū)域的節(jié)能潛力,并不是真正的節(jié)能效果,就本文討論的控制方式看,實際節(jié)能比例可簡單用關(guān)機(jī)節(jié)約的效率與無控制系統(tǒng)時的能耗之比來表示。即：

再對控制器2進(jìn)行同樣的計算,其能量利用效率為：

通過對上述2個控制器數(shù)據(jù)的分析,可以看出當(dāng)把人流量作為控制能量輸出的參數(shù)時,能量輸出隨人流量的增加而增加,能量利用效率也隨之增加?；倔w現(xiàn)了“按需供能”特點,完全按人需要輸出的能量就是建筑物的基準(zhǔn)能耗。

對系統(tǒng)整體分析后,可以得到此候診區(qū)平均能量利用效率僅為41.5%,實施停機(jī)控制之后的平均能量利用效率為68.9%,提高了近30%。

2.3 提高能量利用效率的措施

實施的控制策略非常簡單,但即使在檢測到無人后15min簡單關(guān)閉風(fēng)機(jī)盤管的條件下,還能得到40%左右的節(jié)能效果。一方面表明大型公共建筑公共區(qū)域能量浪費嚴(yán)重,另一方面也說明通過優(yōu)化控制策略還能獲得更好的節(jié)能效果。既然能量利用效率能夠反應(yīng)能量的有效性,因此以提高能量利用效率為優(yōu)化目標(biāo)的控制策略就可以進(jìn)一步減少建筑物能耗。

通過對運行數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)許多情況下感知數(shù)值都比較低,如圖4所示。就停機(jī)時間比較短的CD7 14 d感知數(shù)據(jù)統(tǒng)計,感知次數(shù)在2(含2次)的情況占85.14%,也就是說絕多數(shù)情況下,人們只是經(jīng)過控制區(qū)域,而沒有駐留。若利用感知對時間的變化率代替感知數(shù)值,則可以區(qū)分出人是經(jīng)過還駐留某個區(qū)域,對于只是經(jīng)過的情況就可以再減少部分能量輸出,所以通過優(yōu)化開機(jī)的感知條件,還可以增加停機(jī)時間,提高能量利用效率,進(jìn)一步降低能耗。

另外,由于目前的控制策略是在控制區(qū)域內(nèi)持續(xù)檢測到15 min無人時才停機(jī),雖然這樣可以更大限度保證了環(huán)境舒適度,但是能量浪費同樣也非常大,且在很多檢測到有人的時段,感知的數(shù)值也很小,所以減少開機(jī)設(shè)定時間,增加停機(jī)時間,優(yōu)化停機(jī)的設(shè)定條件也可以提高能量利用效率,進(jìn)一步降低建筑物能耗。

圖4 CD7感知數(shù)據(jù)與控制輸出

3 結(jié) 語

建筑物特別是公共大型建筑物能耗偏高其中一個很重要的原因就是建筑物中能量浪費嚴(yán)重,傳統(tǒng)的判斷能量是否被有效利用的標(biāo)準(zhǔn)主要通過溫度高低來確定。但是能量是為人服務(wù)的,因此判斷能量是否有效應(yīng)該從人是否利用的角度去討論。給出了一種判斷建筑物能量有效性的標(biāo)準(zhǔn)和計算方法,并在具有典型意義的建筑物公共區(qū)域進(jìn)行工程驗證,通過數(shù)據(jù)分析可以得出以下結(jié)論。

1)提出的能量利用效率能夠反應(yīng)建筑物中能量浪費的狀況。

2)根據(jù)能量有效性的判斷依據(jù),對能量輸出進(jìn)行控制,在未明顯降低舒適度的前提下,可顯著提高公共區(qū)域的能量利用效率,降低能耗。

3)主要提出了能量有效性的評價標(biāo)準(zhǔn),并沒有過多研究節(jié)能控制策略,所以實際工程實驗主要是為了驗證能量利用效率的正確性。雖然工程實驗是在醫(yī)院候診區(qū)進(jìn)行的,但對于其它公共建筑的公共區(qū)域節(jié)能也有很好的參考價值。

4)能量利用效率并未過多考慮人對環(huán)境舒適度的感受,因此還需要進(jìn)一步研究環(huán)境舒適度對能量利用效率的影響。

[1] http：//finance[EB/OL].sina.com.cn/china/dfjj/ 04484359789.shtm l.

