基于運行數(shù)據(jù)的多聯(lián)機節(jié)能潛力挖掘方法

丁云霄，鄭春元，羅彬，翟曉強

（1-廣東美的暖通設(shè)備有限公司，廣東佛山 528311；2-上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所，上海 200240）

0 引言

目前，建筑能耗已經(jīng)占到社會總能耗的三分之一，而空調(diào)系統(tǒng)能耗又占到了建筑總能耗的一半以上，因此對空調(diào)系統(tǒng)進行節(jié)能優(yōu)化已經(jīng)是當(dāng)前的一個熱點[1-2]。建筑全生命周期中的能源有80%是在其中有人的情況消耗的[3]。商業(yè)建筑中空調(diào)能耗占比達到50%以上[4]。ZHANG 等[5]對用能行為相關(guān)的高引用次數(shù)的論文關(guān)鍵詞進行了研究，其中21.2%的研究是用能行為對能耗的影響。研究表明，建筑中通過保證用戶的節(jié)能行為，可讓空調(diào)節(jié)約23.5%的能耗[6]。而針對住宅建筑用能行為的優(yōu)化可實現(xiàn)10%～25%的節(jié)能量[7]，而對于商業(yè)建筑則可以實現(xiàn)5%～30%的節(jié)能量[8]。TANG等[9]提出了一種技術(shù)指導(dǎo)用能行為的概念，結(jié)合用能行為與設(shè)備的控制實現(xiàn)節(jié)能。其研究表明，中央空調(diào)系統(tǒng)能由此減少23.5%的能耗，占建筑總用電量的7.8%。ZHANG等[10]對一棟使用多聯(lián)機的辦公樓用能行為對系統(tǒng)能耗的影響做了實驗及仿真研究，結(jié)果表明用能行為對多聯(lián)機（Variable Refrigerant Flow，VRF）系統(tǒng)與中央空調(diào)系統(tǒng)（Heating Ventilation Air Conditioning，HVAC）的能耗對比起到重要作用。SUN 等[11]提出了一種仿真框架用于模擬仿真用能行為對節(jié)能措施實現(xiàn)的節(jié)能量的影響，結(jié)果表明對于與用戶行為相關(guān)的技術(shù)，如多聯(lián)機系統(tǒng)和通風(fēng)等，其用戶行為對節(jié)能效果有很大的影響。成建宏等[12]基于大數(shù)據(jù)對家用多聯(lián)機空調(diào)進行了實際運行狀況調(diào)研分析，設(shè)定溫度分布、連續(xù)使用時長分布、停機次數(shù)分布、停機時長分布等參數(shù)進行統(tǒng)計分析?？梢钥闯?，針對于用戶用能行為已經(jīng)有了很多研究，也取得了一些有價值的結(jié)論，但是有關(guān)調(diào)節(jié)設(shè)定溫度習(xí)慣方面的研究較少[13-15]。

本文構(gòu)建了描述用戶設(shè)定溫度習(xí)慣與建筑-設(shè)備匹配性的相關(guān)指標參數(shù)，并通過某酒店以及某教育培訓(xùn)機構(gòu)的實例分析，驗證了所提指標的合理性。在此基礎(chǔ)上利用上述指標參數(shù)描述了多聯(lián)機系統(tǒng)的運行節(jié)能潛力，為多聯(lián)機系統(tǒng)的運行評價提供了支撐。

1 運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析指標模型

節(jié)能潛力挖掘的主要任務(wù)是通過設(shè)備實際運行的情況，判斷當(dāng)前設(shè)備的運行控制是否合理，建筑中用戶的用能行為是否節(jié)能[16-17]。設(shè)備設(shè)計運行合理性可通過相關(guān)建筑-設(shè)備匹配性指標來衡量，如運行負荷率分布情況[18]、室內(nèi)環(huán)境溫度達溫情況、內(nèi)機的待機/開機切換次數(shù)等；用能合理性主要是設(shè)定溫度的分布情況[19,20]、內(nèi)機設(shè)定為高溫度的時間占比、設(shè)定溫度調(diào)整情況等。

