合同能源管理模式下圖書館空調(diào)節(jié)能性分析

劉英博 劉澤華 張舒涵 底 彬 朱鵬飛

南華大學(xué)土木工程學(xué)院

0 引言

合同能源管理（EMC）自上世紀(jì)90 年代引入我國(guó)以來發(fā)展迅速，截至2020 年底，我國(guó)從事節(jié)能服務(wù)的企業(yè)數(shù)量超7 000 家[1］。該模式也從原來僅限于節(jié)能改造項(xiàng)目推廣至新建項(xiàng)目，減少了一些綠色建筑重設(shè)計(jì)、輕運(yùn)行導(dǎo)致節(jié)能效果不明顯的現(xiàn)象[2］。影響空調(diào)運(yùn)行能耗的主要因素有人員行為、空調(diào)系統(tǒng)性能、圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能、天氣因素、運(yùn)行策略等[3-4］。在實(shí)際運(yùn)營(yíng)階段，節(jié)能服務(wù)公司保證了空調(diào)系統(tǒng)高效運(yùn)行，且圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能已經(jīng)確定，因此采用EMC 模式的空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能潛力應(yīng)重點(diǎn)分析人員使用情況與運(yùn)行策略對(duì)能耗的影響。劉如意等[5］分析了辦公樓內(nèi)人員行為因素對(duì)空調(diào)能耗的影響，結(jié)果表明室內(nèi)設(shè)定溫度與通風(fēng)習(xí)慣對(duì)空調(diào)能耗影響最大。于曉諭等[6］分析了某高校建筑不同室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度對(duì)能耗的影響情況，并計(jì)算了根據(jù)人員作息對(duì)空調(diào)間歇運(yùn)行的節(jié)能量。楊建榮等[7］分析了上海市綠色辦公建筑人員作息、人員密度和開關(guān)燈行為等因素對(duì)能耗的影響情況，得到了不同情景下的能耗差異。趙德印等[8］對(duì)某辦公建筑空調(diào)運(yùn)行能耗影響因素進(jìn)行了敏感性分析，結(jié)果表明人員密度對(duì)空調(diào)制冷能耗的影響最大，氣象數(shù)據(jù)對(duì)制熱能耗的影響最大。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)綠色建筑運(yùn)行階段的能耗影響因素研究多為辦公建筑，對(duì)高校圖書館建筑的研究較少。本文以湖南某高校新建綠色圖書館為例，利用能耗模擬軟件EnergyPlus 分析各設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)空調(diào)負(fù)荷的影響程度，在此基礎(chǔ)上提出相應(yīng)的節(jié)能策略。

1 合同能源管理模式

1.1 工程概況及合同模式

該工程為某高校新建圖書館，位于湖南省衡陽(yáng)市，地下兩層，地上十層，建筑總面積39 552.2 m2，建筑高度47.50 m，按照《湖南省綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》屬于1 星級(jí)綠色建筑?？紤]寒暑假及學(xué)生作息與辦公作息有所不同，九至十層圖書館辦公人員設(shè)置獨(dú)立的空調(diào)系統(tǒng)，ESCO 的服務(wù)對(duì)象為一至八層，空調(diào)面積26 021.81 m2,總冷負(fù)荷3 340 kW,總熱負(fù)荷2 400 kW。學(xué)校與節(jié)能服務(wù)公司簽訂托管型能源管理合同，ESCO 負(fù)責(zé)空調(diào)機(jī)房的投資建設(shè)與合同期內(nèi)的運(yùn)營(yíng)維護(hù)，學(xué)校每月支付托管費(fèi)用，合同期限為十年，合同結(jié)束后設(shè)備歸學(xué)校所有。

1.2 運(yùn)營(yíng)服務(wù)與節(jié)能要求

供暖期為11 月15 日至次年3 月15 日，供冷期為5 月15 日至10 月15 日（剔除寒暑假及其他因素?zé)o需空調(diào)時(shí)間，約定實(shí)際供冷70 天、供熱70 天），空調(diào)開啟時(shí)間為8:00 至21:30，室內(nèi)溫度標(biāo)準(zhǔn)：供冷26 ± 2 ℃，供熱20 ± 2 ℃。運(yùn)營(yíng)期間空調(diào)系統(tǒng)全年綜合能效（制冷系統(tǒng)全年累計(jì)供冷量/制冷系統(tǒng)全年累計(jì)用電量）不低于5.4。