[2] http：//xmecc[EB/OL].smexm.gov.cn/2008-1/20081394155.htm

[3] http：//www.qsjournal.com.cn[EB/OL]/qs/ 20081001/GB/qs?488?0?7.htm

[4]中華人民共和國統(tǒng)計局.2007年中國統(tǒng)計年鑒[M].北京：中國統(tǒng)計出版社,2007

[5]譚志宣.飯店節(jié)能技術(shù)及應(yīng)用實例[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社環(huán)境能源出版中心,2006.

[6]蔡文劍,賈磊,王雷,等.建筑節(jié)能技術(shù)與工程基礎(chǔ)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2008.

[7]American Society of H eating,Refrigeration and Air Conditioning Engineers,Inc.ASHRAE Standard (1999)：Energy Standard for Buildings Excep t Low-Rise Residential Buildings[S].http：//www. ashrae.org

[8]黃翔.空調(diào)工程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2006

[9]ZHAO JING,ZHU NENG,WU YONG.Technology line and case analysis of heat metering and energy efficiency retrofit of existing residential buildings in Northern heating areas of China[J].Energy Policy, 2009,37(6)：2106-2112.

[10]LEEWEN-SH ING,LEEKUEI-PENG.Benchmarking the performance of building energy management using data envelopment analysis[J].App lied Thermal Engineering,2009,29(16)：3269-3273.

[11]WEI ZHEN-TAO,ZMEUREANU.Radu exergy analysis of variable air volume systems for an office building[J].Energy Conversion and Management, 2009,50(2)：387-392.

[12]ANASTASELOS DIMITRIS1,GIAMA EFROSINI1. Papadopou los Agis MAn assessment tool for the energy,economic and environmental evaluation of thermal insu lation solutions[J].Energy and Buildings,2009,41(11)：1165-1171.

[13]FUMO N,MAGO P J,CHAMRA L M.Cooling heating,and power energy performance for system feasibility Proceedings of the institution of mechanical engineers,part A[J]：Journal of Power and Energy, 2008,222(4)：347-354.

[14]JUDKOFF RON.Increasing building energy efficiency through advances in materials[J].MRS Bulletin, 2008,33(4)：449-454.

[15]X IAO TONG,DU XIAO-MEI,QI CUN-DONG. Determ ination of effec tive energy in buildings[C]// IEEE ICAL2009 August 5-7,2009 Shenyang,IEEE Catalog：CFP09CAL：56-61

(編輯 胡 玲)

Effectiveness of Energy use in Pub lic Area of Buildings

DUXiao-tong1,LIJing1,WANGCun-dong2

(1.Schoo l of Contro l Science and Engineering,Shandong University,Jinan,China 250061; 2.China Railw ay Real Estate CO.,LTD Qingdao Company,Qingdao,China 266071)

The flow of people changes very greatly in the public areas of public buildings,so the energy demand should also change with the flow of peop le.However,under the traditionalmodel,the pedestrian flow is rarely considered when accounting energy output,w hich causes some of the energy invalid.How to assess the energy efficiency to reduce energy waste is an emergent problem to be solved for building energy conservation.The concept ofenergy utilization efficiency is put forward to judge the degree of utilization of energy,and the formu la for calcu lating energy utilization efficiency is also p rovided.In a hospital pub lic waiting area,a lot ofexperimentshave been carried out.By comparing the energy consumption before and after the experiments,it is found that energy utilization efficiency can assess the effectiveness of energy. And to improve the energy efficiency of buildings greatly in public areas can be realized by promoting the energy utilization efficiency.

Buildings;Energy Use Effectiveness;Energy Efficiency;Pub lic A rea

TU111.195

B

1674-4764(2011)02-0092-05

2010-10-05

國際合作重點項目資助(2008DFA 11620);山東省科技攻關(guān)資助(2008GG 10007021)

杜曉通(1968-),男,副教授,主要從事建筑節(jié)能、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究,(E-mail)lw jdms@sdu.edu.cn。