公共建筑節(jié)能改造節(jié)能量修正計算方法

摘要：

針對當前公共建筑節(jié)能改造節(jié)能量確定方法尚不完善的現(xiàn)狀，提出了一種新的節(jié)能量修正計算方法，即以改造前建筑為基準的節(jié)能量修正模型，包括4個修正系數(shù)和3個計算式，4個修正系數(shù)分別為氣象修正系數(shù)、室內(nèi)熱環(huán)境修正系數(shù)、內(nèi)部負荷修正系數(shù)和運行時間修正系數(shù)，3個計算式為采暖節(jié)能量計算、空調(diào)節(jié)能量計算和總節(jié)能量計算。以天津市某大型辦公建筑節(jié)能改造項目為例，采用節(jié)能量修正模型，得到修正節(jié)能量，此節(jié)能量保證了比較條件的一致性。通過比較修正節(jié)能量與改造前后能耗直接相減的節(jié)能量，修正節(jié)能量計算方法引起10.23%的節(jié)能量差別，從而證明了修正的必要性。通過與模擬軟件計算結(jié)果的對比，差別為3.03%，在10%的可接受范圍內(nèi)，驗證了該節(jié)能量修正計算方法的準確性。

關鍵詞：

公共建筑；節(jié)能改造；節(jié)能量；修正模型

中圖分類號：

TU111.19

文獻標志碼：A

文章編號：1674-4764（2014）05-0081-08

An Energy Conservation Correction Method for Energy Efficiency Retrofit of Public Buildings

Zhu Neng， Wang Zhaoxia， Zhao Jing

（School of Environmental Science and Engineering， Tianjin University， Tianjin 300072， P.R.China）

Abstract：

There exists imperfections of the methods for energy conservation verification of the energy efficiency retrofit projects. A new energy conservation verification method was developed by creating energy conversion correction model and four correction coefficients and three calculation formulas were involved， The four correction coefficients were outdoor weather correction coefficient， indoor environmental correction coefficient， internal load correction coefficient and performance period correction coefficient. The three calculation formulas were heating energy conversion calculation， air-conditioning energy conversion calculation and total energy conversion calculation. The energy conversion correction model was adopted to analysis the energy conservation of an office building located in Tianjin to demonstrate the reliability of the correction model and the feasibility of the verification method， and the corrected energy conversion based on consistent conditions before and after retrofit was obtained. 10.23% difference between the corrected energy conversion and the direct energy conversion exists indicating that the correction energy conversion is necessary. The energy conservation difference of 3.03% the calculation result of energy simulation software verified the accuracy of the new verification method.

Key words：

public buildings； energy efficiency retrofit； energy conversion； correction model

近年來，節(jié)能改造作為降低建筑能耗的有效手段被廣泛實施^[1]，改造完成后，需對改造項目進行節(jié)能量的核定。國際通用的節(jié)能量檢測與驗證標準有《國際性能節(jié)能效果的測量與驗證協(xié)議》（IPMVP）^[2]、Measurement Verification for Federal Energy Projects （MV）^[3]和ASHRAE Guideline14-2002^[4]。這些方法依賴于主觀評價，被認為不準確^[5]。在中國，節(jié)能量為改造前后能耗直接相減^[6]。事實上，改造前后建筑所處條件不同，缺乏可比性。目前常見處理方法有兩種：一是增加調(diào)整項^[7]，調(diào)整量通過建立回歸模型得出 [8]，而回歸模型的準確性取決于數(shù)據(jù)的完善程度；另一種方法是動態(tài)能耗模擬軟件^[9]，通過設置使改造前后建筑處于相同的內(nèi)外部條件下^[10]。但模型建筑需要根據(jù)實際情況設定，許多參數(shù)（如人員密度、設備工作時間等）的獲得需要經(jīng)過長時間的大量調(diào)研，且實際情況的隨機性很強^[11]，軟件模擬值的真實性受限。改造建筑很多時，模擬工作量大時間長，因此模擬軟件更適合單棟建筑節(jié)能改造的設計，不適合大規(guī)模改造建筑節(jié)能量確定。綜上，需要提出更準確、更實用的節(jié)能量計算方法。

筆者通過總結(jié)建筑能耗的影響因素，提出了一種節(jié)能量修正計算方法，使改造前后的建筑處于相同條件下，并以天津市某大型辦公建筑為例，論證了該方法的可行性和科學性。

1 節(jié)能量修正計算方法

1.1 能耗修正系數(shù)

