建筑物能效優(yōu)化研究.pdf

1、節(jié)能減排，正成為各國(guó)轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的一種共識(shí)。中國(guó)作為一個(gè)負(fù)責(zé)任的大國(guó)，承諾“到2020年單位GDP減排40％～45％”，其中建筑節(jié)能是節(jié)能減排的重要組成部分。根據(jù)江憶院士等學(xué)者的研究報(bào)告，在2001年我國(guó)的建筑運(yùn)行能耗就已經(jīng)占據(jù)國(guó)民經(jīng)濟(jì)總能耗的25％左右。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，建筑能耗迅速增加。據(jù)權(quán)威部門公布的數(shù)據(jù)，在我國(guó)的建筑類型中，大型公共建筑總面積不足城鎮(zhèn)建筑總面積的5％，總能耗卻占全國(guó)城鎮(zhèn)總耗電量的20％多，200

2、7年國(guó)家機(jī)關(guān)辦公樓年人均耗電3072.5度，是城鎮(zhèn)居民的10-20倍，由此可見建筑運(yùn)行能耗浪費(fèi)嚴(yán)重，能源有效利用效率很低。因此研究建筑特別是公共建筑運(yùn)行能耗的有效利用和運(yùn)行節(jié)能問(wèn)題，提高建筑物能效，不僅能夠?yàn)橛行Ы档徒ㄖ芎奶峁├碚撝笇?dǎo)，而且具有重要的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)于兌現(xiàn)國(guó)家的莊嚴(yán)承諾具有重大意義。
　　 我國(guó)大中型建筑特別是公共建筑的能耗很高，能量浪費(fèi)現(xiàn)象非常明顯，節(jié)能潛力巨大。造成浪費(fèi)的原因可主要分為兩類:一類是系統(tǒng)

3、設(shè)計(jì)不夠優(yōu)化，設(shè)備和系統(tǒng)的效率低下，比如“大馬拉小車”造成的設(shè)備低效率運(yùn)行;另一類是人為造成的浪費(fèi)，比如辦公室中的“長(zhǎng)明燈”，長(zhǎng)時(shí)間無(wú)人時(shí)不關(guān)閉空調(diào)等。對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)不夠優(yōu)化造成的浪費(fèi)，目前有多種理論成果和技術(shù)手段對(duì)其進(jìn)行節(jié)能控制和管理。但對(duì)于第二現(xiàn)象造成的浪費(fèi)，卻沒有一種比較好的方法量化能源浪費(fèi)的狀況，以便于采取相應(yīng)的優(yōu)化策略解決這個(gè)問(wèn)題。
　　 在總建筑能耗中，空調(diào)系統(tǒng)所占比重最大。因此整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)能效的高低，對(duì)于建筑節(jié)能具有

4、重要的意義。構(gòu)成空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)備都有明確的能效指標(biāo)，但這個(gè)指標(biāo)通常是在某特定條件（比如額定功率）下測(cè)定的。在實(shí)際使用過(guò)程中，運(yùn)行工況不斷變化，滿足額定工況的時(shí)間很少，大約只占總工作時(shí)間的5％左右，絕大多數(shù)時(shí)間的工作負(fù)荷只是滿負(fù)荷的50-70％。低負(fù)荷時(shí)設(shè)備消耗的能源必定會(huì)降低，究竟降低多少能耗才是合理的？目前最常見的評(píng)價(jià)方法是比較平均能耗或總能耗，顯然這種評(píng)價(jià)方式存在較大偏差。無(wú)論何種用能設(shè)備，對(duì)于特定的建筑負(fù)荷，只要設(shè)備的能效或整個(gè)建筑

5、的系統(tǒng)能效保持在最優(yōu)狀態(tài)就可以說(shuō)此時(shí)的能耗最低因此將能效作為評(píng)價(jià)建筑能源消耗效率優(yōu)劣的指標(biāo)更具科學(xué)性。雖然能效可以對(duì)獨(dú)立工作設(shè)備的效率直接進(jìn)行評(píng)價(jià)，但是對(duì)于以系統(tǒng)模式工作的用能設(shè)備，比如空調(diào)系統(tǒng)，僅依靠提高單個(gè)設(shè)備能效評(píng)價(jià)降低系統(tǒng)能耗的方式并不是完全可行，運(yùn)行樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)(BAS)建筑物的能耗現(xiàn)狀證明了這種方式的局限性。
　　 針對(duì)這些問(wèn)題，本文就提高建筑能源的效率，優(yōu)化建筑能效展開研究，主要的內(nèi)容包括以下幾點(diǎn):
　　

