基于EnergyPlus的某高校供暖系統運行節能優化分析

焦震 姜海洋

濟南城投設計有限公司

0 引言

能源是人類一切活動的物質基礎。實現能源的高效利用是人類社會進步與發展的重要因素?，F如今，能源問題已成為全世界共同關注的問題，與此同時，能源問題也嚴重影響制約著各個國家的經濟發展，實現能源的高效利用，對于實現可持續發展具有重要意義[1]。據相關資料顯示，隨著我國城市化進程的不斷加快，產業結構的不斷調整，第三產業占GDP 比例的大幅度增加，我國建筑能源損耗比例將提高至歐美等發達國家的33%[2]。針對于能源的研究與探索發現，實現建筑的節能是各種節能方式中最為有效與直接的方式，對于減緩能源緊張，加快經濟社會發展具有決定性意義。

目前高校建筑存在能耗高、用能多的問題，華北地區屬于寒冷地區，冬季建筑供暖能源需求大[3]，本文針對華北地區某高校教學樓為例，對該高校供暖系統運行方式進行優化分析。根據建筑實際供暖運行數據，分析建筑供暖效果和運行能耗，并通過能耗軟件建立模型對供暖運行調節方案進行優化，為提高高校建筑供暖效果，節能減排提供重要的依據[4]。

1 工程概況

該高校位于華北地區，學校占地面積1500 余畝，建有教學中心、圖書館、科研實驗中心、學生宿舍、教師公寓、國際文化交流中心、大學生活動中心、室內綜合訓練館等。

本文選取該高校的逸夫教學樓為研究對象，建筑總面積17540.00 m2，地上六層，層高3.9 m，本工程為磚混結構，外墻為240 mm 厚粉煤灰黏土燒結磚，外抹40 mm 厚聚苯顆粒保溫抹灰材料，外墻傳熱系數為0.876 W/(m2K)，屋頂傳熱系數為0.615 W/(m2K)，窗戶傳熱系數為4.14 W/(m2K)。主要用電設備包括燈具、教學用電腦、教學用投影儀等。該教學樓內主要為教室，各教室主要用途是教師授課和學生自習，均全天開放。圖1 為模擬教學樓的平面圖。

圖1 教學樓平面圖

2 模型搭建

對該教學樓搭建如圖2 所示的模型圖進行模擬分析，模擬參數設置如表1 所示。

圖2 Energyplus 軟件模型圖

表1 模擬參數設置

3 模型驗證

本文選取1 月15 日全天24 h 模擬數據與實測數據進行對比，具體結果如圖3、4：

圖3 1 月15 日教學樓24 小時室內溫度模擬與實測溫度對比圖

圖4 1 月15 日教學樓24 小時室內能耗模擬與實測能耗對比圖

從圖3、4 可以發現，模擬結果與實際測試結果吻合程度較高，在供暖期內的1 月15 日早晨7:00-晚上22:30 室內實測溫度比室內設計溫度較高，能耗較低。圖5 為整個供暖季教學樓累計總能耗模擬值與實測值的對比圖。

圖5 供暖季教學樓累計總能耗模擬值與實際測試值對比

以電能折算標準煤系數0.1229 kgce/kWh 計算，實際運行的供暖系統消耗標準煤 861123.3 ×0.1229=105832.1 kgce，單位面積年消耗標準煤為6.03 kgce/(m2·a)。模擬累計年供暖消耗標準煤814623.3×0.1229=100117.2 kgce，單位面積年消耗標準煤為5.7 kgce/(m2·a)，模擬與實際測試數據年累計能耗誤差Δδ=（6.03-5.7）/6.03×100%=5.4%，模擬數據與實際測試數據誤差在8%以內，說明所搭建的模型具有較高的準確性。

4 方案優化對比分析

建筑供暖系統間歇運行可良好的運用建筑物的蓄熱性能，合理實現保證建筑室內供暖溫度情況下建筑供暖的運行節能，因此建立不同時間間歇運行控制機制如表2：

表2 建筑間歇運行控制機制

4.1 模擬結果

從圖6～11 分析可知，3 個方案供暖季除寒假1 月20 日至3 月4 日外，白天室內溫度均維持在18 ℃，夜間溫度均維持在5 ℃，室內溫度滿足設計要求，在寒假期間，由于天氣較冷，房間內沒有人員活動，室內為防凍，將全天室內溫度維持在5 ℃，采用低溫運行模式。

圖6 方案一供暖季室內逐時溫度模擬結果

圖7 方案一供暖季室內逐時能耗模擬結果

圖8 方案二供暖季室內逐時溫度模擬結果

圖9 方案二供暖季室內逐時能耗模擬結果

圖10 方案三室內逐時溫度模擬圖

圖11 方案三室內逐時能耗模擬圖

建筑全天均需要建筑供暖，均存在供暖能耗，其中溫度設置為18 ℃的室內有人員活動期間，建筑供暖能耗明顯較大，夜間采用低溫供暖防止室內結凍時建筑供暖能耗較小，夜間室外溫度較白天室外溫度低，但由于室內溫度設置較低為5 ℃，故夜間建筑能耗較低在合理范圍內。

