上海市某小型辦公建筑冬季采暖能耗監(jiān)測(cè)及分析

陳鵬達(dá) 于航 唐寅 荊博龍 鄭樹(shù)

1同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院

2上海綠羽節(jié)能科技有限公司

《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50189-2015）[1]（以下簡(jiǎn)稱(chēng)《標(biāo)準(zhǔn)》）按照建筑面積將公共建筑分為甲乙兩類(lèi)，其中單棟建筑面積不超過(guò)300 m2的屬于乙類(lèi)建筑，因其數(shù)量較少、對(duì)社會(huì)總能耗的影響較小而導(dǎo)致熱工設(shè)計(jì)要求相對(duì)甲類(lèi)建筑更為寬松。同時(shí)由于獨(dú)棟乙類(lèi)建筑冷熱負(fù)荷較小，在選用冷熱源和空調(diào)系統(tǒng)時(shí)往往優(yōu)先考慮直膨式系統(tǒng)如VRV或獨(dú)立空調(diào)。我國(guó)針對(duì)乙類(lèi)建筑的研究以寒冷地區(qū)為主[2-5]，關(guān)于夏熱冬冷地區(qū)乙類(lèi)建筑的能耗研究較少[6]。美國(guó)將總建筑面積不超過(guò)5000 ft2（約4645 m2）的建筑定義為小型建筑，此類(lèi)小型建筑數(shù)量占美國(guó)建筑總數(shù)的90%而能耗不足美國(guó)總能耗的50%，隨著節(jié)能措施在大型建筑中的推廣和應(yīng)用，小型建筑能耗占比將逐步升高[7]。因此，研究者圍繞小型建筑針對(duì)更高效的單體和集群能耗管理手段，更合理的評(píng)估和指導(dǎo)體系，新能源和可再生能源的應(yīng)用等問(wèn)題進(jìn)行探索[8-11]。為獲取長(zhǎng)江流域乙類(lèi)建筑冬季供暖的實(shí)際需求，評(píng)估節(jié)能改造后的室內(nèi)熱環(huán)境和供暖能耗，本文選取上海市某小型辦公樓開(kāi)展冬季供暖實(shí)證研究。

1 建筑概況及冬季供暖工況模擬

1.1 節(jié)能改造

按照公共建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)對(duì)該小型辦公樓一樓某辦公室進(jìn)行了節(jié)能改造。改造信息見(jiàn)表1。

表1 節(jié)能改造基本信息

1.2 建筑物模型

采用DeST-C進(jìn)行模型構(gòu)建和設(shè)定，改造后的辦公樓建筑及簡(jiǎn)化模型如圖1所示，圖1（b）建筑模型圖中紅色方框標(biāo)示區(qū)域即為圖1（a）中所示的辦公室。該辦公室位于1層，層高3.7 m，面積約13.7 m2，外墻傳熱系數(shù)為0.836 W/(m2·K)。南面外窗面積4.42 m2，西面外窗面積1.53 m2，外窗傳熱系數(shù)為2.5 W/(m2·K)，SHGC為0.40，為防止太陽(yáng)直射，室內(nèi)裝有淺色遮陽(yáng)簾，全年遮蔽半窗。對(duì)建筑進(jìn)行簡(jiǎn)化建模時(shí)，忽略該建筑附近樹(shù)木和圍墻的遮擋，同時(shí)省略二層室外陽(yáng)臺(tái)。

圖1 辦公樓及其簡(jiǎn)化模型

1.3 參數(shù)設(shè)定

按照《標(biāo)準(zhǔn)》附錄B給出的人員，照明，設(shè)備及新風(fēng)的運(yùn)行參數(shù)對(duì)模型進(jìn)行設(shè)定可獲知建筑改造前后的設(shè)計(jì)節(jié)能量預(yù)期，該方法可評(píng)估圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造帶來(lái)的能耗變化。由于缺少該建筑能耗歷史數(shù)據(jù)，故通過(guò)調(diào)研其實(shí)際運(yùn)行情況輸入模型以獲取建筑的運(yùn)行能耗預(yù)期值。

用于評(píng)估設(shè)計(jì)節(jié)能量的建筑模型的室內(nèi)熱擾按照《標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行設(shè)定，用于評(píng)估運(yùn)行節(jié)能量的建筑模型使用調(diào)研所得數(shù)據(jù)：1）辦公室的燈具為節(jié)能燈。2）經(jīng)常使用的辦公用電設(shè)備包括兩臺(tái)臺(tái)式電腦和一臺(tái)打印機(jī)，設(shè)備總功率100 W。3）辦公室最大在室人員數(shù)為2人。4）在冬季開(kāi)空調(diào)時(shí)，辦公人員保持較大的開(kāi)窗面積，無(wú)人在室時(shí)僅開(kāi)啟西向外窗。5）辦公室的人員通常將空調(diào)溫度設(shè)定為24 ℃甚至更高以保證熱舒適。6）人員，照明，設(shè)備作息與實(shí)測(cè)的空調(diào)啟停情況保持一致。對(duì)比如表2所示。

