节能诊断与初调节在某绿色建筑中的应用_secret.doc

节能诊断与初调节在某绿色建筑中的应用

摘要
当前绿色建筑评估虽然涵盖全过程管理，却注重设计阶段，忽略对运行管理阶段的监督和指导，导致某些节能设备没有高效运行。节能诊断和初调节可以发现并改正错误，使设备正常运行，解决建筑的验收与运行管理之间的脱节问题，真正落实绿色建筑理念。本文通过某绿色办公建筑的实测结果，论证节能诊断和初调节对于绿色建筑与公共建筑节能的重要性。
关键词
绿色建筑 节能诊断 初调节
1．背景
1.1 绿色建筑评估
绿色建筑希望消耗最少的能源和资源，给环境和生态带来的影响最小，同时为居住和使用者提供健康舒适的建筑环境与良好的服务，是能对自然环境和居住环境做出全面响应的建筑。科学的评分标准和体系是定量评价绿色建筑的一种方法。发达国家通过制订绿色建筑评估体系来全面评价建筑物是否达到相应的绿色标准，如美国的绿色建筑评估体系LEED,对建筑材料、构件是否为绿色产品均有相应的产品评定和标识。2003年8月，我国推出《绿色奥运建筑评估体系》（GOBAS）,它是我国首个真正意义上的绿色建筑评估体系[1]。
绿色建筑的评估体系既可作为评估工具,又可作为设计参考,对我国绿色建筑产业发展发挥着一定的指导作用。
1.2 建筑初调节与节能诊断
我国基础建设过程一般分为规划方案、建筑设计、施工、调试验收和运行管理几个阶段。每个阶段中的任何一个环节都对建筑最终的“绿色性”有决定性影响，任何一个环节也不能忽视。
我国的绿色建筑节能工作刚刚起步，绿色建筑评估体系虽然涵盖建筑全过程，却往往把重心放在设计阶段，忽视对施工、调试验收和运行管理的监督和评估。当前的基础建设项目中，特别是功能和系统复杂的公共建筑，工程验收和建筑系统试运行之间存在脱节，导致绿色建筑中建筑环境控制系统，没有在合理的工况下运行，导致无效耗能。
通过对某绿色建筑进行节能诊断和初调节，发现某些节能设备并未高效运行，存在无效耗能的问题。而通过初调节和节能诊断，可以使系统合理运行，实现真正意义的低能耗绿色建筑。
2建筑概况与诊断方法
2.1建筑概况
某办公建筑位于北京，建筑面积为13225 m2，地上8层，地下2层，建筑高度30.3米。该办公建筑作为绿色示范建筑，非常注重设计中的节能，采用了保温性能良好的围护结构、高效节能灯具、转轮式热回收系统、太阳能提供生活热水、光伏发电，绿地总面积8817m2的屋顶花园等措施，如下表1所示。
表1 节能措施
设计内容
节能措施
围护结构
外墙：舒布洛克复合型墙体k=0.62W/m2·k
外窗：LOW-E型玻璃外窗k=1.65W/m2·k，太阳辐射系数SHGC=0.28，可见光透射系数TVIS=0.41；南向外窗一律采用遮阳板和反光板。
屋面：160厚水泥聚苯保温屋面k=0.64W/m2·k。
空调系统
首层门厅、休息厅及三～八层办公及会议区采用风机盘管加变风量新风系统的吊顶空调方式
二层展厅部分采用架空地板送风复合型空调送风方式
屋顶设转轮式全热回收机组，让排风与新风进行全热回收
冷源采用二台高效双机头电制冷水机组，COP=4.4，制冷剂采用氟利昂替代产品R134a
照明
采用带电子镇流器的T5灯和部分T4灯，所有照明器具由感光器、人体感应器结合计算机中央控制
太阳能
配置太阳光伏发电系统，配电总功率为19kW

设计阶段根据DOE2模拟，该建筑单位建筑面积年用电量约40度，如下表2所示：
表2 设计阶段模拟能耗结果
项目
照明
办公
生活热水
HVAC
总计
用电量/万度
22.5
9.7
2.8
17
52
单位面积电耗/度/m2
17
7
2
13
39

由于本建筑在能源消耗以及能源对大气污染方面均得到了较好分值；在节水方面也采取一定的有效措施，采用大量节水器具，设计安装雨水收集系统，因此在GOBAS评估中，在设计阶段，本建筑综合评估结果在Q/L二维图上位于B区，属于绿色建筑[1]。在LEED绿色建筑评估中获得金奖，如下图1和图2所示：

