既有航天科研建筑能源系统调适技术和节能分析

摘要： 在建筑建造和运行的全寿命周期里，我们过度地关注设计和施工阶段，而对于系统的使用和运行，很少引起重视。从节能角度，设计阶段采取的各种节能措施，必须通过实际使用和运行其节能效果才能得到体现。本文针对航天办公科研类建筑普遍存在的运行能耗和维护费用高等问题，通过能源审计、能耗数据分析，对主要用能系统进行诊断监测，分析节能潜力等，提出对围护结构、机电系统的调适方案，实现了既有航天科研建筑能源系统的节能高效运行。

关键词： 既有航天科研建筑  能源系统  调适

建筑调适（Commissioning）起源于欧美发达国家，目前已成为很多国家建筑节能的一个重要管理手段 ^[1] ，但是其在我国的发展还处于刚起步阶段。“调适”不同于“调试”，它不仅针对于暖通空调系统，还针对于围护结构、照明系统等 ^[2] 。总的来说建筑调适是通过对设计、施工、验收和运行维护阶段进行全过程监督和管理，保证建筑能够按照设计和用户的要求，实现安全、高效的运行和控制，避免由于设计缺陷、施工质量和设备运行产生问题。调适作为一种质量保证工具，包括调试和优化两重内涵，是保证建筑系统实现节能和优化运行的重要环节 ^[3] 。为进一步强化调适技术应用，国家现行《绿色建筑评价标准》中首次将其运行评价指标列入评分项中，此举也是我国大力推行建筑调适的重要举措，有利于促进了建筑调适技术的发展。

建筑调适既可以针对于新建建筑也可以针对于既有建筑 ^[4] 。既有建筑调适的含义是通过实施相对低成本的维护改进，来改善现有建筑物系统性能，确保建筑物的性能满足业主期望 ^[5] 。目前航天系统内既有科研建筑普遍存在着运行能耗高、维护费用大等问题。为降低这类建筑能耗，使建筑能源系统能够持续高效运行，有必要对该类建筑开展调适工作。

本文选取了某既有航天典型科研建筑，通过能源审计、能耗数据分析，对重要用能系统进行诊断监测，分析节能潜力等步骤，提出该建筑的调适方案，实现了既有航天科研建筑能源系统节能和优化运行，为研究建立既有建筑能源系统调适关键技术路径、能源监测系统技术、数据处理技术、硬件体系、评价体系，为形成既有航天科研建筑能源系统调适技术体系提供了基础保证。

该既有航天典型科研建筑位于寒冷地区，于90年代投入使用，为6层单体建筑，主体建筑高度23.7m，建筑面积8600m2，其中科研试验、办公面积为6900 m2 。该建筑设置有空调、电梯、消防设备、各种办公设备及照明灯具等。

本建筑的外围护结构采用370mm厚的空心砖墙体，外贴40mm厚聚苯板，外窗均为单层玻璃铝合金窗，现浇钢筋混凝土屋面。空调系统的形式为风机盘管加新风系统，部分房间采用集中式全空气系统，冷热源采用11台模块式风冷热泵机组，放置在建筑的楼顶。主要用电系统包括空调系统、照明系统、插座系统、动力系统以及给水系统，其中插座耗电为室内设备耗电，该建筑电器配置主要有台式电脑、打印机、饮水机等，建筑的照明系统主要分为公共照明、办公室内照明两部分。本建筑主要用能设备见表1。

对既有建筑进行调适需要对建筑进行能源审计，作用是通过对用能建筑的能源使用效率、能耗水平以及能源利用的经济效果、环境效果等进行监测、诊断、评价，发现节能的潜力，估算建筑总体的节能量。能源审计按住房城乡建设部建筑节能与科技司2016年发布的公共建筑能源审计导则进行 ^[6] 。

能源资源统计的主要程序为现场调查、现场测试、数据采集，主要包括建筑耗能、耗水设备及建筑供配电系统，根据调查情况确定现场测试设备及核查方案。现场测试主要耗能设备功率、房间照度和空调系统送风末端风速及温度等内容。调阅能源账目文件、相关的用能设备原始文件，审阅能源管理文件，审阅设计图纸和运行记录等。