表2 建筑模擬設(shè)定

1.4 建筑熱負(fù)荷監(jiān)測(cè)及模擬

1.4.1 室內(nèi)熱濕環(huán)境和空調(diào)能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

對(duì)建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境和能耗進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目的在于及時(shí)發(fā)現(xiàn)建筑中的異常耗能并給出應(yīng)對(duì)措施，如室內(nèi)熱濕環(huán)境的自動(dòng)調(diào)控，空調(diào)系統(tǒng)及設(shè)備的故障診斷等，同時(shí)，獲取的建筑運(yùn)行參數(shù)能夠?yàn)榻ㄖ芎亩~的科學(xué)規(guī)劃和節(jié)能側(cè)重點(diǎn)提供參考[12-14]。本次選用的監(jiān)測(cè)設(shè)備由中國(guó)建科院提供，基本信息見(jiàn)表3。

表3 智能計(jì)量系統(tǒng)（ESIC-SN03）

設(shè)備安裝位置如圖2所示，其中無(wú)線(xiàn)溫濕度自記儀安裝在房間中央的辦公桌側(cè)面距地面1.0 m高處，智能計(jì)量插座用于計(jì)量空調(diào)的累計(jì)電耗及實(shí)時(shí)功率。采集的溫濕度和電耗數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳監(jiān)測(cè)平臺(tái)，采樣頻率為每分鐘一次，可按需導(dǎo)出數(shù)據(jù)文件進(jìn)行分析。

本次實(shí)測(cè)對(duì)該辦公室冬季（2018年12月1日～2019年3月31日）的空調(diào)電耗和室內(nèi)熱濕環(huán)境進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。其中2018年12月1日～2018年12月31日采用人工抄表法獲取空調(diào)電耗，采樣頻率為12次/h，2019年1月1日后接入云監(jiān)測(cè)平臺(tái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，采樣頻率為1次/min。上海市嘉定區(qū)的氣象參數(shù)從中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)獲取，采樣頻率為1次/h。

圖2 智能監(jiān)測(cè)設(shè)備

1.4.2 建筑熱負(fù)荷模擬

通過(guò)圖3所示平臺(tái)獲取建筑空調(diào)能耗監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，冬季空調(diào)運(yùn)行天數(shù)共51天，共運(yùn)行約275小時(shí)。日運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)最高為10 h，最低約1 h，空調(diào)運(yùn)行時(shí)刻的分布如圖4所示，該辦公室成員主要在上午9-11時(shí)和下午14-17時(shí)使用空調(diào)。

圖3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)平臺(tái)

圖4 冬季空調(diào)運(yùn)行時(shí)刻分布

按照表2設(shè)定的建筑熱負(fù)荷模擬結(jié)果如表4所示。按照《標(biāo)準(zhǔn)》工況，辦公室改造后能夠削減50.9%的累計(jì)熱負(fù)荷，而按照運(yùn)行工況，改造帶來(lái)的累計(jì)熱負(fù)荷削減僅22.8%。由此可見(jiàn)，受間歇用能影響，按照《標(biāo)準(zhǔn)》工況和按運(yùn)行工況估計(jì)的負(fù)荷會(huì)產(chǎn)生較大偏差，故評(píng)估圍護(hù)結(jié)構(gòu)的改造是否節(jié)能時(shí)應(yīng)結(jié)合建筑自身的運(yùn)行特性進(jìn)行復(fù)核，避免因使用習(xí)慣差異導(dǎo)致圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造帶來(lái)的節(jié)能量遠(yuǎn)小于預(yù)期值。

表4 冬季空調(diào)累計(jì)熱負(fù)荷對(duì)比

2 建筑空調(diào)供暖電耗實(shí)測(cè)模擬對(duì)比分析

假定所用的空調(diào)冬季平均能效比為2，如圖5所示，改造前建筑空調(diào)供暖電耗為606.82 kWh，按照運(yùn)行工況，節(jié)能改造后冬季空調(diào)累計(jì)電耗為468.19 kWh，但根據(jù)平臺(tái)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，冬季空調(diào)累計(jì)能耗為306.90 kWh。

圖5 建筑空調(diào)供暖電耗對(duì)比

對(duì)于實(shí)測(cè)值和模擬值產(chǎn)生較大差異的原因分析如下：

a）空調(diào)運(yùn)行期間室內(nèi)溫度模擬值和實(shí)際值存在差異。模擬過(guò)程中假定所用的空調(diào)冬季平均能效比為2，以2019.1.14為例，模擬所得9:00-18:00累計(jì)消除熱負(fù)荷為43.08 kWh，折電耗21.54 kWh，在該段時(shí)間內(nèi)房間溫度穩(wěn)定在24 ℃。如圖6所示，2019.1.14室外平均溫度為7.1 ℃，實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中盡管空調(diào)設(shè)定溫度為24 ℃，但房間溫度并未超過(guò)20 ℃，空調(diào)電耗為13.78 kWh。由于DeST模型中設(shè)定的空調(diào)屬于理想空調(diào)，運(yùn)行時(shí)完全消除室內(nèi)熱負(fù)荷，從而令室溫穩(wěn)定保持在設(shè)計(jì)溫度，但實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，空調(diào)消除的熱負(fù)荷小于模擬值，實(shí)際運(yùn)行電耗也就低于模擬電耗。按照當(dāng)日實(shí)際運(yùn)行溫度對(duì)模型的設(shè)定溫度進(jìn)行調(diào)整后，累計(jì)消除的熱負(fù)荷降低至20.54 kWh，折電耗10.27 kWh。