1.3 用能費(fèi)用的調(diào)整

具體費(fèi)用結(jié)算按照年度托管費(fèi)用(中標(biāo)價(jià)/合同期的期限)12 個(gè)月均攤，該費(fèi)用包括空調(diào)期內(nèi)的能源費(fèi)用。雙方約定當(dāng)能源價(jià)格上漲時(shí)，能源費(fèi)用差額由學(xué)校承擔(dān)，價(jià)格下降時(shí)，學(xué)校相應(yīng)減少托管費(fèi)用。如因天氣原因、設(shè)備故障、學(xué)校管理要求等原因，全年超過或減少使用天數(shù)，按照全年的平均能源費(fèi)用進(jìn)行核減或核增托管費(fèi)用。如每天開放時(shí)間有調(diào)整，也應(yīng)按照全年的小時(shí)能耗平均值增加或減少托管費(fèi)用。

2 空調(diào)負(fù)荷影響因素

影響負(fù)荷的主要變量包括：建筑本體的熱工性能、使用者相關(guān)信息（人員密度、運(yùn)行時(shí)間、室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度、燈光及設(shè)備開啟情況等）、氣象參數(shù)、自然通風(fēng)換氣等。該項(xiàng)目建筑設(shè)計(jì)建設(shè)已經(jīng)完成，因此將圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能、燈光及設(shè)備散熱視為固定變量，主要考慮的變量為室外氣象參數(shù)、室內(nèi)溫度、人員密度、人均新風(fēng)量、自然通風(fēng)對(duì)空調(diào)負(fù)荷的影響。在利用EnergyPlus 分析不確定性變量對(duì)空調(diào)負(fù)荷的影響時(shí)，以設(shè)計(jì)工況為基點(diǎn)每次只改變一個(gè)變量，其他變量固定，分析該變量對(duì)空調(diào)負(fù)荷的影響程度。

2.1 模型的建立

利用SketchUp建立圖書館物理模型，如圖1所示，將該模型導(dǎo)入EnergyPlus，在Energyplus 中設(shè)置圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)，其數(shù)值來源于建筑設(shè)計(jì)圖紙，具體信息見表1。燈光和設(shè)備最大散熱功率分別為9 W/m2和15 W/m2，室內(nèi)蓄熱體主要為書、書架及桌椅，書的比熱容為1.8 kJ/(kg·K)、密度為800 kg/m3，書架比熱容為1.72 kJ/(kg·K)、密度為540 kg/m3。一樓為大廳，二至八樓座位分別為254、456、424、400、336、460、296 個(gè)。室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度：夏季26 ℃、冬季20 ℃、人均新風(fēng)量30 m3/（h·人），寒假日期為1 月15 日至3 月1 日，暑假日期為7 月15 日至8 月31 日。人員與設(shè)備、燈光作息如圖2 和圖3所示。

表1 主要圍護(hù)結(jié)構(gòu)及厚度

圖1 圖書館模型

圖2 人員及設(shè)備作息

圖3 燈光作息

2.2 氣象數(shù)據(jù)

目前模擬軟件最常用的氣象數(shù)據(jù)為CSWD（中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)氣象年），CSWD 數(shù)據(jù)是基于1971-2003 年實(shí)測(cè)氣象數(shù)據(jù)開發(fā)，與目前真實(shí)氣象數(shù)據(jù)已有一定差異。邵濤濤[9］對(duì)一棟夏熱冬冷地區(qū)辦公建筑的研究表明，不同年份的氣象數(shù)據(jù)導(dǎo)致的能耗變化幅度為-9%～11%。因此在分析氣象數(shù)據(jù)對(duì)空調(diào)負(fù)荷的影響時(shí)，采用CSWD、2012-2021 年共計(jì)11 個(gè)氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如圖4 所示，在典型氣象年下空調(diào)冷負(fù)荷為80.3 kWh/(m2·a)、熱負(fù)荷為38.59 kWh/(m2·a)。歷年真實(shí)氣象數(shù)據(jù)下冷負(fù)荷呈現(xiàn)大幅度增加趨勢(shì)，熱負(fù)荷呈現(xiàn)略微下降趨勢(shì)。與典型年相比，冷負(fù)荷最大值增加了28%，熱負(fù)荷最小值下降了16%。2012-2021 年間冷負(fù)荷最大值較平均值高15.32%，熱負(fù)荷最小值較平均值低10.40%。2014 年空調(diào)負(fù)荷最接近近十年平均值，在分析其他參數(shù)對(duì)空調(diào)能耗的影響時(shí)，以2014 年的氣象數(shù)據(jù)作為輸入?yún)?shù)。歷年空調(diào)冷/熱負(fù)荷見圖4。

圖4 歷年空調(diào)冷/熱負(fù)荷

2.3 滲透風(fēng)與自然通風(fēng)

