黃山市某辦公建筑空調系統能耗分析

方廷勇，宋丹妮，王黎明

(1.安徽建筑大學 環境與能源工程學院，安徽 合肥 230601；

2.安徽省安慶市住房和城鄉建設委員會，安徽 安慶 246003)

0 引言

隨著經濟發展和人們對環境舒適性要求的提高，建筑能耗問題日益嚴峻。近年來各省市發展迅速，公共建筑數目大量增長，因其空調、照明、電梯等系統的運行，耗電量指標高達普通居民住宅的十幾倍。辦公類建筑因其能耗集中且大，空間復雜，成為了公共建筑總能耗的重要組成部分。

夏熱冬冷地區大部分辦公樓的全年使用時間大約在200～280 d，在公共建筑的全年能耗中，供暖空調系統的能耗約占40%～50%，照明能耗約占30%～40%，其他用能設備約占10%～20%[1]，因此辦公建筑在供暖空調方面有較大的節能潛力。

辦公建筑空調耗能不僅由空調系統設計所決定，而且與室外氣候條件及室內外通風狀況息息相關。國內外專家對于不同氣候區辦公建筑空調能耗方面作了大量研究，清華大學節能研究中心[2]采用模擬方法對北京、臺灣、香港及加州4棟實際辦公建筑進行定量分析，得出在空調耗能方面，氣象特征、圍護結構設計、人員用能行為等因素的敏感性。Yu Z[3]、劉建龍[4]、Peng C[5]等利用能耗仿真軟件對辦公建筑能耗進行了模擬研究，分析了辦公建筑的負荷特性，并提出了有效的節能措施。張科等[6]采用各氣候區典型案例分析辦公建筑能耗，分析表明，室外氣候對空調能耗有一定的影響。趙宇[7]對六種不同空調系統運用軟件DeST進行全年逐時負荷的計算，采用CEC系數進行評價，提出空調系統運行管理相關指導意義。

國外學者大多考慮通風與空調系統相結合的方式對辦公建筑空調系統進行節能潛力分析。Fernandez N[8]利用EnergyPlus對美國某典型大型辦公樓幾種常見的供暖、通風、空調系統調整措施進行了節能潛力分析，并在美國16個不同氣候區進行了單獨措施和組合措施方案的模擬，得出單獨措施和組合措施都能實現減少空調年能耗，且分別達到20%及35%以上。Flodberg K[9]通過動態模擬針對瑞典地區辦公建筑提出了優化低能耗設計的建議，得出建筑節能最重要的設計特點是要求控制通風。Bagci[10]選擇典型濕熱地區香港某辦公建筑進行能耗分析，得出用水冷離心式制冷機代替風冷往復式制冷機，安裝冷凍水泵電機變速驅動器，合理限定室內空氣溫度等措施能大大節約空調耗電。T Shibahara[11]通過測定東京市中心于2003年3月竣工的總部辦公樓的室內熱環境和通風放熱率，得出夜間凈化通風、自然通風和混合空調的節能效果。

國內外多采用軟件模擬方式研究不同因素對建筑空調能耗的影響，結合實際能耗數據分析較少，本文針對黃山市某辦公建筑，運用DeST-c對兩種常見空調方式進行模擬，并基于黃山市公共建筑能耗監管平臺，統計該建筑近兩年實測能耗數據，采用模擬與實測相結合的方式對比分析辦公建筑的空調能耗，研究結果能夠為夏熱冬冷地區辦公建筑節能提供依據。

1 某辦公建筑空調系統方案分析

1.1 建筑概況

本文研究對象為辦公建筑，位于安徽省黃山市(圖 1)，總建筑面積為 8023.40 m2，建筑高度為21.8 m，朝向為南偏東40.2°，建筑體形系數為0.24。主體結構形式為框架結構，地上五層，主要功能房間為辦公室、會議室、閱覽室等。該辦公樓工作時間為周一至周五的9：00到18：00。

圖1 建筑軸側圖

1.2 室外氣象參數

黃山市屬亞熱帶季風性濕潤氣候，年平均氣溫15.7℃，年日照時間約2000 h，季風明顯，四季分明，冬天寒冷，夏天炎熱，春秋兩季氣候適中，為典型的夏熱冬冷地區，平均溫度較安徽其他各城市略低。黃山的降雨主要集中在夏季，雨量適中。年均降水量約1000 mm，平均相對濕度為77%。根據中國氣象局氣象信息中心氣象資料室1971-2003年全國各地面氣象臺站的觀測數據，如圖2，最熱月為7月，月平均溫度為27.96℃，最高溫度可達36.20℃，最冷月為1月，平均溫度只有2.98℃，最冷溫度為-3.50℃。

圖2 黃山市全年逐時干球溫度

根據黃山市逐時含濕量情況可知(圖3)，空氣的最高含濕量值可達到28.07 g/kg，處于空調冷負荷最大的夏季。因此，該地區采用由經過處理的空氣來承擔全部的室內熱濕負荷的空調系統難以滿足舒適度要求。作為典型的濕熱氣候區，其空調方案設計宜考慮空調系統增加獨立的新風系統，互相承擔冷、濕負荷和新風負荷。