图1：GOBAS评估结果
图2：LEED评估结果
2.2 诊断方法
该绿色建筑系统投入运行后，进行了一个月（2004年7～8月）的现场测试和半年（2004年7～12月）的能耗数据采集，主要工作包括：
1：了解系统实际运行现状
2：发现问题，改正错误，使得设备正确运行
3：提出系统合理运行方案
4：能耗分析与评估
表3 节能诊断内容
诊断项目
诊断方法
时间
电耗
各月电费，管理人员每日记录
2004年
冷机性能
现场测试
2004年7月～8月
空调泵效率
冰蓄冷运行
转轮效率
3．结果与讨论
3.1建筑实际运行能耗
2004年，该绿色建筑全年用电量为98万度，单位建筑面积年用电量为74度，电耗构成如表4所示，各部分比例如图3所示。根据对2004年北京市各类建筑的能耗调查数据[2]，北京写字楼单位建筑面积年用电量为100～195度。该绿色建筑低于同类的写字楼用电量，但高于设计阶段模拟结果88％。
表4 2004年各项电耗
项目
照明
办公
电梯
给排水
HVAC
总计
用电量/万度
18.6
24.9
7.8
6.8
36.4
98
单位面积电耗/度/m2
14
19
6
5
28
74

图3： 2004年建筑累计电耗分项统计
主要特点是：
1．由于实际办公人员密度是设计时的2倍左右，导致办公设备电耗为16.8 kWh/m2，远高于设计阶段;
2．单位建筑面积照明年电耗为18.6万度，即14kWh/m2，与设计阶段照明能耗相差不大；
3．给排水和电梯2004年电耗为14.6万度， 即11kWh/m2，在全年电耗中所占比例为15%，设计阶段未考虑;
4.空调系统电耗是设计阶段的两倍之多，为24.5kWh/m2，占总能耗的37%。每月电耗如下图4所示，可以看出在4、5、10月份这三个月份电耗最低，约为6万度；电耗的高峰出现在7、8月份，为空调耗电量最大的时期。

图4：2004年建筑逐月电耗
3.2 HVAC系统电耗与风机耗电
HVAC系统各设备电耗和电机装机功率如表5所示，其电耗和装机功率在HVAC系统的比例如图5和图6所示。可以看出，空调风机的装机容量占总装机容量的13%，而实际电耗占总电耗的39%；风机盘管的装机容量占总装机容量的13%，而实际电耗却占总电耗的22%；冷机的装机容量占总装机容量的57%，而实际电耗占总电耗的18%。空调风机和风机盘管的电耗比冷机电耗还要大，测试发现空调风机电耗高主要原因是：
1.由于未进行初调节，供冷期空调风机全天24小时运行；
2．所有空调风机均设计阶段为变频调节，而实际情况是风机始终以最高转速下运行；
3.办公人员节能意识薄弱，下班后没有关闭风机盘管，自动控制系统也处于只监不控的状态，风机盘管长时间工作，整个空调季风机盘管电耗比冷机电耗还要高；
表5 空调系统装机功率与年运行电耗

冷机
泵
AHU
FCU
装机功率kW
139
60
31
15
全年累积电耗/万度
6.6
7.7
14.0
8.0

图5： 空调系统系统各部分装机功率
图6：2004年建筑空调各项累计电耗
3.3冷机运行状况与电耗
该建筑采用两台高效双压头电制冷机组，一台介质为水（1＃冷机），另一台用于冰蓄冷工况，介质为浓度为20%的乙二醇水溶液（2＃冷机），。部分负荷下进行1＃冷机单机制冷；负荷较大时采用两机同时工作；在负荷更大时还可以利用冰蓄冷，采用融冰+单机制冷或者融冰+双机制冷的模式。图7为夏季典型日1＃冷机的运行情况， cop在4.5左右，略低于设计值的4.8；图8为夏季典型日2＃冷机的运行情况，cop在4左右。两台冷机在普通制冷模式下COP相差不大，2＃冷机稍微小一点，由于2＃冷机的出口温度比1＃冷机低一些，没有工作在最佳工况，因此比水机的出力稍小一些。冷机效率相对较高，这是冷机电耗偏低的主要原因。

图7：冷机1＃典型日工况
图8：冷机2＃典型日工况
3.4冰蓄冷运行情况
测试发现蓄冰时间过长，况需要17小时，远超过设计的8小时蓄冰，系统无法正常运行。2＃冷机的设计流量为60m3/h，图9中可知，在两次蓄冰工况中，冷冻剂的流量分别为30.3 m3/h和45.6 m3/h，没有达到设计流量，导致冷机工作效率低，蓄冰时间过长。

图9：蓄冰工况的 cop与流量
在蓄冰工况（1）时，冷冻剂的流量为30.3 m3/h，检查管道阻力如图10，如图11管道电动阀的阻力为34米水柱，检查该阀，发现电动阀开度仅为25%，导致整个管路的阻力上升到57米水柱，水泵工作点严重偏离设计点，流量下降到30.3 m3/h。