6、 1.簡(jiǎn)要分析了造成建筑高能耗問(wèn)題的原因，討論了降低建筑運(yùn)行能耗需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)和建筑材料是影響建筑能耗的重要原因之一;建筑中用能設(shè)備的選擇不合理，“大馬拉小車”造成用能設(shè)備效率降低能耗增加;建筑中存在嚴(yán)重的浪費(fèi)現(xiàn)象;缺乏建筑節(jié)能理論支持。雖然無(wú)法改變建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的負(fù)荷，但是可以通過(guò)減少人為浪費(fèi)，提高建筑用能設(shè)備的能效降低建筑能耗。目前關(guān)于建筑節(jié)能的研究成果對(duì)系統(tǒng)降低建筑能耗的效果并不十分明顯，因此必須解決建筑節(jié)能的

7、關(guān)鍵基礎(chǔ)理論問(wèn)題，才有可能切實(shí)降低建筑能耗。
　　 2.分析了建筑能效優(yōu)化的研究現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題。美國(guó)采暖、制冷和空調(diào)工程師協(xié)會(huì)（ASHRAE）最早采用能效評(píng)價(jià)制冷機(jī)工作效率，但這種方法不能有效評(píng)價(jià)整個(gè)工作周期內(nèi)設(shè)備的能源效率，因此ASHRAE以及我國(guó)相關(guān)部門又相繼提出了綜合部分負(fù)荷性能系數(shù)(IPLV)、綜合部分能效(IEER)、季節(jié)能效(SEER)、設(shè)計(jì)能效(DEER)等指標(biāo)，從多角度評(píng)價(jià)制冷機(jī)設(shè)備的整體運(yùn)行效率。近幾年開始有

8、采用系統(tǒng)能效評(píng)價(jià)中央空調(diào)系統(tǒng)效率和實(shí)施節(jié)能控制的報(bào)道，但還僅限于比較分析不同狀態(tài)時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的效率，沒有就提高系統(tǒng)能效的優(yōu)化理論展開研究。雖然系統(tǒng)能效優(yōu)化理論成果還很少，但是注重系統(tǒng)節(jié)能的工程項(xiàng)目卻取得了非常好的效果。比如匯通華城開發(fā)的BKS中央空調(diào)冷凍站模糊控制系統(tǒng)，把冷凍站（冷凍水泵、制冷機(jī)、冷卻水泵）作為一個(gè)整體實(shí)施模糊控制，追求系統(tǒng)而不是其中每個(gè)設(shè)備最節(jié)能，最高可以達(dá)到了51％的節(jié)能效果。因此從理論上研究系統(tǒng)能效模型及其優(yōu)化策略的

9、問(wèn)題，對(duì)于有效降低用能設(shè)備的能耗具有重要意義。
　　 建筑物消耗能源是為了提供舒適的工作、生活環(huán)境，即使建筑用能設(shè)備的效率再高，若人體沒有充分利用舒適的建筑環(huán)境，所消耗的能源也是無(wú)效的和無(wú)意義的，因此有效降低建筑能耗必須建立能源消耗與人體利用之間的聯(lián)系，研究人體對(duì)建筑能耗的利用程度。本文提出了評(píng)價(jià)建筑能耗有效性的模型——能量利用效率，能量利用效率為定量評(píng)價(jià)建筑物消耗能源的有效性提供了一種算法，通過(guò)能量利用效率模型為建筑末端的用能

10、設(shè)備提供優(yōu)化能效的控制策略。實(shí)驗(yàn)表明能量利用效率模型能夠量化人體對(duì)能量的利用程度，對(duì)人體的用能模式進(jìn)行甄別，發(fā)現(xiàn)能量浪費(fèi)現(xiàn)象并優(yōu)化控制用能設(shè)備的工作狀態(tài)，通過(guò)減少或完全切斷無(wú)效能耗輸出，到達(dá)降低建筑負(fù)荷，相應(yīng)提高建筑能效的目的。
　　 3.建立了建筑物用能設(shè)備系統(tǒng)能效模型，研究了系統(tǒng)能效優(yōu)化的算法，解決了能效優(yōu)化目標(biāo)不確定的問(wèn)題，明確了不同負(fù)荷時(shí)系統(tǒng)能效的優(yōu)化目標(biāo)以及尋優(yōu)策略。建筑中的用能設(shè)備通常按照滿足最不利的負(fù)荷狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)