1.1 用戶溫度設(shè)定習(xí)慣指標

1.1.1 設(shè)定溫度時間分布

對于特定的設(shè)定溫度，統(tǒng)計所有內(nèi)機在該設(shè)定溫度a下的總時間與所有內(nèi)機各設(shè)定溫度下的總時間之和的比值。該參數(shù)可以反映各設(shè)定溫度下的時間分布情況，并判斷其是否節(jié)能。

式中，RTs為設(shè)定溫度的時間占比；Ts為設(shè)定溫度，℃；t為時間，s；i為內(nèi)機代號；n為內(nèi)機臺數(shù)。

1.1.2 設(shè)定溫度時間與容量分布

對于特定的設(shè)定溫度，統(tǒng)計所有內(nèi)機在設(shè)定溫度a下的時間與對應(yīng)內(nèi)機的容量乘積之和，與所有內(nèi)機各設(shè)定溫度下時間與對應(yīng)內(nèi)機的容量乘積之和的比值。該參數(shù)可以反映系統(tǒng)各設(shè)定溫度下的能量輸出占比情況。

式中，C為內(nèi)機對應(yīng)的容量值，kW。

1.1.3 設(shè)定溫度習(xí)慣分析指標

選定一個設(shè)定溫度基準，計算高于該基準的占比，則可分析建筑在設(shè)置溫度管理上的節(jié)能潛力。引入溫度管理節(jié)能系數(shù)RTs,M：

式中，Tbase為基準評價溫度，制冷可取26 ℃，制熱可取22 ℃；RTs,M的范圍為[0,100%]，值越大其節(jié)能潛力越大。

內(nèi)機特定設(shè)定溫度以上/以下的運行時間占比：對于某臺內(nèi)機，統(tǒng)計其設(shè)定溫度在b以上/以下的運行總時間與該臺內(nèi)機總運行時間的占比RTs>b。

該參數(shù)最主要反映內(nèi)機的設(shè)定溫度習(xí)慣，可定位非節(jié)能的內(nèi)機，對癥下藥進行節(jié)能管理。

特定室內(nèi)溫度下設(shè)定溫度調(diào)整分布：在特定室內(nèi)溫度Ta下，分別統(tǒng)計設(shè)定溫度往下調(diào)整次數(shù)Ndown和往上調(diào)整次數(shù)Nup分布：

該參數(shù)一方面用于考察用戶在各室內(nèi)溫度下調(diào)整室內(nèi)溫度的習(xí)慣，從側(cè)面反映該空氣狀態(tài)的熱舒適性情況，另一方面分析在較高和較低溫度下是否有異常的行為情況。

1.2 建筑-設(shè)備匹配性指標

1.2.1 運行負荷率分布

設(shè)備壓縮機運行頻率fp與設(shè)計出廠的額定運行頻率frate的比值Rp的時間分布情況。該參數(shù)可反映出外機設(shè)計容量與實際需求容量之間的匹配程度。

1.2.2 內(nèi)機室溫基于設(shè)定溫度的分布

對于內(nèi)機，室溫Ta就高于設(shè)定溫度d1度，低于設(shè)定溫度d2度，和處于設(shè)定溫度d1和d2度偏差之間的室溫時間分布進行統(tǒng)計。該參數(shù)主要反映室內(nèi)機選型與實際需求的匹配程度。

式中，RTad1為室溫Ta高于設(shè)定溫度d1度的時間占比；RTa[d2,d1]為室溫Ta處于設(shè)定溫度d1和d2度偏差之間的時間占比；toper為內(nèi)機有輸出的運行時間。

1.2.3 特定內(nèi)機的日平均啟停次數(shù)分布

對于特定內(nèi)機，統(tǒng)計其總起停次數(shù)NON/OFF與運行總天數(shù)D的比值，即為日平均啟停次數(shù)Nave,ON/OFF：

基于以上計算指標的統(tǒng)計，分別以某酒店和某培訓(xùn)教育機構(gòu)為例，對其一星期中的制熱運行參數(shù)進行統(tǒng)計分析，用以說明以上指標在建筑節(jié)能潛力挖掘中的作用。

