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大型公共建筑能源管理与节能诊断技术研究_江亿.pdf大型公共建筑能源管理与节能诊断技术研究_江亿.pdf -- 6 元

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20暖通空调节能特别关注TheSpecialFocus背景大型公共建筑是指建筑面积超过2万平米、且采用集中空调系统的各类星级酒店、大中型商场、高级写字楼、政府办公楼、以及体育场馆、会展中心、交通枢纽等公共建筑。大型公共建筑能源管理与节能诊断技术研究十一五国家科技支撑计划项目研究课题□清华大学江亿姜子炎魏庆草凡本文介绍了十一五国家科技支撑计划重大项目课题大型公共建能量管理与节能诊断技术研究取得的一系列进展提出了统一的建筑用能通用模型,开发出一套相应的支路信息调研方法及分项计量配置方案的误差分析方法和辅助设计软件,并开发出开放的数据收集分析平台提出了节能诊断指标体系和利用这套体系指导实际工程的节能诊断和改造方法开发出空调系统的模块化控制策略库开发了标准化功能描述方法,作为自控设计、检验的量化依据。据不完全统计,目前我国既有大型公共建筑约5亿平米,每年耗电近1000亿度,单位建筑面积耗电量为住宅的10~20倍。尽管我国既有大型公共建筑不足城镇建筑总面积的4,但电耗却占我国城镇建筑总电耗的25以上,并对城镇夏季用电高峰构成直接影响。从各类建筑的现状看,大型公共建筑具21综合篇有最大的节能潜力。因此大型公共建筑的节能是建筑节能的重点之一。根据对北京、上海、深圳等全国各地600多座大型公共建筑用能现状和空调系统运行能效状况调研、现场测试诊断,以及对部分建筑实施节能改造,经综合分析后发现,尽管气候条件有所差异,但我国既有大型公共建筑的能耗具有如下的共同特点1、用能水平和国外大型公共建筑基本相当,有些还要偏低同类型建筑物之间能耗存在两倍以上的较大差异2、采暖能耗很低,用电是能耗的主要部分,单位建筑面积年耗电量在70~300度,电耗指标高3、空调系统是电耗的主要组成部分,其中风机、水泵耗电量偏高,有的甚至超过冷冻机4、90%以上的大型公共建筑安装有建筑自动化系统(BAS),但90%以上的BAS系统只测不控。绝大多数空调系统目前的运行调节是依据经验、由运行人员手动调节。许多控制系统按照自动模式运行时反而由于调节策略不当,造成能耗偏高5、普遍存在30%以上的节能潜力。研究进展从以上大型公共建筑领域存在的问题出发,根据十一五国家科技支撑计划重大项目课题大型公共建能量管理与节能诊断技术研究下达的任务,我们开展了以下四方面的研究大型公共建筑能量管理系统研究既有大型公共建筑节能诊断方法研究大型公共建筑典型空调系统节能控制策略研究公共建筑机电设备系统节能控制调节的设计、分析、实施与检验标准方法研究。各项研究的进展与成果将在下文逐一介绍。1、分项计量与远程在线能耗分析管理系统目前大多数公共建筑只有总电表、总气表等为数非常少的能量计量仪表,缺乏大楼内部各个用能子系统的实时、分项用能数据。这样就根本不能了解大楼中十几个子系统各自的用能现状,更谈不上节能运行和改造。因此必须实现按照子系统的用能实时、分项计量,在此基础上才能进一步进行纵向和横向的分析比较,实现科学的用能管理。这不是单纯的安装电表的工作,而是制订按照子系统分项计量的划分原则和方法,确定横向和纵向比较的比较方式与判断指标。在此基础上,才可以进一步制定用能定额管理方式和用能定额指标确定方法,最终完成系统的用能管理科学体系与方法。做好分项计量,需要解决好统一口径、技术可行性、开放性平台这三个关键问题。(1)分项能耗通用数据模型由于不同建筑采用的具体设备系统形式通常是不同的,要实现对建筑中各个设备子系统的用能情况分别计量和并横向对比,就需要建立统一的建筑用能通用模型,分层次描述出建筑中设备系统的共同点,使得不同建筑能耗数据可以在相同的用能节点上进行比较。