隨著建筑能耗的增加，國內(nèi)外學者對建筑能耗影響因素進行了不懈研究。這些影響因素可以歸納為表1所示的5個方面，這5個方面的可改造程度及可改造項對建筑能耗的影響程度見表1。

從表1可以看出，節(jié)能改造項目主要針對圍護結(jié)構、采暖空調(diào)系統(tǒng)及運行管理進行改造。改造完成后要進行節(jié)能量的核定，當前通用的節(jié)能量計算方法為改造前后能耗相減。實際節(jié)能效果除了與改造前后的實際能耗數(shù)據(jù)直接相關以外，還與外部氣象條件、室內(nèi)熱環(huán)境、室內(nèi)人員及設備使用情況、運行管理狀況等因素密切相關，由于改造前后情況的不同，使得改造前后的能耗沒有處于相同的比較條件下。

采用修正系數(shù)的方法，以改造前某年的實際情況為基準，對改造后的能耗進行修正，具體包括以下4個修正系數(shù)：氣象修正系數(shù)、室內(nèi)熱環(huán)境修正系數(shù)、內(nèi)部負荷修正系數(shù)和運行時間修正系數(shù)。

在4個修正系數(shù)中，氣象修正系數(shù)是外界環(huán)境決定的，室內(nèi)熱環(huán)境修正系數(shù)是由改造后建筑的熱物理性質(zhì)和系統(tǒng)運行狀況等決定的，這些屬于物理因素。內(nèi)部負荷修正系數(shù)和運行時間修正系數(shù)由使用者的需求決定，屬于人為因素。對于物理因素，不是人力能夠改變的，因此必須進行修正。對于人為因素，雖然是由使用者決定的，但建筑是為人服務的，建筑能耗的產(chǎn)生也是由于使用者需求，因此，當實際使用情況改變時，也必須進行修正。

1.1.1 氣象修正 建筑能耗可以分為兩個部分：一部分是室內(nèi)照明、辦公設備等的使用，這部分能耗由室內(nèi)人員需求決定；另一部分是用于去除室內(nèi)外溫濕度不同引起的熱濕傳遞，這部分能耗與室外氣象條件相關。由于改造前后所處的年份不同，氣象條件不同，因此需要對其進行修正。

國際通用的采暖空調(diào)能耗估算方法包括度日數(shù)法、溫頻法等^[16]，這些方法都基于一種假設，即采暖空調(diào)系統(tǒng)能耗與室外溫度成線性關系。筆者采用中國節(jié)能設計標準中定義的采暖度日數(shù)（HDD）^[17]和空調(diào)度日數(shù)（CDD）^[18]對氣象條件進行修正。定義氣象修正系數(shù)ηw：

采暖度日數(shù)以18 ℃為界限，對于采暖能耗.

2 實例研究

2.1 建筑概況

以天津市某大型辦公建筑的節(jié)能改造項目為例來分析節(jié)能量修正計算方法。該建筑是純商務辦公寫字樓，建于1997年，建筑面積約6.0萬m2，建筑總高度約為115 m，地下2層，地上29層。該建筑冬季熱源由市政外網(wǎng)提供，經(jīng)地下層及17層換熱機組換成60～50 ℃熱水供高低區(qū)空調(diào)系統(tǒng)冬季使用?？照{(diào)系統(tǒng)為冷水機組采用美國原裝DUNHAM-BUSH冷水機組，共3臺，總額定制冷量為5 300 kW。水系統(tǒng)采用兩管制，共設置7臺冷凍水泵，總揚程為229.6 mH2O，流量為2 268 m3/h，共設置5臺冷卻水泵，總揚程為160 mH2O，流量為1 620 m3/h。高區(qū)系統(tǒng)經(jīng)設備層3臺換熱器換熱，3臺55 kW的變頻水泵為換熱器二次側(cè)提供動力。室內(nèi)末端為風機盤管系統(tǒng)。

該建筑于2008年10月進行節(jié)能改造。根據(jù)2007年的能耗帳單，該建筑改造前單位面積耗電量為75.82 kWh/（m2·a），其中以暖通空調(diào)（HVAC）系統(tǒng)能耗占的比例最大，單位面積耗電量為49.68 kWh/（m2·a），占總耗電量的65.52%。因此將節(jié)能診斷重點放在采暖空調(diào)系統(tǒng)上。通過節(jié)能診斷，發(fā)現(xiàn)該建筑能耗偏高的主要問題出現(xiàn)在水泵方面，因而改造時更換全部水泵，并安裝變頻裝置，機組臺數(shù)調(diào)節(jié)和水泵變頻調(diào)節(jié)相結(jié)合。