2 溫度設(shè)定習(xí)慣數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

圖1所示為不同設(shè)定溫度的時間占比分布情況。由圖1 可知，對于兩個建筑其設(shè)置溫度基本都處于20 ℃以上。其中，設(shè)置為30 ℃的時間占比均為最高，RTs分別是28.8%和25.4%，而設(shè)置為22 ℃的次之，分別為16.6%和19.8%。

圖1 不同設(shè)定溫度時間占比分布

圖2所示為不同設(shè)定溫度時間容量之積的分布。對比圖1和圖2，可以看出設(shè)置為30 ℃的占比分別從28.8%降到21.3%，22.54%降到19.9%；而設(shè)置為22 ℃的則分別從16.6%提高到28.8%，從19.8%提高到27.1%?？芍O(shè)置為30 ℃的內(nèi)機數(shù)量多而相對來說其容量較小，推測在少數(shù)個體使用的房間中，用戶更傾向于把設(shè)置溫度調(diào)到30 ℃。而設(shè)置為22 ℃的內(nèi)機數(shù)量較少、容量較大，說明空間為多個個體在使用時，溫度多設(shè)置在較低的溫度。由于冬季空調(diào)設(shè)定溫度調(diào)低有利于能耗的減少，若以22 ℃為基準，設(shè)定溫度高于22 ℃的占比RTs,M分別為83.4%和76.6%，可見這兩個建筑在設(shè)置溫度管理上還有巨大的節(jié)能空間。

圖2 不同設(shè)定時間容量之積的分布

為了精確定位設(shè)定溫度對應(yīng)的室內(nèi)機，圖3所示為不同內(nèi)機設(shè)定溫度為30 ℃的時間占比分布?？梢钥闯?，對于某酒店除了1 號、2 號、3 號、14號、15 號和17 號內(nèi)機外，其它均有15%以上的時間是設(shè)定30 ℃的。設(shè)定時間超過50%的分別是4號、9 號、11 號和16 號內(nèi)機，9 號和11 號內(nèi)機的占比高達90%以上。另外，對于某教育培訓(xùn)機構(gòu)只有4 臺內(nèi)機設(shè)置30 ℃，且其中2 號、6 號和11號內(nèi)機設(shè)置溫度基本都為30 ℃。通過此分布情況，可精準定位出設(shè)定溫度過高的室內(nèi)機及其嚴重程度，為設(shè)定溫度管理提供執(zhí)行方向。

圖3 不同設(shè)定溫度時間容量之積的分布

節(jié)能的前提是保證用戶的舒適性。而當(dāng)用戶不舒適的時候，用戶會對空調(diào)的設(shè)定溫度、風(fēng)速等參數(shù)進行調(diào)整。而這個調(diào)整的動作則是反映了其需求不能達到預(yù)期的信號。圖4所示為不同室內(nèi)溫度時調(diào)整設(shè)定溫度的頻數(shù)分布情況，分別對向上調(diào)整和向下調(diào)整進行了統(tǒng)計。

由圖4 可知，無論是酒店還是培訓(xùn)機構(gòu)的溫度調(diào)整均呈現(xiàn)中間頻數(shù)高兩邊低的分布。對于酒店向上調(diào)整頻數(shù)占比70%以上區(qū)間為25～30 ℃，而向下調(diào)整頻數(shù)占比70%以上的區(qū)間為25～31 ℃。對于培訓(xùn)機構(gòu)向上調(diào)整頻數(shù)占比 70%以上區(qū)間為23～27 ℃，而向下調(diào)整頻數(shù)占比70%以上的區(qū)間為25～27 ℃。在這些范圍內(nèi)，溫度向上調(diào)整和向下調(diào)整均比較頻繁。說明這些溫度區(qū)間人的舒適度處于冷熱的臨界點，容易導(dǎo)致不同人冷熱感受的區(qū)別。此外，以酒店類的個人應(yīng)用場景下設(shè)定溫度調(diào)整的次數(shù)大大高于培訓(xùn)機構(gòu)這樣公眾應(yīng)用場景。個人應(yīng)用場景下，表達個人體驗行為的心理成本更低，而公眾場合下，由于需要考慮其他人的感受，表達個人體驗行為的心理成本更高。由此判斷，公共場合實施設(shè)定相對節(jié)能的默認設(shè)定溫度值，節(jié)能效果較個人場景更好。

