建筑物能效優(yōu)化研究.pdf

1、節(jié)能減排，正成為各國轉(zhuǎn)變經(jīng)濟發(fā)展方式，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的一種共識。中國作為一個負(fù)責(zé)任的大國，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)者的研究報告，在2001年我國的建筑運行能耗就已經(jīng)占據(jù)國民經(jīng)濟總能耗的25％左右。隨著經(jīng)濟的發(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％，總能耗卻占全國城鎮(zhèn)總耗電量的20％多，200

2、7年國家機關(guān)辦公樓年人均耗電3072.5度，是城鎮(zhèn)居民的10-20倍，由此可見建筑運行能耗浪費嚴(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行能耗的有效利用和運行節(jié)能問題，提高建筑物能效，不僅能夠為有效降低建筑能耗提供理論指導(dǎo)，而且具有重要的社會效益和經(jīng)濟效益，對于兌現(xiàn)國家的莊嚴(yán)承諾具有重大意義。
　　 我國大中型建筑特別是公共建筑的能耗很高，能量浪費現(xiàn)象非常明顯，節(jié)能潛力巨大。造成浪費的原因可主要分為兩類:一類是系統(tǒng)

3、設(shè)計不夠優(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)備低效率運行;另一類是人為造成的浪費，比如辦公室中的“長明燈”，長時間無人時不關(guān)閉空調(diào)等。對于系統(tǒng)設(shè)計不夠優(yōu)化造成的浪費，目前有多種理論成果和技術(shù)手段對其進(jìn)行節(jié)能控制和管理。但對于第二現(xiàn)象造成的浪費，卻沒有一種比較好的方法量化能源浪費的狀況，以便于采取相應(yīng)的優(yōu)化策略解決這個問題。
　　 在總建筑能耗中，空調(diào)系統(tǒng)所占比重最大。因此整個空調(diào)系統(tǒng)能效的高低，對于建筑節(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)，但這個指標(biāo)通常是在某特定條件（比如額定功率）下測定的。在實際使用過程中，運行工況不斷變化，滿足額定工況的時間很少，大約只占總工作時間的5％左右，絕大多數(shù)時間的工作負(fù)荷只是滿負(fù)荷的50-70％。低負(fù)荷時設(shè)備消耗的能源必定會降低，究竟降低多少能耗才是合理的？目前最常見的評價方法是比較平均能耗或總能耗，顯然這種評價方式存在較大偏差。無論何種用能設(shè)備，對于特定的建筑負(fù)荷，只要設(shè)備的能效或整個建筑

5、的系統(tǒng)能效保持在最優(yōu)狀態(tài)就可以說此時的能耗最低因此將能效作為評價建筑能源消耗效率優(yōu)劣的指標(biāo)更具科學(xué)性。雖然能效可以對獨立工作設(shè)備的效率直接進(jìn)行評價，但是對于以系統(tǒng)模式工作的用能設(shè)備，比如空調(diào)系統(tǒng)，僅依靠提高單個設(shè)備能效評價降低系統(tǒng)能耗的方式并不是完全可行，運行樓宇自動化系統(tǒng)(BAS)建筑物的能耗現(xiàn)狀證明了這種方式的局限性。
　　 針對這些問題，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:
　　

6、 1.簡要分析了造成建筑高能耗問題的原因，討論了降低建筑運行能耗需要解決的關(guān)鍵問題。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)重的浪費現(xiàn)象;缺乏建筑節(jié)能理論支持。雖然無法改變建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的負(fù)荷，但是可以通過減少人為浪費，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)理論問題，才有可能切實降低建筑能耗。
　　 2.分析了建筑能效優(yōu)化的研究現(xiàn)狀及存在的問題。美國采暖、制冷和空調(diào)工程師協(xié)會（ASHRAE）最早采用能效評價制冷機工作效率，但這種方法不能有效評價整個工作周期內(nèi)設(shè)備的能源效率，因此ASHRAE以及我國相關(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)計能效(DEER)等指標(biāo)，從多角度評價制冷機設(shè)備的整體運行效率。近幾年開始有

8、采用系統(tǒng)能效評價中央空調(diào)系統(tǒng)效率和實施節(jié)能控制的報道，但還僅限于比較分析不同狀態(tài)時整個系統(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、冷卻水泵）作為一個整體實施模糊控制，追求系統(tǒng)而不是其中每個設(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、問題，對于有效降低用能設(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效的和無意義的，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，研究人體對建筑能耗的利用程度。本文提出了評價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價建筑物消耗能源的有效性提供了一種算法，通過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。實驗表明能量利用效率模型能夠量化人體對能量的利用程度，對人體的用能模式進(jìn)行甄別，發(fā)現(xiàn)能量浪費現(xiàn)象并優(yōu)化控制用能設(shè)備的工作狀態(tài)，通過減少或完全切斷無效能耗輸出，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)不確定的問題，明確了不同負(fù)荷時系統(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

11、，而建筑負(fù)荷隨時間、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)備的效率會隨著改變，像潛水泵等獨立工作設(shè)備，由于其本身固有的特性，無法調(diào)節(jié)其工作狀態(tài)的固有能效，只能通過變頻、停機等措施，改善低負(fù)荷時的特性，降低總工作時間的方法相應(yīng)的提高設(shè)備在一個時間區(qū)段的系統(tǒng)能效。對于空調(diào)等以系統(tǒng)形式工作的用能設(shè)備，單個設(shè)備能效的優(yōu)化并不意味著整個系統(tǒng)能效的優(yōu)化，而建筑能耗的優(yōu)劣是通過整個系統(tǒng)而不是單個設(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。實驗表明，系統(tǒng)能效模型和額定系統(tǒng)能效優(yōu)化目標(biāo)的確定能夠為不同負(fù)荷時系統(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)，針對建筑物中的用能設(shè)備和工作特點，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、入對能量管理系統(tǒng)功能的持續(xù)擴展以及運行穩(wěn)定性起了積極的作用，因此本文對微內(nèi)核操作系統(tǒng)作了簡要介紹。最后對基于能效優(yōu)化的建筑物能量管理系統(tǒng)的工程應(yīng)用實例和節(jié)能效果進(jìn)行了簡要介紹。
　　 通過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)化包含兩個層次的優(yōu)化，一是對用能設(shè)備

14、的優(yōu)化，二是對建筑負(fù)荷的優(yōu)化。用能設(shè)備的優(yōu)化主要通過控制建筑用能設(shè)備的工作實現(xiàn)，隨著優(yōu)化策略的實施，降低了相同建筑負(fù)荷所需的能源消耗。通過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。
　　 主要創(chuàng)新點:
　　 1.提出了建筑物能量利用效率概念，給出了計算建筑物能量利用效率的模型和計算方法。
　　 2.利用能量利用