滲透風(fēng)量與建筑氣密性密切相關(guān)，該建筑窗戶氣密性等級(jí)為7 級(jí)，根據(jù)GB/T 31433-2015《建筑幕墻、門窗通用技術(shù)條件》的性能分級(jí)方法，理論計(jì)算得出該建筑滲透換氣次數(shù)在0.05～0.1 次/h 之間，模擬計(jì)算得出在該范圍內(nèi)空調(diào)全年累計(jì)耗冷量變化率為0.25%，全年累計(jì)耗熱量變化率為2.3%，對(duì)空調(diào)冷熱負(fù)荷影響較小，且空調(diào)系統(tǒng)新風(fēng)的引入會(huì)使室內(nèi)相對(duì)于室外為正壓，減少了室外空氣滲透對(duì)室內(nèi)負(fù)荷的影響，因此將滲透換氣次數(shù)設(shè)定為0.1次/h，不再考慮滲透換氣次數(shù)變化對(duì)負(fù)荷的影響。自然通風(fēng)量受門窗開啟面積、室內(nèi)外風(fēng)壓和熱壓等多種因素影響。該建筑窗戶最大可開啟面積為10%，設(shè)定過渡季節(jié)窗戶可開啟時(shí)間為4 月1 日-6 月30日、9月1日-10 月31 日，可開啟條件為室外溫度低于室內(nèi)溫度，窗戶開啟面積為0～10%。模擬計(jì)算不同開啟面積下空調(diào)冷負(fù)荷變化，結(jié)果圖如圖5所示。

由圖5 可知，在過渡季節(jié)隨著窗戶開啟面積比例的增大，自然通風(fēng)能力加強(qiáng)，全年累計(jì)耗冷量逐漸下降，但下降趨勢(shì)明顯減小，窗戶開啟面積達(dá)到50%后，加大開窗面積節(jié)能效果已不再明顯。

2.4 室內(nèi)環(huán)境與入館人數(shù)

在合同中雙方僅商定了室內(nèi)溫度與開放時(shí)間，對(duì)入館人數(shù)及人均新風(fēng)量沒有作具體要求，實(shí)際上入館人數(shù)及人均新風(fēng)量對(duì)空調(diào)負(fù)荷的影響是不可忽略的?！睹裼媒ㄖ┡L(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》（以下簡(jiǎn)稱為《規(guī)范》）規(guī)定公共建筑主要功能房間人均新風(fēng)量為30 m3/（h·人），按此標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算得出高密人群建筑新風(fēng)負(fù)荷占比可達(dá)20%～40%，結(jié)合建筑人員流動(dòng)特性與節(jié)能需求，《規(guī)范》對(duì)該條文進(jìn)行了解釋說明，將人員密度（人數(shù)/面積）≤0.4 的圖書館類建筑最小新風(fēng)量指標(biāo)放寬至17 m3/（h·人），因此本文將新風(fēng)指標(biāo)范圍設(shè)定為17～30 m3/（h·人）。

閱覽室入館人數(shù)受在校人數(shù)、學(xué)生學(xué)習(xí)習(xí)慣等多種因素影響，本文將入館人數(shù)范圍設(shè)定為實(shí)際座位數(shù)的50%～100%，且假設(shè)人員均勻分布在各個(gè)樓層，人員作息按照?qǐng)D2 所示。計(jì)算結(jié)果如圖6～圖8 所示。由圖可知：夏季室內(nèi)溫度每降低1 ℃，全年累計(jì)冷負(fù)荷約增加12.5 kWh/(a·m2)，冬季室內(nèi)溫度每增加1 ℃,全年累計(jì)熱負(fù)荷約增4.5 kWh/(a·m2)。最大新風(fēng)量和最小新風(fēng)量指標(biāo)下全年冷負(fù)荷相差9.33 kWh/(a·m2)，熱負(fù)荷相 差6.53 kWh/(a·m2)。 人 均 新 風(fēng) 量 每 增 加3.25 m3/（h·人），冷負(fù)荷增加2.33 kWh/(a·m2)，熱負(fù)荷增加1.63 kWh/(a·m2)。入館人數(shù)每降低10%，空調(diào)年耗冷量降低3.87 kWh/(a·m2)，空調(diào)年耗熱量降低1.55 kWh/(a·m2)。由此可知對(duì)冷熱負(fù)荷影響程度最大的均是室內(nèi)溫度，其次是入館率。因此根據(jù)入館人數(shù)對(duì)室內(nèi)溫度進(jìn)行分區(qū)控制，以此可達(dá)到節(jié)能目的。不同室內(nèi)溫度下冷/熱負(fù)荷見圖6，不同新風(fēng)指標(biāo)下冷/熱負(fù)荷見圖7，不同入館率下冷/熱負(fù)荷見圖8。