为了衡量企业在标准状态下的用能量，合理评价企业用能水平，根据《综合能耗计算通则》GB/T 2589-2008 ^[7] 、国家相关行业政策，选用科学的折算系数计算标准煤消耗量。其中电力折合标准煤系数为0.34kgce/kWh，天然气折合标准煤系数为1.2143kgce/kWh。

3.2.1  能源消费结构

该建筑年总电力消耗量约为63.07万kWh，折合标准煤约为214449.90kgce，全年电力费用为53.25万元；年用水资源消耗自来水1.38万吨，年水费用为6.72万元。总计能源费用为59.97万元。全年能源费用结构及各部分占比如图1所示。

3.2.2  能源分类指标

建筑能耗指标由能源消耗总量除以建筑面积或人数得到。按照所使用面积6900m2，人数300人，得到单位面积电耗量为91.41kWh/m2，人均水耗量46.08（t/人·a）。

对该典型建筑进行能耗特征分析的目的是明确各部分能耗状况，寻找节能潜力，确定该建筑的调适或节能改造方向。对该栋建筑的能耗特征分析从建筑围护结构、建筑分项能耗、建筑分项电耗、建筑总能耗方面进行。

3.3.1  围护结构

为了评价该建筑围护结构的节能潜力，将该建筑的围护结构热工参数与现行《公共建筑节能设计标准》 ^[8] 做出对比见表2。由于该建筑设计年代较早，部分热工参数与现行节能标准相差较大，导致建筑冷热负荷偏高。由于建筑屋面改造工程量较大且负荷占比不大，仅考虑更换传热系数小的节能外窗。

3.3.2  建筑总能耗分析

该建筑全年逐月耗电量如图2所示，逐月耗电量呈现较大波动，耗电量最多的是8月份，原因为8月份室外平均温度高，空调系统的冷量需求增加使得耗电量增大。1月和12月份的耗电量也比较大，这是由于该建筑的冬季空调供暖，使得总耗电量增加。

3.3.3  建筑分项能耗分析

由于该建筑未设置能源分项计量平台，所以需要从总能耗中进行拆分以确定各用能系统的分项能耗。能耗拆分方法采用各分项系统的用能设备额定功率之和乘以各自的年平均运行时间，得出各系统的理论耗电量，再用各系统的理论耗电量占整个单位的总理论耗电量的比例乘以全年实际消耗的总电量，计算得出各分项系统的能耗数据。通过能耗拆分计算得到各个系统耗电情况统计见表3，表中参考值来源于清华大学建筑节能中心刘烨编写的《公共建筑用能定额指标研究》 ^[9] 。

各系统用能分析如下：

制冷系统用能：该建筑采用11台模块式风冷热泵机组，空调系统包含半集中和集中式空调系统，全年制冷系统耗电量为18.6万kWh，供冷系统耗电约占总能耗的30%，每年每平方米的耗电量达到26.98kWh，该值与供暖系统的单位面积耗电之和，高于行业内暖通空调系统参考值；其原因包括围护结构热工性能不满足现行节能设计标准，以及建筑内部分房间设置了排风系统和补风系统且部分时间段连续运行补风等。

供热系统用能：该建筑冬季采用的空调系统进行供热，整个供暖季的耗电总量为18.2万kWh，单位面积的耗电量是26.45kWh/m2，也高于行业内参考值。

照明系统用能：照明系统和插座的耗电均低于行业参考值，用能较为合理。

动力系统用能：动力系统单位面积电耗指标为3.21kWh/m2·a，略高于同类地区参考值3kWh/m2·a。

分项电力消耗分析：经能耗拆分，照明用电量为8.7万kWh，制冷系统用电量为18.6万kWh，供热系统用电量为18.2万kWh，动力系统用电量为2.2万kWh，插座系统用电量为15.3万kWh，以下是该建筑的电力消耗分布图。