通过对大型公共建筑用能环节和配电支路情况的大量调研,我们采用面向对象的设计思路,按照图1所示给出了建筑用能通用数据模型。这个模型是一个分层的模型底层描述了建筑各种用能设备上层描述各类设备子系统。虽然不同建筑中机电设备系统配置不同,但按照这个模型,总能在某个层次上找到共同点,从而可以在这个层次上横向比较建筑用能情况。例如不同建筑可能采用不同集中空调形式当具体的冷源、水系统形式不同时,难以比较具体设备能耗但按照通用模型,可以在集中空调这一层次上比较集中空调系统的用能情况。图1分项能耗数据模型(2)技术经济可行大型公建中用电设备成千上万,如果每个用电设备安装一块点表,无论从施工难度还是经济性角度都难以实现。而只在部分配电支路安装电表,则必然要对未安装电表支路的用电量进行估计,这样得到的分项能耗数据存在误差。如果能开发出一套数据分拆算法,给出根据部分配电支路实测数据估计各设备子系统能耗数据的方法,并给出估计误差的分析方法,就有可能用这套分拆算法代替部分支路电表安装,从而使分项计量在技术、经济上可行。在十一五课题研究过程中,我们开发出了这样一套分拆算法,并应用在大量设计工程中。大量实际工程应用验证,通常每座10万平方米以内的建筑物,安装3040块电表即可,成本在10万元左右,如图2所示。同时,通过大量实际工程调研和验证,我们开发出一套相应的支路信息调研方法及分项计量配置方案的误差分析方法和辅助设计软件。在设计分项计量系统时,用户可以在调研方法的指引下完成配电支路及配电系22暖通空调节能特别关注TheSpecialFocus统工作情况调研,再将调研得到的信息输入给辅助设计软件,辅助设计软件会反馈给用户哪些支路应安装电表的提示。图2装表数量与误差之间的关系(3)开放分析平台在通用数据模型及分拆算法的基础上,我们设计了开放的数据分析平台,以方便研究者获得数据,补充数据,修改节能诊断算法,不断将新的研究成果加入到平台中。其结构如图3所示。用户可以分别获取分析计量原始数据,分项能耗拆分结果,以及节能诊断后的诊断报告。研究者也可以不断更新研究成果,用新的分项能耗拆分算法和节能诊断算法替换原有算法。各部分软件的更新不需要改变平台中与其无关的其他部分。图3分项计量数据展示2、节能诊断目前大型公建中的节能改造往往是头痛医头、脚痛医脚、只重局部、反复改造。而建筑中各个设备系统是彼此联系,这就需要从系统的角度对设备运行情况进行诊断分析。通过对国内及香港、日本、美国等地区100多座大型公共建筑能耗的详细分析的,我们建立了一套可以分析判断各子系统能耗状况的指标体系节能诊断指标体系,并在此基础上提出了一套科学的规范化节能诊断和节能改造方法,以指导节能诊断和改造、分析各种运行模式和节能措施对最终能耗的影响。节能诊断指标体系包含以下三个层次,如图4所示。图4节能诊断指标体系(1)分项能耗指标对不同地域,不同类型建筑,空调、照明、电梯等不同系统分项电耗进行统计,分别给出定量的能耗指标。(2)空调系统性能无量纲指标空调及冷热源系统中,各部分设备子系统的无量纲评价指标,如冷水机组COP,末端能效比,水泵输送系数,风机输送系数等输送系数输送冷量/设备能耗。(3)空调设备性能指标通过对复杂空调系统运行调节过程的深入分析和认识,给出空调系统运行参数的指标。如制冷循环热力完善度,冷冻、冷却水供回水温差等。这三个层次的指标层层深入通过第一个层次能耗指标的分析,可以发现节能潜力存在于空调、照明灯哪个设备子系统第二层次的指标用来分析在子系统内部,哪个设备具体节能潜力而第三个层次指标可以用来进一步分析出运行调节过程中,造成设备或系统高能耗的原因。通过这三个层次能耗指标的分析,可以发现用能问题所在,从而可以有的放矢的改进系统运行策略,以较低的成本实现节能改造。从2007年起,我们对香港的一座大型商场进行节能诊断和改造。通过对上述分项能耗指标的分析,我们发现其空调系统有较大节能潜力。通过对空调系统性能无量纲指标和空调设备系能指标的分析,我们陆续对其冷机、冷却水系统、冷冻泵系统、空调箱、新风机组的系统形式和运行策略进行了改造。