圖6 不同室內(nèi)溫度下冷/熱負(fù)荷

圖7 不同新風(fēng)指標(biāo)下冷/熱負(fù)荷

圖8 不同入館率下冷/熱負(fù)荷

3 節(jié)能運(yùn)行策略

由上文可知影響空調(diào)負(fù)荷最大的變量為室內(nèi)溫度與入館人數(shù)，根據(jù)《規(guī)范》第3.0.2 條說明，圖書館開架書庫(kù)可視為短期逗留區(qū)，其設(shè)計(jì)溫度可比長(zhǎng)期逗留區(qū)放寬1～2 ℃，適當(dāng)降低舒適度要求（夏季室溫放寬至28 ℃、冬季放寬至16 ℃）。該圖書館屬于大開間，開架書庫(kù)與預(yù)覽區(qū)之間沒有隔斷，溫度分區(qū)難以實(shí)現(xiàn)，但可根據(jù)實(shí)際入館人數(shù)對(duì)室內(nèi)溫度進(jìn)行分樓層控制或者根據(jù)館內(nèi)人員作息對(duì)部分樓層進(jìn)行間歇控制，以此降低空調(diào)耗冷/熱量。

3.1 分層控制

以實(shí)際入館人數(shù)為1 890 人為例，其人員可均勻分布在一至八層，也可集中分布在一至六層，七至八層只有在借還圖書時(shí)有短暫停留，將其視為短期逗留區(qū)。內(nèi)部設(shè)備及燈光開啟率設(shè)為正常作息的三分之一，在降低空調(diào)能耗的同時(shí)也可降低設(shè)備及燈光電耗，不同入館人數(shù)下的分層控制策略見表2。

表2 分層控制策略

模擬計(jì)算五種入館人數(shù)兩種控制策略下的全年冷/熱負(fù)荷，模式一假設(shè)館內(nèi)人員均勻分布在各個(gè)樓層，模式二假設(shè)人員集中分布在部分樓層。圖9為入館人數(shù)為1 890 時(shí)分層控制模式下七層閱覽室空調(diào)季的逐時(shí)自然室溫，冷/熱負(fù)荷計(jì)算結(jié)果如圖10～11 所示。由室內(nèi)逐時(shí)溫度可知分層控制降低了部分樓層空調(diào)開啟時(shí)長(zhǎng)和所需制冷量。入館人數(shù)越低，節(jié)能效果越明顯，各入館人數(shù)下耗冷量節(jié)能率依次為34.48%、25.75%、18.68%、12.47%、6.34%，耗熱量節(jié)能率依次為27.74%、20.61%、14.5%、9.6%、4.43%。

圖9 七層預(yù)覽室全年逐時(shí)氣溫

圖10 兩種模式下累計(jì)冷負(fù)荷

圖11 兩種模式下累計(jì)熱負(fù)荷

由圖2 作息表可知各時(shí)段入館人數(shù)變化規(guī)律，部分時(shí)間段入館人數(shù)比例較少，因此可在分層控制的基礎(chǔ)上根據(jù)人員作息對(duì)部分樓層進(jìn)行間歇控制，即假設(shè)入館人數(shù)比例較低的時(shí)段人員也可集中至某些樓層，其他樓層降低舒適度要求。以設(shè)計(jì)最大入館人數(shù)為例，將各樓層高舒適度要求（冬季20 ℃、夏季26 ℃）時(shí)間段與人員作息設(shè)定如圖12所示。計(jì)算結(jié)果如表3 所示，在設(shè)計(jì)入館人數(shù)下間歇控制可節(jié)約14.89%的冷負(fù)荷和19.14%的熱負(fù)荷。

表3 間歇控制冷熱負(fù)荷

圖12 各層閱覽室人員作息

3.2 間歇控制

4 結(jié)論

1）對(duì)影響目標(biāo)建筑空調(diào)負(fù)荷的輸入變量進(jìn)行了辨析，模擬計(jì)算了輸入變量在取值區(qū)間內(nèi)空調(diào)負(fù)荷的變化情況。

2）通過敏感性分析表明，空調(diào)負(fù)荷最敏感的變量是室內(nèi)溫度，其次是人員密度。天氣因素對(duì)冷負(fù)荷的影響程度大于熱負(fù)荷。

3)在實(shí)際入館人數(shù)低于設(shè)計(jì)入館人數(shù)時(shí)對(duì)室內(nèi)溫度分樓層控制具有較大節(jié)能潛力，在入館人數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，空調(diào)間歇運(yùn)行在夏季有14.89%的節(jié)能潛力，冬季有19.14%的節(jié)能潛力。