根据上图看出，供冷、供热系统的电力消耗占比最大。

由以上建筑能耗特征得知，空调系统能耗占建筑总能耗最高，应对围护结构以及空调系统用能设备进行节能潜力分析，提出调适的方案并通过能耗模拟进行验证。

根据前文的分析，该建筑外窗是单层玻璃铝合金窗，传热系数为6.01W/（m2·K），远远高于现行公共建筑节能设计标准中外窗传热系数热工参数的限值，所以对建筑的外窗更换为传热系数低、保温效果更好的产品。如更换为断热铝合金Low-e中空玻璃窗，综合传热系数达到2.27W/（m2·K）。因为Low-E玻璃具有高可见光透过率，高红外热辐射反射率、低吸收率的特点，冬季能够有效地防止室内热量的散失，夏季减少太阳直接辐射进入室内的得热，同时不影响室内采光 ^[10] 。中空玻璃则是在双层玻璃中充入惰性气体，大大降低玻璃窗的传热系数 ^[11] ，中空玻璃的传热系数一般为单层玻璃的29%～56%，而且遮阳系数可以达到0.4，热损失可减少约70%左右，从而有效地降低空调冷热负荷，进而降低空调系统的能耗。

为了衡量围护结构调适前后的效果，采用度小时法计算外窗改造前后建筑热负荷的变化量，从而得出外窗改造后的节能量。采暖期度小时数DHh定义为室内设计温度t _bal =20℃与采暖期室外平均温度之间的温差，乘以采暖季的小时数的数值；可得夏季空调期度小时数DHc以室内设计温度t _max =26℃为基准，度小时数单位为℃·h。

以下分别为采暖期和空调期的度小时数计算公式，式中t _i 为室外平均温度：

（1）

（2）

计算可得该建筑采暖期度小时数DHh=58573.39℃·h，空调期度小时数DHc=3264.90℃·h，室外温度超过26℃的小时数N _max =1201。

计算外窗改造前后建筑冷热负荷的变化量，建筑物冷热负荷计算公式分别为以下公式，式中F _i 为被改造围护结构的面积；ε _i 为各朝向围护结构修正系数，东西朝向取0.43，南向取0.32，北向取0.47；K _i 为围护结构传热系数。

（3）

（4）

该建筑所在地区冬季供暖时间为每年11月15日至3月15日，表4给出外窗改造前后各个参数。则计算可得外窗改造后的冬季耗热量折合标准煤11515.63kgce，外窗改造前的耗热量折合标准煤30090.85kgce，即外窗改造后的冬季供暖节能量折合标准煤18575.22kgce；同理改造后夏季需冷量折合标准煤2058.60kgce，外窗改造前的需冷量折合标准煤5379.21kgce，即外窗改造后的节能量折合标准煤3320.61kgce，该建筑改造前后冬夏季总节能量折标煤：21895.83kgce。最终可得出改造该建筑的围护结构外窗的节能率为61%，外窗调适成果如表5所示。

4.2.1  空调水系统和风系统

空调的水系统具有的负荷和环境因素的不确定性，多参量以及参量间的互相关联和影响等。本项目的水系统水泵为定频泵，节能措施为增加水泵变频，控制方式采用PID模糊预测算法，当气候条件发生变化时，空调冷冻水系统供回水温度、温差、压差和流量随之变化，流量计、压差传感器和温度传感器将检测的参数送至模糊传感器，模糊控制器依据所采集的数据和系统经验数据，根据模糊预测算法模型、系统特性及循化周期，通过推理、预测出未来时刻空调符合所需要的制冷量和系统运行参数，并以此调节各变频器输出频率，控制冷冻水泵的转速，使系统输出能量与末端负荷需求相匹配，降低了空调系统的能耗。

空调风系统包括风机、新风机组、空调机组及空调末端设备，对风系统进行有效的调适可以确保风系统安全可靠运行，保证室内空气质量；从而提高用户的满意度、减少运行能耗。风机的调适部分包含：安装检查、试运转检查、静态性能检查。在风机试运行过程需测量风机全压值和风量，通过全压值计算单位风量耗功率，与现行《公共建筑节能设计标准》中的要求进行对比。空调机组的单机调适包括安装检查、运行检查、末端调节、送风量调节。