節(jié)能改造完成后第一年的暖通空調(diào)系統(tǒng)運行能耗為1 151 024.60 kWh，直接計算節(jié)能量為1 829 507.40 kWh，節(jié)能率為61.38%。2008—2009年采暖季的供熱能耗采為340 512.30 kWh，直接計算的節(jié)能量為481 567.64 kWh，節(jié)能率為58.58%。2009年空調(diào)季的空調(diào)能耗為810 512.30 kWh，直接計算的節(jié)能量為1 347 939.96 kWh，節(jié)能率為62.45%（表2）。

2.2 修正節(jié)能量計算

2.2.1 氣象修正系數(shù) 根據(jù)2007—2009共3 a的實測逐時室外干球溫度，在2007年11月15日至2008年3月15日之間，室外日平均溫度低于18 ℃的天數(shù)為119 d，采暖度日數(shù)為2 662.475 ℃·d。同樣的方法得到2008—2009年采暖季的采暖度日數(shù)為2 712.925 ℃·d，則采暖氣象修正系數(shù)為

通過計算發(fā)現(xiàn)，由修正模型計算出的節(jié)能量比直接計算的節(jié)能量小，且總能耗差別在10%以上，是不容忽視的，說明節(jié)能量計算時，通過修正的方法來消除改造前后比較條件的不同是十分必要的。

2.3.2 方法驗證 為說明節(jié)能量修正模型的準確性和可信度，需對其進行驗證。中國現(xiàn)行的《節(jié)能量測量和驗證技術通則》（GB/T 28750-2012）^[21]中提出了3種節(jié)能量測量、計算和驗證方法，分別為“基期能耗影響因素”模型法、直接比較法和模擬軟件法。筆者提出的節(jié)能量修正模型與“基期能耗影響因素”模型法思想基本一致，且上文已經(jīng)論證了直接比較法的不科學性，因此用軟件模擬法分別對其進行驗證。

由于案例建筑主要通過改換水泵并增加變頻裝置，因此選用TRNSYS進行模擬。TRNSYS的全稱為Transient System Simulation Program，即瞬時系統(tǒng)模擬程序，該系統(tǒng)的最大的特色在于其模塊化的分析方式，只要調(diào)用實現(xiàn)特定功能的模塊，給定輸入條件，這些模塊程序就可以對某種特定熱傳輸現(xiàn)象進行模擬，最后匯總就可對整個系統(tǒng)進行瞬時模擬分析，特別適合用于系統(tǒng)的動態(tài)能耗模擬。首先根據(jù)建筑基本信息進行建模，室內(nèi)環(huán)境參數(shù)為設計情況下的參數(shù)，外部氣象條件通過實測室外溫濕度，利用氣象模塊、太陽輻射模塊、焓濕圖模塊和有效溫度模塊得到天空有效溫度以及不同朝向和水平面上的太陽輻射強度，并將上述氣象參數(shù)導入建筑模塊，從而建立冷熱負荷計算模型。由于改造后加裝了變頻裝置，因此需要編寫變頻水泵模型，模型輸入?yún)?shù)為管網(wǎng)特性曲線、廠家提供的水泵工頻下的H-Q曲線、η-Q曲線和水泵實際運行頻率，輸出參數(shù)為水泵瞬時輸入功率^[22]。從而建立改造前后建筑采暖空調(diào)能耗計算模型。

為驗證提出的節(jié)能量修正計算模型的可信度，分別對改造后的建筑模型在實際情況下和修正情況下進行模擬，模擬結(jié)果見表3。假設系統(tǒng)最優(yōu)化運行，輸入2008-2009年采暖季和2009年空調(diào)季的氣象參數(shù)、人員、照明、設備等的實際使用情況和系統(tǒng)運行時間，得到改造前后實際情況下的模擬能耗分別為3 095 637.60kWh（合51.59 kWh/m2）和1 076 244.48 kWh（合17.99 kWh/m2），與實測能耗差異分別為3.86%和6.24%，差別在10%以內(nèi)，即可認為模型可靠^[3]。將2008-2009年采暖季和2009年空調(diào)季的氣象參數(shù)改為2007-2008年采暖季和2008年空調(diào)季的氣象參數(shù)，將改造后的運行時間改變?yōu)楦脑烨暗倪\行時間，由于改造前后內(nèi)部負荷基本沒有變化，從而得到修正氣象條件、內(nèi)部負荷和運行時間后的采暖空調(diào)系統(tǒng)能耗為1 501 534.69 kWh（合26.61 kWh/m2），模擬修正節(jié)能量為1 594 102.91 kWh（合26.57 kWh/m2），其中采暖和空調(diào)系統(tǒng)單位面積節(jié)能量分別為6.92 kWh/m2，19.65 kWh/m2，見表3。與提出的節(jié)能量計算方法計算得到的總節(jié)能量差別為3.03%，采暖和空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能量差別分別為3.72%和5.41%，均在10%以內(nèi)，從而驗證了提出的節(jié)能量修正計算方法是準確的。

