尚如楠 周智勇 周宏豪
(昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院,昆明 650500)
《中國建筑節(jié)能年度發(fā)展報告(2020年)》指出,2018年全國公共建筑的總運(yùn)行能耗為3.83億tce,占建筑總運(yùn)行能耗的38.3%[1]。據(jù)統(tǒng)計,國家機(jī)關(guān)辦公建筑和大型公共建筑單位面積年耗電量達(dá)70~300 kW·h,為普通居民住宅的10~20倍[2-3],占全國城鎮(zhèn)總耗電量的22%,公共建筑運(yùn)行能耗占建筑運(yùn)行能耗的很大一部分[4]。
俞泓霞[5]調(diào)研分析了上海7個機(jī)關(guān)辦公建筑的建筑能耗,對改造前期建筑的節(jié)能潛力進(jìn)行充分的分析和評價,在此基礎(chǔ)上提出了有針對性的節(jié)能改造方案,但并未定量優(yōu)化分析改造方案;李井會等[6]分析了國內(nèi)外節(jié)能量的核定方法,給出了建筑用能設(shè)備節(jié)能量核定的思路;張博等[7]以機(jī)關(guān)辦公中心為例,采用能源審計和能耗數(shù)據(jù)分析,發(fā)掘機(jī)關(guān)辦公中心節(jié)能潛力并提出相應(yīng)節(jié)能措施;羅春燕[8]研究了深圳167個不同類型公共建筑的節(jié)能改造項目,發(fā)現(xiàn)不同類型建筑存在用能差異,需要在節(jié)能潛力分析診斷的基礎(chǔ)上提出的解決方案才科學(xué)可靠。
以上研究人員主要從建筑能耗的相關(guān)影響因素展開研究,提出了不同的措施,但未對改造措施進(jìn)行優(yōu)化。本文以云南省溫和地區(qū)某機(jī)關(guān)會議中心建筑為案例,對擬改造建筑的節(jié)能措施進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化分析,最后得出最優(yōu)改造方案和實際能耗,以期為預(yù)測公共建筑的使用過程的能耗提供參考。
本文選取云南省溫和地區(qū)某機(jī)關(guān)會議中心作為項目案例進(jìn)行節(jié)能潛力分析。改造項目的總建筑面積為33 900.51 m2,實際改造面積為14 160.3 m2。工作時間為8:00—18:00,晚上和周末偶有會議或公共活動,年均工作日約為250 d。
研究案例用能系統(tǒng)包括照明系統(tǒng)、采暖空調(diào)系統(tǒng)、電開水器、辦公設(shè)備、動力系統(tǒng)、功放設(shè)備和其他設(shè)備。消耗能源僅有電能,無天然氣、人工煤氣、柴油、外供蒸汽(熱水)等其他能源供應(yīng)和消耗。市政供水壓力可以滿足建筑供水需要,因此無加壓供水系統(tǒng)。中水系統(tǒng)為區(qū)域供水,所用水泵耗電由該地機(jī)關(guān)事務(wù)管理局統(tǒng)籌,未計入本項目建筑的電耗。
根據(jù)《民用建筑能耗標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 51161—2016),機(jī)關(guān)辦公建筑非供暖能耗指標(biāo)約束值為60 kW·h/(m2·a),引導(dǎo)值為45 kW·h/(m2·a)[9]。根據(jù)該案例逐月能耗統(tǒng)計數(shù)值,經(jīng)計算其單位面積電耗值高于標(biāo)準(zhǔn)要求,如表1所示。說明隨著該機(jī)關(guān)會議中心人員對于舒適性和功能性要求的提高,機(jī)關(guān)會議中心的設(shè)施得到不斷完善,引起能耗強(qiáng)度增加,因此該建筑具有一定的節(jié)能潛力,有必要通過采取措施降低能耗。
表1 能耗調(diào)查結(jié)果
改造前后設(shè)備能耗可根據(jù)銘牌參數(shù)計算,能耗計算式為:
式中,E為能耗,kW·h;n為改造前(后)設(shè)備類型個數(shù);Pk為第k種設(shè)備改造前(后)銘牌功率,kW·h;tk為第k種設(shè)備改造前(后)運(yùn)行時間,h;rk為第k種設(shè)備改造前(后)使用時間修正系數(shù)。
節(jié)能量計算式為:
式中,E為能耗;EQ為基準(zhǔn)能耗;EH為改造后能耗;△E為能耗修正量;單位均為kW·h。
節(jié)能率計算式為:
選取該會議中心改造前即2020年的能耗進(jìn)行分析,該機(jī)關(guān)會議中心內(nèi)部各系統(tǒng)無獨(dú)立計量電表,故無法得到各系統(tǒng)準(zhǔn)確耗電量,經(jīng)式(1)計算可得2020年各系統(tǒng)的耗電量和比例。經(jīng)測算,采暖空調(diào)能耗、照明能耗和電開水器能耗占總用電量的75%,如表2所示,該建筑主要耗電系統(tǒng)是照明、電開水器和采暖空調(diào)。筆者現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn),目標(biāo)建筑所用照明、電開水器、采暖空調(diào)設(shè)備多為高能耗老舊設(shè)備,節(jié)能潛力巨大。
表2 2020年各系統(tǒng)耗電量情況及比例
根據(jù)該機(jī)關(guān)會議中心的建筑能耗潛力分析,可以快速提出適合該案例建筑的節(jié)能措施,指導(dǎo)節(jié)能工作的開展。
1)照明系統(tǒng)。現(xiàn)場測試發(fā)現(xiàn),80%的會議室、走廊的照度不滿足規(guī)范要求,燈具功率較大,使用頻率極高??赏ㄟ^更換高效的LED節(jié)能燈具,在降低能耗的同時,使房間照度滿足規(guī)范要求和使用需求。
2)采暖空調(diào)系統(tǒng)。云南省溫和地區(qū)在全年大部分時間中,通過開啟外窗即可滿足室內(nèi)環(huán)境需要,但會議中心人流量大、空間大且使用頻率高,因此需要設(shè)置空調(diào)?,F(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn),會議室使用冷暖風(fēng)機(jī)以供暖和制冷,存在效率低和舒適性差的問題,應(yīng)將冷暖風(fēng)機(jī)替換成能效高的空調(diào)柜機(jī),從而降低能耗。
3)電開水器。現(xiàn)有電開水器能耗偏高,無自動控制功能,建議替換為滿足使用需求的較低能耗且配備步進(jìn)式系統(tǒng)的熱水設(shè)備。
4)辦公設(shè)備。現(xiàn)場使用電力監(jiān)測儀檢測設(shè)備待機(jī)狀態(tài)下實時功率數(shù)據(jù),計算機(jī)主機(jī)待機(jī)的能耗為2~6 W·h,顯示器待機(jī)能耗為0.6~4 W·h,其他辦公設(shè)備的能耗為0.5~10.5 W·h。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研,辦公設(shè)備總計76臺,年工作日為250 d,每天設(shè)備待機(jī)時間為16 h,全年待機(jī)能耗約為1 285.92 kW·h,建議安裝智能插座。
5)動力設(shè)備。經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)研記錄,動力設(shè)備含扶梯和直梯,實際每日平均開啟時長為9 h,10臺動力設(shè)備的平均功率為2.6 kW·h,按全年250 d工作日計,年能耗為58 698.84 kW·h。若按會議需要,每日動力設(shè)備開啟的時間可縮短為8.5 h,年能耗可降低3 261.1 kW·h。建議通過更換可調(diào)頻的電機(jī),實現(xiàn)對電梯的調(diào)壓調(diào)頻。
6)功放設(shè)備。經(jīng)調(diào)研,功放設(shè)備全年使用率不高,暫不考慮更換。在保障設(shè)備性能良好、資金充足的情況下,也可更換為更節(jié)能的功放設(shè)備。
7)其他設(shè)備??紤]到使用需要較低,暫不考慮更換。
通過設(shè)置優(yōu)化條件,應(yīng)用Matlab軟件進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化可得到最優(yōu)改造方案,并與實際改造后結(jié)果進(jìn)行誤差對比分析及驗證。
3.2.1 優(yōu)化參數(shù)設(shè)置
經(jīng)現(xiàn)場調(diào)研,得到照明區(qū)域最大改造面積、各分項系統(tǒng)可改造的上限數(shù)量、費(fèi)用等,如表3、表4所示。案例項目預(yù)算為93萬元。
表3 照明設(shè)備的數(shù)量、費(fèi)用、改造面積
表4 設(shè)備的數(shù)量、費(fèi)用、改造面積(除照明以外)
3.2.2 優(yōu)化結(jié)果
基于上述分析計算,運(yùn)用Matlab軟件對本次節(jié)能改造措施進(jìn)行優(yōu)化,結(jié)果如表5所示。
表5 優(yōu)化結(jié)果