根据实测电耗,逐年取得的节能效果及各项改造取得的节能效果分别如图5和表1所示,可以看到年空调总电耗节省了20以上。3、模块化的控制策略库目前各种空调系统的运行模式还大多是从保证环境控制要求出发,没有充分从节能考虑。当把降低能耗放在重要位置时,运行调控方式将有很大不同。因此需要重新从节能的需求出发,对各类典型的空调系统分析和设计新的运行调控模式,使得在满足环境控制的要求下降低能源消耗。另外,由于各个建筑中空调系统设备和配置各不相同,相应的优化23综合篇表1香港某大型商场各项改造节能效果运行策略也会有区别,如向开发一种普遍适用且节能的控制策略一直是空调控制面临的难题。尽管各个建筑中空调系统形式不同,但组成空调系统的基本子系统是可以确定的。大部分空调系统都可以看成由末端空调系统、冷热源站,新风系统等子系统组成,并且这些子系统用在大型公建中的常见形式也是已知的。另一方面,子系统之间的连接关系在不同建筑中是确定的,例如末端空调设备总会通过水系统与冷站相连等,因而各个子系统之间相互影响的系统参数也是确定的。基于上述认识,我们将空调系统控制策略拆成若干标准化的控制策略模块不同控制策略模块分别实现一种空调子系统或设备的控制调节。所谓标准化是指控制同一类子系统或设备的同一类控制策略模块,其输入、输出参数是相同的,并且与控制其他设备的控制模块之间的接口参数是确定的。针对某一类子系统或设备,对大型公建中常采用的几种设备系统形式,可以分别开发标准化的控制策略模块但它们同属于一类模块,有着相同的接口参数。通过模拟仿真与实际工程验证,我们开发了从末端空调设备到冷热源站共19个针对不同设备系统形式的控制策略模块。这些策略模块涉及了大型公建中各种常见的空调系统设备形式,构成一个标准化空调控制策略库。这样,空调控制策略设计工作就简化为根据实际工程的设备系统形式从策略库中选择相应的控制模块的简单工作,从而大大降低空调控制策略设计难度。由于模块之间的接口参数是标准化的,这些模块组合起来可以相互配合工作完成空调系统控制。策略库中的控制策略是以节能为目标的,并通过仿真和多个实际节能工程验证,因此推广到其他工程可以实现节能效果。4、标准化功能需求描述方法目前由于自动控制工程人员和空调系统工程人员严重脱节,空调系统工程师提出的节能控制策略很难真正落实到实际的自动控制系统中。为此必须找出解决方案,通过有效的技术措施,打破这一屏障,使节能的控制调节策略能够真正融合到控制系统中,产生最终的节能效果。针对这一问题,我们提出了楼宇控制系统功能需求的标准化描述方法将楼控系统功能归纳为。监测、报警、远程控制、计量和自动控制等5类,对各类功能分别设计了标准化的描述表格。空调工程师可以在表格中定义实现各项具体功能所需测量的参数及其精度、测量范围、允许延迟等。对自动控制策略,我们设计了容易被空调工程师掌握的语言化的描述格式。这种描述方法将复杂的控制策略整理成若干条逻辑规则,按照确定的格式说明每条规则执行的条件和动作,使得控制规则更容易被自控工程师理解,更容易转换成程序代码。标准化的功能描述文档是业主、空调工程师和自控公司之间的接口,使得业主和空调设计师能对控制提出量化的需求,控制公司可以有据可依地完成软、硬件设计和施工,业主可以根据量化的需求逐条验收自控系统是否实现了功能,从而实现以功能为导向的楼宇自控设计、施工和验收,改变大部分楼控系统只测不控的现状。总结本文简要介绍十一五国家科技支撑计划重大项目课题大型公共建能量管理与节能诊断技术研究所取得的进展提出了统一的建筑用能通用模型,开发出一套相应的支路信息调研方法及分项计量配置方案的误差分析方法和辅助设计软件,并开发出开放的数据收集分析平台。提出了节能诊断指标体系和利用这套体系指导实际工程的节能诊断和改造方法。开发出空调系统的模块化控制策略库。开发了标准化功能描述方法,作为自控设计、检验的量化依据。图5香港某大型商场实际节能效果C
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