圖6 實(shí)測(cè)空調(diào)功率及室內(nèi)溫度變化

b）模擬采用通風(fēng)工況與實(shí)際過(guò)程存在差異。為獲取該辦公室人員不同開(kāi)窗習(xí)慣的換氣次數(shù)作為模擬輸入，采用示蹤氣體法對(duì)改造后的辦公室進(jìn)行室內(nèi)新風(fēng)量測(cè)定[15]，室內(nèi)CO2濃度監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于房間中心處距離地面約1.1 m處，大致與人坐下時(shí)的呼吸區(qū)高度相當(dāng)，測(cè)試流程如圖7所示，測(cè)量室內(nèi)CO2濃度變化的頻率為每分鐘讀數(shù)一次，室外CO2本底濃度為367 ppm，室內(nèi)空氣容積約47.3 m3，新風(fēng)量測(cè)試結(jié)果如表5所示，測(cè)試工況按照辦公室人員平常開(kāi)窗習(xí)慣進(jìn)行設(shè)置，工況1表示門(mén)窗完全關(guān)閉，工況2表示西向推拉窗打開(kāi)10 cm的縫隙，工況3表示在工況2的基礎(chǔ)上將南向推拉窗對(duì)稱(chēng)開(kāi)啟共20 cm的縫隙。

圖7 室內(nèi)新風(fēng)量測(cè)試流程

表5 室內(nèi)新風(fēng)量測(cè)試結(jié)果

測(cè)試和詢(xún)問(wèn)調(diào)研結(jié)果表明，當(dāng)門(mén)窗完全關(guān)閉時(shí)，通過(guò)滲透進(jìn)入室內(nèi)的新風(fēng)量過(guò)低，在室辦公人員有“憋悶”感，盡管開(kāi)啟西向窗戶(hù)后的新風(fēng)量仍無(wú)法滿(mǎn)足人均30 m3/h的衛(wèi)生要求，但不會(huì)導(dǎo)致辦公人員的不適，當(dāng)增開(kāi)南向窗戶(hù)后，新風(fēng)量顯著增大，室內(nèi)空氣品質(zhì)能得到有效的改善。

模擬中的通風(fēng)設(shè)定為最不利工況（室內(nèi)有人則按工況3通風(fēng)，否則按工況2通風(fēng)），實(shí)際運(yùn)行時(shí)辦公人員在室時(shí)南向開(kāi)窗面積會(huì)根據(jù)室外天氣調(diào)整，無(wú)法獲知準(zhǔn)確開(kāi)窗面積。若一直維持只有西向外窗開(kāi)啟的狀態(tài)（工況2），模擬所得該辦公室的累計(jì)熱負(fù)荷為575.47 kWh，折算空調(diào)供暖電耗為287.74 kWh，與實(shí)測(cè)結(jié)果更為接近。

c）除上述原因外，模型和實(shí)測(cè)結(jié)果的差異也可以來(lái)源于典型氣象年和實(shí)際氣象參數(shù)的差異、辦公人員使用空調(diào)過(guò)程中進(jìn)行了溫度調(diào)節(jié)等。

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)節(jié)能改造的辦公樓進(jìn)行了建模和實(shí)測(cè)分析，主要結(jié)論如下：

1）上海市小型公共建筑冬季空調(diào)能耗實(shí)測(cè)值為22.40 kWh/m2。

2）門(mén)窗密閉時(shí)，辦公室新風(fēng)量?jī)H7.02 m3/h，無(wú)法滿(mǎn)足人員衛(wèi)生需求，冬季空調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，室內(nèi)人員通常維持西向窗戶(hù)開(kāi)啟，新風(fēng)量雖為28.42 m3/h，但不會(huì)導(dǎo)致室內(nèi)人員不適。

3）軟件模擬所得空調(diào)電耗和實(shí)測(cè)值偏差達(dá)52.5%，或因溫度及通風(fēng)設(shè)定偏離實(shí)際所致。

4）對(duì)于使用模式并不固定的乙類(lèi)建筑而言，能耗的模擬值和實(shí)測(cè)值會(huì)存在較大偏差，因此在利用模擬工具對(duì)節(jié)能效果進(jìn)行估計(jì)時(shí)需要結(jié)合建筑實(shí)際使用情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚?/p>