由于部分测试试验间人员变化幅度较大，根据此特点本项目调适增加室内二氧化碳浓度监测控制，动态调节新风量系统的新风量。

以本建筑64m2测试试验间为例，室内5m2/人，房间内人数约13人，人员新风量30m3/h·人，该房间新风量为390m3/h，当室内人员为7人时，室内新风量的需求为210m3/h，且满足维持室内正压的风量要求：60x3x0.6=115m3/h，节约运行风量Lj=180m3/h，节约风量46%。冬季室外空调设计参数为Tw=-9.9℃、室内设计参数为Tn=20℃，以采暖期的室内外平均平均温差20℃估算。全天按h=3h计，冬季减少新风耗热量Qw=CxMjxΔT=1.01x1.2x180x20x3=13089KJ。

以20个试验间估算，本楼冬季新风系统节约新风耗热量314136MJ。

4.2.2  空调系统全年能耗模拟

为了验证提出的调适措施有效，利用DOE-2软件对建筑物空调系统的全年运行能耗进行模拟。DOE-2是一个功能强大的建筑能耗模拟软件，由劳伦斯伯克利国家实验室开发，是目前公认为最经典、最权威的建筑能耗模拟软件之一。

（1）室内参数及空调系统的设定

模拟建筑的围护结构体型系数、热工参数按照实际案例建筑设置，其中外窗传热系数为进行改造调适后的传热系数2.27W/（m2·K），各个房间参数如下表所示。空调设备情况为使用两管制风机盘管空调面积4569m2，使用组合式空调器空调面积2304m2。空调水系统水泵及风系统的风机运行工况选取为变频工况；冷水机组运行耗电量按负荷比例设置。

（2）全年能耗模拟结果

图4表示冷出水机组不同负荷运行的时长百分比图，可得出机组在部分负荷时运行时间较长。

图5为冷水机组在采暖季和空调季的各月峰值负荷情况。其中1月供暖季的负荷峰值约为840kW，7月达到空调季的负荷峰值约为860kW。

此外，模拟还得到空调系统的分项能耗列于表7中。在对该案例建筑调适之前，空调系统的全年运行电耗为53.43kWh/m2，经过调适后模拟的空调系统的全年运行电耗为42.38kWh/m2，节能率达到21%。

（1）本课题针对既有航天典型科研建筑，从建筑能源计量、建筑能源定额管理方面，对典型建筑能耗情况进行了调研和测试，详细了解建筑物的冷热源形式、电器配置情况、建筑生活用水情况、照明和供配电工艺、能源统计状况。根据设备运行记录及各类用电负荷的设备容量、运行时间及运行规律，详细汇总、计算出1年各类用电负荷的分项电耗，并根据审计期的耗电量、耗水量等能源账单，进行能耗特征分析及用能系统能耗拆分。

（2）根据建筑围护结构，建筑总能耗，建筑用能，以及建筑分项能耗对建筑用能进行分析，得出既有建筑的能耗特点并根据分析结果，通过查阅国外既有建筑能源系统调适的案例及文献，对其进行评估和能耗诊断，找出存在的问题，提出节能调适策略。

（3）在既有建筑调适技术方面侧重于暖通空调系统的调适，列出了空调系统包括冷热源、水系统、风系统各分系统的调适技术要点，3类系统的调适类型包含了单机调适和联合调适技术。建筑围护结构调适是通过安全性、功能性和节能性评估，验证围护结构热工性能是否符合建筑节能要求。照明系统的调适重点是功能性测试，验证照明及其控制系统能否正常工作，达到使用要求。为降低照明电耗，应优先采用高效节能型照明设备。

（4）根据对既有建筑的调研和分析，提出具有针对性的调适方案，通过计算机仿真模拟手段，分析目标建筑所用调适技术的综合性能，模拟计算建筑的节能量，预估调适方案的合理性和节能效果。

（1）通过对既有建筑的围护结构外窗进行节能改造，外窗冬夏的节能率可达61%。

（2）通过对围护结构、水系统和风系统调适，使得空调系统的全年运行电耗指标由调适前的53.43kWh/m2减至调适后的42.38kWh/m2，既有建筑总节能率约为26%，显著降低了系统运行能耗。

（3）课题基于对既有航天科研建筑能耗特征分析，通过对机电设备单机调试和各系统间联合调适，提出适用于航天既有典型科研建筑的调适技术方法，该技术方法可在办公科研类公共建筑中推广应用。