從表3還可以看出，采用模擬軟件法得到的模擬計算修正節(jié)能量與直接計算節(jié)能量有12.87%的差別，其中采暖系統(tǒng)為13.76%，空調(diào)系統(tǒng)為12.55%，再次說明，改造前后內(nèi)外部條件不同引起的節(jié)能量的差別是不可忽視的，計算節(jié)能量時，需將建筑放在相同的內(nèi)外部條件下。

利用軟件模擬的方法得到的節(jié)能量，無法消除室內(nèi)熱環(huán)境變化引起的能耗差別。從上述計算過程可以看出，兩種方法的共同點在于，若要結(jié)果真實可靠，在計算前都需要進行調(diào)研和測試，獲得建筑基本信息、使用情況、能耗狀況等數(shù)據(jù)，不同之處在于，提出的節(jié)能量修正計算模型是根據(jù)公式直接計算的，而軟件模擬法需要進行建模、模型有效性驗證等復雜的過程。綜上所述，所提出的節(jié)能量修正計算模型不僅保證了準確性，而且應用方便，若要進行大量建筑的節(jié)能量修正計算，可以提高效率，節(jié)省大量人力物力。

值得注意的是，節(jié)能量修正模型是以改造前的建筑為基準，對改造后的能耗數(shù)據(jù)進行修正。事實上，為了達到將改造前后的建筑放在相同的比較條件下的目的，也可以以改造后的建筑為基準，對改造前的建筑能耗進行修正。但是兩種修正方法得到的修正節(jié)能量是不同的，所以一定要統(tǒng)一規(guī)定基準建筑。對于沒有改造前能耗數(shù)據(jù)的建筑，《公共建筑節(jié)能設計標準》 （GB 50189-2005）中提供了基準建筑，即以20世紀80年代改革開放初期的公共建筑為比較基準^[19]。因此，筆者認為節(jié)能量的計算應該是向前比較，即以改造前的建筑為基準，對改造后的建筑能耗進行修正。

3 結(jié) 論

通過分析公共建筑節(jié)能改造項目及能耗影響因素，提出了一種新的節(jié)能量修正計算方法，即節(jié)能量修正模型，包括4個修正系數(shù)和3個計算式，4個修正系數(shù)分別為氣象修正系數(shù)、室內(nèi)熱環(huán)境修正系數(shù)、內(nèi)部負荷修正系數(shù)和運行時間修正系數(shù)，3個計算式為采暖節(jié)能量計算、空調(diào)節(jié)能量計算和總節(jié)能量計算。以天津市某大型辦公建筑為例，通過節(jié)能量的計算說明了該修正模型的適用性，并驗證了方法的可靠性。根據(jù)以上分析，得出如下結(jié)論：

1）能耗修正系數(shù)是根據(jù)改造前后建筑所處的內(nèi)外部條件的不同提出的，通過修正可以消除比較前后所處條件不一致而帶來的節(jié)能量的誤差。由于采暖和空調(diào)系統(tǒng)不同的特點，需要分別對采暖和空調(diào)系統(tǒng)能耗進行修正。同時，在使用修正模型時，一定要先確定基準能耗，建議采用改造前能耗為基準。

2）在案例建筑中，修正采暖節(jié)能量比改造前后采暖能耗直接相減的節(jié)能量小16.97%，修正空調(diào)節(jié)能量比改造前后空調(diào)能耗直接相減的節(jié)能量小7.82%，修正總能耗比改造前后總能耗直接相減的節(jié)能量小10.23%，可見修正引起的節(jié)能量的差異顯著的，改造前后不同的內(nèi)外部條件引起的節(jié)能量差異不可忽視。因此，對節(jié)能量進行氣象、室內(nèi)熱環(huán)境、內(nèi)部負荷和運行時間的修正十分必要。

3）通過與軟件模擬法進行比較，能量修正計算方法與軟件動態(tài)模擬結(jié)果相差3.03%（小于10%），說明提出的節(jié)能量修正計算方法是可信的，將該方法用于計算大量建筑的節(jié)能量時，可在保證準確性的同時提高效率。參考文獻：

[1]

Zhao J， Zhu N， Wu Y. 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： 2106-2112.