圖3 黃山市全年逐時含濕量

1.3 室內設計參數

參照工程設計資料，利用DeST-c對各房間功能參數進行設定，建筑物圍護結構及傳熱系數與建筑設計圖紙中提供信息一致，見表1，不同房間功能熱擾參數見表2，其中，人員、燈光及設備熱擾作息設定采用本辦公建筑工作作息。

表1 圍護結構參數

表2 室內設計參數

2 建筑模型及模擬工況設置

2.1 建立模型

運用軟件DeST-c對該辦公建筑建立模型，建筑模型圖見圖4和圖5。

圖4 建筑模型圖

圖5 建筑模型平面圖

根據黃山市的氣候因素，本工程夏季空調期設置為6月1日至9月 30日，冬季采暖期設置為11月15日至次年3月15日，在增加房間互通風與建筑內外通風的情況下，通過模擬，得到該辦公建筑空調季和采暖季的逐時冷、熱負荷變化趨勢，如圖6所示。建筑全年冷負荷主要集中在6～8月份，其中最大冷負荷為1092.93 kW；建筑全年熱負荷主要集中在12～1月末，其中全年最大熱負荷為525.00 kW。建筑物全年冷、熱負荷統計情況見表3。

圖6 建筑物全年逐時空調負荷

表3 建筑負荷統計表

2.2 系統方案模擬

夏熱冬冷地區辦公建筑常用空調系統包括：風機盤管加新風系統，定風量全空氣系統，變風量空調系統，分體式空調及多聯機等。針對夏熱冬冷地區特點，本文模擬該辦公建筑以下兩種空調工作方式：方式一，風機盤管加新風系統；方式二，變制冷劑流量多聯機系統+新風機組(帶熱回收)。

2.2.1 風機盤管加新風系統

根據系統負荷計算的冷負荷及scheme計算的額定風量選擇冷卻除濕設備，設備型號如表4所示。在空氣處理設備全局設定中對系統進行設定，系統選取單風機連接形式，采用蒸汽加濕器、電再熱器，設置無熱回收方式，進行風網模擬計算和空氣處理室模擬計算。

表4 選用盤管型號

結合夏熱冬冷地區的能源結構類型、冷熱源方案的能耗和經濟性情況，選用螺桿式冷水機組+燃氣鍋爐的冷熱源方案。利用冷熱源全局設定自動選擇冷熱源臺數和設備容量。依據建筑負荷，冷卻水系統選擇一機對一塔和一機對一泵的控制策略，冷源水系統形式為一次泵形式，水泵控制策略為一機對一泵。設置完成后進行水系統模擬計算。

2.2.2 VRV+新風系統方式

根據建筑負荷選用11臺室外機分層放置于室內機房或置于屋面，按房間需求選用105臺室內機，室內機可選吊頂嵌入式+風管天井式室內機，選用設備型號如表5所示。新風系統水平分層布置，其中辦公室、會議室、教室、閱覽室、展覽室用直接蒸發式新風機組和全熱交換器滿足室內新風。冷凝水設立管集中間接排至室外雨水井或衛生間。

表5 主要設備型號

3 建筑能耗模擬結果分析

根據建筑物各設定參數，利用DeST模擬分別得出該建筑物兩種空調模式下的能耗。對于采用冷水機組作為冷源的空調系統的能耗主要包括制冷機、冷凍水泵、冷卻塔、冷卻水泵、補水泵和風機等設備的運行能耗。熱源采用燃氣鍋爐的采暖系統能耗主要由熱源消耗量、一次泵電耗、熱源泵電耗、新風機組電耗等組成。模擬計算結果見表6。其中，水系統全年總電耗為345 055.8 kW·h，風系統全年總電耗為77 595.43 kW·h，空調全年累計耗電量為422 651.20 kW·h，單位建筑面積耗電量為52.68 kW·h。多聯機系統+新風機組(帶熱回收)的空調方式模擬得到的各設備能耗情況見表7，空調全年累計耗電量為341 478.64 kW·h。

表6 方式一各設備能耗統計表

表7 方式二各設備能耗統計表

通過兩種空調方式的能耗結果對比可知(表8)，采用方式二能夠降低該辦公建筑的全年空調能耗，節能率達19.2%。對于此辦公建筑，方式一全年累計耗電量中，冷熱水機組所占能耗比重最大，達50.7%，水系統設備能耗達30.9%，末端設備能耗為18.4%，因此水系統的節能潛力很大。由建筑物全年逐時負荷(圖6)可知，全年空調系統在部分負荷工況下運行時間較多，因此系統耗能與機組部分負荷下工作性能緊密相關，在部分負荷時，水泵的能耗高居不下，會形成能源的浪費。而方式二的室外機輸出可根據室內負荷的大小自動調節，在部分負荷時cop值較高，同時采用了新風熱回收裝置有效利用排風熱量(冷量)降低室內冷熱負荷，減少耗能。