式中,x1為更換空調(diào)的臺數(shù);x2為更換熱水器的臺數(shù);x3為實際照明改造面積,m2;x4為更換辦公設(shè)備臺數(shù);x5為動力設(shè)備加裝變頻器的臺數(shù)。邊界條件為0≤x1≤7,0≤x2≤8,0≤x3≤14 160.3,0≤x4≤76,0≤x5≤10。
優(yōu)化后得到,理論上該會議中心需更換7臺空調(diào)、8臺熱水器以及改造照明區(qū)域3 343 m2,改造后年節(jié)能量為120 500 kW·h。
在提出優(yōu)化措施后,現(xiàn)場實際施工以所提措施為指導(dǎo)進(jìn)行建筑改造。
1)照明系統(tǒng)?!豆步ㄖ?jié)能改造技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定,公共建筑節(jié)能改造過程中需根據(jù)建筑環(huán)境和室內(nèi)照度要求,選擇高效的節(jié)能燈具,以降低室內(nèi)用電能耗[10]。將現(xiàn)有的緊湊型熒光燈的筒燈、細(xì)管型熒光燈和采用金屬鹵化物燈的射燈全部替換成LED燈,共計更換燈具3 468套,更換后單臺設(shè)備功率可降低10~52 W,因燈具種類繁多,不再單獨(dú)列出。
2)采暖空調(diào)系統(tǒng)。將現(xiàn)有的冷暖風(fēng)機(jī)替換成高能效的空調(diào)柜機(jī)。采暖空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備更換清單如表6所示。
表6 采暖空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備更換清單
3)電開水器。將現(xiàn)有能耗偏高且無自動控制系統(tǒng)的電開水器更換為滿足使用需求的較低能耗且配備步進(jìn)式系統(tǒng)的熱水設(shè)備。電開水器更換清單如表7所示。
表7 電開水器更換清單
4)辦公設(shè)備和動力設(shè)備??芍丶訌?qiáng)行為節(jié)能,當(dāng)設(shè)備長時間不用時,應(yīng)及時關(guān)閉相關(guān)設(shè)備。減少人為因素造成的不合理用能,有助于降低建筑運(yùn)行成本,提高用電設(shè)備使用周期[11]。
5)建立電力分項計量系統(tǒng),對目標(biāo)建筑運(yùn)行過程中的分項用能情況進(jìn)行記錄。
選取目標(biāo)建筑改造后即2021年的能耗進(jìn)行分析。根據(jù)分項計量儀器數(shù)據(jù)記錄和式(1)—式(3),可計算得到改造前后的能耗、節(jié)能量、節(jié)能率,如表8所示??梢姽?jié)能改造效果明顯,改造后筑單位面積電耗為57kW·h/(m2·a),低于約束值60kW·h/(m2·a),符合《民用建筑能耗標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定。
根據(jù)3.2.2節(jié)數(shù)據(jù)優(yōu)化,理論上目標(biāo)建筑改造后的節(jié)能量為120 500 kW·h/a,節(jié)能率為13.25%。根據(jù)表8,實際上該會議中心改造后的節(jié)能量為122 574.50 kW·h/a,節(jié)能率為13.15%。誤差為1.69%,誤差較小,改造后的節(jié)能效果與預(yù)期改造效果基本相符。
表8 分項能耗、節(jié)能量和節(jié)能率
1)通過對云南省溫和地區(qū)某機(jī)關(guān)會議中心建筑節(jié)能改造前后能耗的計算分析得出,該項目針對能耗占比較大的耗能系統(tǒng)采取節(jié)能措施后,建筑單位面積電耗可降低至57 kW·h/(m2·a)。
2)在目標(biāo)建筑整個運(yùn)行過程中,照明、空調(diào)、電開水器能耗合計占比約為75%,若能在進(jìn)行此類會議中心建筑的節(jié)能改造中重點(diǎn)關(guān)注此3項能耗并實施有力的節(jié)能措施,則可以有效減少設(shè)備運(yùn)行過程中的能耗。
3)既有建筑的節(jié)能改造屬于不可逆過程,本項目在實施改造前采用數(shù)學(xué)工具對案例建筑的改造措施進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化,從擬改造建筑能耗預(yù)測出發(fā),尋求最優(yōu)方案,進(jìn)而對案例建筑進(jìn)行節(jié)能改造,使改造方案更加科學(xué)合理。
4)在下一步研究中,建議增加不同類型公共建筑的相關(guān)數(shù)據(jù),使分析更為全面。