圖4 不同室內(nèi)溫度時調(diào)整設(shè)定溫度的頻數(shù)分布

3 集建筑-設(shè)備匹配性統(tǒng)計分析

空調(diào)設(shè)備的運行負荷率往往是反映設(shè)備設(shè)計選型與建筑的匹配程度。圖5所示為設(shè)備在一個供熱周期的負荷率的分布情況，可知對于該酒店其運行負荷率集中在20%～50%，而培訓(xùn)機構(gòu)則集中在10%～30%?？芍?，在目前設(shè)備的容量的設(shè)計下，系統(tǒng)的絕大部分時間都處于偏離設(shè)計負荷較遠的區(qū)域。一般情況下，空調(diào)設(shè)備在低負荷率下運行，其能效會處于較為低下的狀態(tài)。解決這個問題，可以從設(shè)備選型、設(shè)備部分負荷能效設(shè)計及用戶用能端解決。目前的主要研究都從設(shè)備選型端及設(shè)備部分負荷能效設(shè)計方面出發(fā)，而較少在用能端的角度解決。在數(shù)據(jù)信息化時代，優(yōu)化用能端將是一個全新的方向。

圖5 運行負荷分布

圖6所示為不同內(nèi)機的室內(nèi)溫度相對于設(shè)定溫度的分布情況。從圖6可知，設(shè)備開啟的情況下，室內(nèi)溫度基本能達到設(shè)定溫度以上，其中低于設(shè)定溫度為加熱過程，占比最高19.5%，從其占比可以推算出對應(yīng)房間的加熱速度。而高于設(shè)定溫度1度以上的占比較高則表明設(shè)備的輸出不能很好地匹配室內(nèi)負荷，出現(xiàn)過輸出的情況。對比圖6(a)與圖6(b)，可知酒店各內(nèi)機的開機情況較為均勻，而培訓(xùn)機構(gòu)則會存在長時間不開內(nèi)機的情況。

圖6 不同內(nèi)機的室內(nèi)溫度相對于設(shè)定溫度的分布情況

圖7所示為不同內(nèi)機的起停次數(shù)Nave,ON/OFF分布。室內(nèi)溫度是否能達到設(shè)定溫度附近，運行過程中啟停次數(shù)的多寡是室內(nèi)機與各房間的匹配程度重要體現(xiàn)。由圖7可知，制熱工況下室內(nèi)機的正常啟停次數(shù)均在4～16次之間，其他的則為異常情況?？梢钥闯?，9號、10號、15號和17號的起停次數(shù)異常，存在選型過大或者安裝異常等非節(jié)能情況。

圖7 不同內(nèi)機的日平均起停次數(shù)分布

4 結(jié)論

本文提出了描述用戶設(shè)定溫度習(xí)慣與建筑-設(shè)備匹配性的相關(guān)指標參數(shù)，通過酒店和培訓(xùn)機構(gòu)兩個實例分析了指標在多聯(lián)機系統(tǒng)中的評價效果，研究了這些指標在多聯(lián)機系統(tǒng)運行節(jié)能潛力挖掘中的應(yīng)用前景，得出如下結(jié)論：

1）酒店和培訓(xùn)機構(gòu)在冬季供暖過程中設(shè)定溫度高于22 ℃的占比RTs,M分別為83.4%和76.6%，兩個建筑在設(shè)置溫度管理上有巨大的節(jié)能空間；

2）對于酒店和培訓(xùn)機構(gòu)，其溫度調(diào)整均呈現(xiàn)中間頻數(shù)高兩邊低的分布；以70%調(diào)溫頻數(shù)為閾值，培訓(xùn)機構(gòu)的舒適性溫度范圍為25～30 ℃，酒店房間則為25～27 ℃，可據(jù)此進行溫度設(shè)定；

3）酒店內(nèi)機選型的匹配性較好，運行負荷率集中在20%～50%，而培訓(xùn)機構(gòu)的運行負荷率集中在10%～30%，可能存在選型過大或安裝異?，F(xiàn)象。