表8 全年累計電耗對比

于經濟性而言，VRV空調系統由于室內外機的設備費用昂貴，初投資高于冷水機組+鍋爐系統，但運行過程中因VRV空調系統在部分負荷工況下優勢顯著，運行費用較低，而鍋爐冬季消耗燃氣，運行費用較高。此外，水機+鍋爐系統需設維護人員定期進行管道清理，鍋爐房需要設置安全措施，而VRV空調的年維修費用非常低，日常空調維護只需定期檢查重要元器件和室內機的過濾網清洗工作。從運行壽命上考慮，VRV空調系統運行壽命一般可達15年以上，水系統主機壽命可達15～20年，但水系統末端設備壽命為5～8年，設備更換費用增加。因此，此辦公建筑使用年限越長，采用方式二作為空調系統受益越大。

4 建筑能耗監測結果分析

為貫徹落實國家、省、市節能減排工作部署和要求，切實推進黃山市建筑能耗監測工作，提高能耗監管水平，黃山市于2017年底建成了國家機關辦公建筑和大型公共建筑能耗監測平臺，旨于2020年底前，實現國家機關辦公建筑和大型公共建筑能耗監測全覆蓋。此平臺涵蓋黃山市三區四縣及主要的機關、醫院、賓館、高校等，對全市主要公共機構、大型公建、辦公建筑能耗實行實時監測、統計、分析，為能源審計和能耗統計提供翔實準確的能耗數據，為公共建筑節能管理和節能改造工作提供技術支撐。

本文從黃山市公共建筑能耗監管平臺中選取該辦公建筑的2016年及2017年全年能耗統計信息，見表9。根據平臺所提供的月能耗數據，如圖7所示，對比得到該辦公建筑2016年度及2017年度的全年用能趨勢大致相同，春秋季用能較少，而冬夏季為用能高峰，符合夏熱冬冷地區各季度負荷特征，且兩年度全年最高用能月份同為7月，分別為99 659 kW·h和94 891 kW·h，最低用能月份同為4 月，分別為 30 496 kW·h 與 29 997 kW·h，2017年度相較于2016年度能耗有所降低，各月用電量差距與該月氣象參數、人員活動、節假日情況等因素相關。

表9 各年度建筑總能耗統計報表

圖7 兩年度月能耗用能對比

由于能耗分項計量工作量巨大，此平臺對于空調能耗的統計正在完善中。根據夏熱冬冷地區的空調季及采暖期，由圖6及圖7可知，建筑物全年逐時負荷于4月、5月、10月為低谷，空調系統基本處于關閉狀態，運用經驗算法，可將其統計平均值記為非空調季月基礎耗電量，并將總年耗電量與年基礎耗電量的差值近似作為全年空調系統能耗，計算結果見表10。

根據粗略計算(表10)，2016年度與2017年度空調年耗電量占建筑物總年耗電量分別為51.1%和49.5%，將此計算結果與上文模擬結果對比分析(圖8)可知，單位面積空調耗電量位于40 kW·h/m2～55 kW·h/m2范圍內，二者單位面積空調耗能數據偏差在15%以內，且采用模擬方式2的空調能耗最低，對于此建筑，適合采用方式2以滿足空調需求量并進一步降低空調能耗。因此對于夏熱冬冷地區辦公建筑，采用多聯機+新風熱回收系統方式具有一定的節能潛力。在實際工程運用中，可從逐月能耗數據方面將模擬能耗與實測能耗進行對比，以及將制冷、制熱、設備照明等進行分項用能對比，詳細分析引起差異的主要原因：氣象參數、人為因素、軟件計算方式、系統運行維護等，盡可能地采取有效節能措施。

表10 空調耗電量統計

圖8 單位面積空調耗能對比

5 結論

結合夏熱冬冷地區氣候特征，以黃山市某辦公建筑為研究對象，在相同冷熱負荷條件下，對兩種空調方式進行模擬分析，并將模擬結果與建筑能耗監測結果進行對比，得出的主要結論如下：

(1)運用DeST-c模擬冷水機組+燃氣鍋爐及多聯機+新風熱回收兩種空調方式下的耗電量，得出前者冷熱源能耗占比及節能潛力很大，采用后者能夠降低該辦公建筑的全年空調能耗，節能率達19.2%，運行費用降低。

(2)通過模擬結果與實測結果對比發現，二者空調耗能數據偏差范圍在15%以內，且采用多聯機+新風熱回收系統的空調模擬能耗最低，為42.5 kW·h/m2，因此夏熱冬冷地區該類辦公建筑可考慮采用此系統進一步降低能耗。

(3)通過軟件模擬結合能源監測的方式能佐證空調方案選擇的合理性，得出系統受外界因素影響程度的大小，進而采取節能措施，有助于建筑的低能耗運行，對夏熱冬冷地區辦公建筑節能潛力分析有一定的參考意義。