图10：蓄冰工况（1）管道阻力
图11：蓄冰工况（1）电动阀
打开阀后，流量升高到45.6 m3/h，此时观察各设备的压降，发现三通阀处的压降为43米水柱。调节三通阀，流量不能继续增大，经检查，发现三通阀方向装反，与管道口径不匹配，因而阻力非常大。通过调节，2005年夏天冰蓄冷系统已经能够正常运行。

图11：蓄冰工况（2）管道阻力
图12：蓄冰工况（2）三通阀
3.5水泵运行情况
输配系统的效率也严重影响着能耗。该建筑采用一级泵系统，两台冷机分别对应两台冷冻水泵和两台冷却水泵。这五台冷水泵和采暖泵的全年电耗占整个空调系统电耗的21%，比冷机的电耗还要大，从下表6结果可以看出冷却泵效率低于30%，冷冻泵低于50%。经诊断，主要原因为是设计选型过大，导致效偏低。

图13. 水系统示意图

表6 泵效率（双机制冷工况）
机组
流量/m3/h
电流/A
扬程/m
设备出力/kw
功率/kw
效率/%
泵－冷冻1#
61.2
11.1
17
2.89
6.34
45.6
泵－冷冻2#
59.4
11.2
17
2.81
6.40
43.8
泵－冷却1#
55
16.1
17
2.60
9.20
28.2
泵－冷却2#
63.4
16.2
17
2.99
9.26
32.4
3.6转轮热回收情况
设置在屋顶的全热回收转轮是该绿色建筑空调系统的重要节能手段，通过调节四个风阀的开关，转轮可以在两个模式下运行：
冬、夏季热回收工作模式如下图14。新风从新风入口2进入转轮箱，经过转轮除去部分负荷，经过风机增压，送入新风竖井；排风从排风竖井进入转轮箱，经过转轮，从屋顶排风口排出。过渡季全新风模式，如图15所示；过渡季节新风负荷小，转轮和该处的风机关闭，新风从新风入口1直接送入新风竖井，排风走三通排到室外。
但是实际测试中发现，转轮的四个风阀都处于开启状态，转轮不起任何作用。排风直接从阀门3处排到室外，不与新风进行全热回收，如下图16所示。
经过初调节，转轮基本能够正常运行，但由于存在严重的漏风问题，效率偏低，仅为59%。

图14：冬、夏季转轮新风排风走向
图15：过渡季转轮新风排风走向

图16：阀门均处于开启状态
4： 结论
绿色建筑是一项系统工程，它贯穿于立项、规划、设计、施工以及后期使用的全过程。优秀的方案设计只有在高效正确的运行模式下，才能够达到设计的目的。我国建筑的绿色之路才刚刚起步，与之相关的市场机制、政策法规、行业管理还不成熟。目前，绿色建筑评估重点针对设计阶段，能够指导优化设计方案，确定能耗节省量、投入规模、回收周期、成本效益等具有十分重要的参考意义，却由于忽视后期工程进展和运行管理，导致实际运行的建筑能耗远高于设计阶段，一些节能设备处于只装不用的状态。特别是暖气空调系统，是一个动态的过程，需要根据一年四季的不同条件和用户的不同需求做出对应调整，这部分系统的验收不能简单按照是否安装来判断，应该经过一年的试运行之后才能评价是否合格。很多建筑，建筑物调试不完全，极大地影响了建筑物的使用效果和节能性能。
要真正落实绿色建筑理念，就需要通过过程控制和质量保障确保建设项目达到绿色目标。建筑全过程管理，是独立于设计院、施工监理和甲方的第三方咨询机构的服务，将在很大程度上保证绿色建筑功能的实现。建筑全过程是指新建或者改建的设施功能完全到达业主需求或者设计的综合的系统过程，是一种建筑质量的控制，可以很好的解决这种建设脱节问题。
建筑全过程管理体现在运行管理阶段，就是建筑系统初调节。目标是节能，提高用户的满意率，避免出现建筑工程脱节，如下表所示。
表7 初调节工作内容
运行管理阶段
工作内容
试运行到常年维护保养
参与人员
物业管理部门、全过程管理咨询方、用户或租户
任务
配合物业完成季节工况转换，将设备的节能效果调节到最优，制定长效节能运行制度
方法
风量、水量、温度等参数的测量仪器仪表、运行记录分析
成果
运行调节策略和节能管理制度

参考文献
[1]绿色奥运建筑评估体系 绿色奥运建筑研究课题组 著
[2]北京市大型公共建筑能耗数据库建设 王远 著