11、，而建筑負(fù)荷隨時(shí)間、天氣和人員數(shù)量的變化而變化，隨著負(fù)荷的變化，用能設(shè)備的效率會(huì)隨著改變，像潛水泵等獨(dú)立工作設(shè)備，由于其本身固有的特性，無(wú)法調(diào)節(jié)其工作狀態(tài)的固有能效，只能通過(guò)變頻、停機(jī)等措施，改善低負(fù)荷時(shí)的特性，降低總工作時(shí)間的方法相應(yīng)的提高設(shè)備在一個(gè)時(shí)間區(qū)段的系統(tǒng)能效。對(duì)于空調(diào)等以系統(tǒng)形式工作的用能設(shè)備，單個(gè)設(shè)備能效的優(yōu)化并不意味著整個(gè)系統(tǒng)能效的優(yōu)化，而建筑能耗的優(yōu)劣是通過(guò)整個(gè)系統(tǒng)而不是單個(gè)設(shè)備體現(xiàn)的，因此在保持用能設(shè)備穩(wěn)定工作和滿足

12、建筑環(huán)境要求的條件下，系統(tǒng)能效越高建筑能耗越低。實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)能效模型和額定系統(tǒng)能效優(yōu)化目標(biāo)的確定能夠?yàn)椴煌?fù)荷時(shí)系統(tǒng)中的用能設(shè)備的工作模式提供優(yōu)化策略，控制設(shè)備的工作狀態(tài)使系統(tǒng)能效能夠到達(dá)最優(yōu)或近最優(yōu)狀態(tài)。
　　 4.介紹了基于能效優(yōu)化的建筑物能量管理系統(tǒng)的開發(fā)。系統(tǒng)是典型的集散控制系統(tǒng)(DCS)，針對(duì)建筑物中的用能設(shè)備和工作特點(diǎn)，引入了本文研究的能效優(yōu)化算法。系統(tǒng)的開發(fā)采用了自行研發(fā)的微內(nèi)核搶占式嵌入式操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)的引

13、入對(duì)能量管理系統(tǒng)功能的持續(xù)擴(kuò)展以及運(yùn)行穩(wěn)定性起了積極的作用，因此本文對(duì)微內(nèi)核操作系統(tǒng)作了簡(jiǎn)要介紹。最后對(duì)基于能效優(yōu)化的建筑物能量管理系統(tǒng)的工程應(yīng)用實(shí)例和節(jié)能效果進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹。
　　 通過(guò)提高建筑物能量利用效率，可以降低建筑末端的建筑負(fù)荷;通過(guò)優(yōu)化建筑用能設(shè)備能效，可以用更少的能源消耗獲得等同的建筑負(fù)荷，提高能量利用效率與提高建筑用能設(shè)備能效對(duì)建筑能耗的降低有著雙倍的作用。本文研究的建筑能效優(yōu)化包含兩個(gè)層次的優(yōu)化，一是對(duì)用能設(shè)備

14、的優(yōu)化，二是對(duì)建筑負(fù)荷的優(yōu)化。用能設(shè)備的優(yōu)化主要通過(guò)控制建筑用能設(shè)備的工作實(shí)現(xiàn)，隨著優(yōu)化策略的實(shí)施，降低了相同建筑負(fù)荷所需的能源消耗。通過(guò)能量利用效率算法控制末端用能設(shè)備的工作，不僅降低了末端用能設(shè)備的能耗，而且還相應(yīng)的減少了建筑負(fù)荷，建筑負(fù)荷的減少，又可進(jìn)一步促進(jìn)了建筑能效的提高。
　　 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn):
　　 1.提出了建筑物能量利用效率概念，給出了計(jì)算建筑物能量利用效率的模型和計(jì)算方法。
　　 2.利用能量利用