將建筑供暖不同運行機制情況下的整個供暖季建筑供暖累計能耗對比，如圖12 所示。

圖12 三種供暖間歇運行控制機制方案建筑累計能耗對比圖

由圖12 分析，方案一在中午太陽輻射較強的11點和12 點對室內供暖進行關閉，由于室內供暖關閉后室內供暖設備中仍有部分余熱可以向室內散發以及通過透明圍護結構進入房間的熱量，可滿足室內供暖需要。方案二在下午墻體等建筑圍護結構吸收太陽輻射蓄熱較多時的15 點和16 點對室內供暖進行關閉，首先由于室內供暖關閉后室內供暖設備中仍有部分余熱可以向室內散發。其次，建筑圍護結構此時蓄熱較多，溫度相對較高，室內需熱量較小，故方案二室內得熱較方案一多，因此方案一能耗較方案二高。方案三兼顧方案一和方案二特點，故方案三能耗最低。

綜合圖6～12 分析得出，建筑供暖采用間歇運行可在保證建筑供暖溫度的情況下降低室內供暖能耗，采用不同的間歇控制機制可做到滿足室內舒適性的前提下能耗節省最大化。同時，方案三較方案一和方案二更具節能潛力。

5 實際供暖能耗分析

5.1 實際供暖能耗分析

根據對該高校供暖能耗測試結果，選取12 月29日對該高校教學樓室內溫度及供暖能耗進行分析，同時與通過能耗模型模擬的間歇優化方案三的供暖溫度和能耗進行了對比，分析優化方案的節能量及環境效益。

圖13 為實際測試供暖室內溫度及優化方案模擬溫度值，在供暖期內的12 月29 日早晨7:00-晚上22:30 室內實際測試溫度要比室內設計溫度高一些，優化方案模擬的室內逐時溫度為18 ℃，與室內設計溫度相同。室內實際測試溫度比設計溫度高的原因為該日教室學生上課較多，教室上座率較大，室內熱源較大，室內散熱量較大，因此這是供暖季的一個有利因素，室內溫度較設計溫度18 ℃高一些。

圖13 12 月29 日24 小時實際測試室內溫度值

圖14 為12 月29 日教學樓實際測試能耗及優化方案模擬能耗值對比，從上圖可以了解得到，間歇時間段建筑供暖能耗為0，在間歇過后剛開始供暖的一個小時內，建筑供暖能耗有一個突增趨勢，然后逐漸降低，原因為在建筑停止供暖的兩個小時內，建筑圍護結構向室內和室外散熱，溫度降低，蓄熱量變小，建筑開始供暖時，建筑圍護結構吸熱量較大，因此此時所需供暖能耗較大，相比連續供暖時有突增趨勢。

圖14 12 月29 日24 小時實際測試教學樓供暖能耗值

通過圖15 可知，整個供暖季實際測試累計供暖能耗為861123.3 kWh，優化方案間歇供暖方式整個供暖季供暖能耗為779921.6 kWh，相較于連續運行模式整個供暖季節能81201.7 kWh 電能。

圖15 供暖季教學樓實際測試與優化方案供暖能耗對比

5.2 優化方案節能量分析

根據上述對優化方案和實際測試結果的分析，供暖季采用間歇運行方案時較為節能，對間歇運行優化方案與實際運行測試的節能量研究[6]如下：

年供暖能耗面積指標

式中：q 為年供熱能耗面積指標，kWh/(m2·a)；Q 為年累計供暖能耗，kWh；F 為供暖面積，m2。

根據式（2）計算出實際運行年供暖能耗面積指標：qs=Q1/F=861123.3/17540=49.09 kWh/(m2·a)。間歇運行優化方案年供暖能耗面積指標：qm=Q2/F=779921.6/17540=44.47 kWh/(m2·a)。則年供暖能耗單位面積節能量為4.63 kWh/(m2·a)。

以電能折算標準煤系數0.1229 kgce/kWh 計算，實際運行的供暖系統消耗標準煤861123.3×0.1229=105832.1 kgce，單位面積年消耗標準煤為6.03 kgce/(m2·a)。間歇運行優化方案年供暖消耗標準煤779921.6×0.1229=95852.36 kgce，單位面積年消耗標準煤為5.46 kgce/(m2·a)。優化方案較實際運行年節約標準煤9979.69 kgce。單位面積年節約標準煤0.57 kgce/(m2·a)。

6 結論

本文通過對華北地區某高校供暖系統的研究,得出以下結論：

1）根據對某高校實際供暖系統的測試對比分析得出，模擬與實際測試數據年累計能耗誤差為5.4%，模擬數據與實際測試數據誤差在8%以內，證明所搭建的模型具有較高的準確性。

2）通過對建筑供暖系統間歇運行時間的三個方案的比較分析，發現該高校某教學樓在采用11:00 至13:00 和15:00-17:00 間歇運行控制機制時可滿足室內舒適度要求，并且能耗最低為779921.6 kWh。

3）通過最佳間歇優化方案能耗模擬數據與實際測試能耗模擬數據進行對比發現，間歇運行優化方案較實際供暖運行節能81201.7 kWh，年供暖能耗單位面積節能量為5.46 kWh/(m2·a)；折算節約標準煤9979.69 kgce，單位面積年節約的標準煤0.57 kgce/(m2·a)。