[2]International Performance Measurement and Verification Protocol Committee. International performance measurement and verification protocol （IPMVP） [M]. 2002.

[3]U.S. Department of Energy Office of Energy Efficiency and Renewable Energy. DOE/GO-102000-0960 M V Guidelines： Measurement and Verification for Federal Energy Projects [S]. 2.2 ed. 2000.

[4]ASHRAE Standards Committee. ASHRAE Guideline 14-2002 Measurement of Energy and Demand Savings [S]. 2002

[5]Xia X H， Zhang J F. Mathematical description for the measurement and verification of energy efficiency improvement [J]. Applied Energy， 2013， 111： 247-256.

[6]Ding Y， Tian Z， Zhu N. The retrofit of industrial air-conditioning system on energy efficiency and emission reduction [J]. Energy and Buildings， 2010， 42：955-958.

[7]廖袖鋒，原藝昕，董孟能，等.公共建筑節(jié)能改造節(jié)能量核定思路[J]. 土工建筑與環(huán)境工程，2013，35（S1）：212-214.

Liao X F， Yuan Y X， Dong M N， et al. Study on calculation method of energy savings for public buildings [J]. Journal of Civil， Architectural Environmental Engineering， 2013， 35（S1）： 212-214.

[8]Heo Y， Zavla V. Gaussian process modeling for measurement and verification of building energy savings [J]. Energy and Buildings， 2012， 53： 7-18.

[9]Ke M， Yeha C， Jian J. Analysis of building energy consumption parameters and energy savings measurement and verification by applying eQUEST software [J]. Energy and Buildings， 2013， 61： 100-107.

[10]劉大龍，劉加平，楊柳，等. 氣候變化下建筑能耗模擬氣象數(shù)據(jù)研究[J]. 土工建筑與環(huán)境工程，2012，34（2）： 110-114.

Liu D L， Liu J P， Yang L， et al. Analysis on simulation meteorological data under climate change [J]. Journal of Civil， Architectural Environmental Engineering， 2012，34（2）： 110-114.

[11]Virotea J， Rui N S. Stochastic models for building energy prediction based on occupant behavior assessment [J]. Energy and Buildings， 2012， 53： 183-193.

[12]Zhou S， Zhao J. Optimum combinations of building envelop energy-saving technologies for office buildings in different climatic regions of China [J]. Energy and Buildings， 2013， 57： 103-109.

[13]周思宇. 不同氣候區(qū)圍護結(jié)構節(jié)能技術對辦公建筑能耗的影響[D]. 天津：天津大學， 2012.

[14]Napoleon E， Kunio M. The role of the thermally activated desiccant cooling technologies in the issue of energy and environment [J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews， 2011， 15： 2095-2122.

[15]Geun Y Y， Hyoin K， Jeong T K. Effects of occupancy and lighting use patterns on lighting energy consumption [J]. Energy and Buildings， 2012， 46： 152-158.

[16]Wang Z， Ding Y， Geng G， et al. Analysis of energy efficiency retrofit schemes for heating， ventilating and air-conditioning systems in existing office buildings based on the modified bin method [J]. Energy Conversion and Management， 2014， 77： 233-242.

[17]JGJ 26-95 民用建筑節(jié)能設計標準（采暖居住建筑部分）[S]. 北京：中華人民共和國建設部，1995.

[18]JGJ 134-2010 夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設計標準[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[19]GB 50019-2003 采暖通風與空氣調(diào)節(jié)設計規(guī)范[S]. 北京：中國計劃出版社，2003.

[20]陸耀慶. 實用供熱空調(diào)設計手冊[M]. 2版. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007.

[21]GB/T 28750-2012. 節(jié)能量測量和驗證技術通則[S]. 北京：中國標準出版社，2012.

[22]李峰. 復合能源供熱系統(tǒng)運行控制策略研究[D]. 天津：天津大學. 2012.