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国外智能建筑节能综述上海大学 赵哲身上海第二建筑工程公司 张泽鹏随着国民经济的高速发展，近年来国内建造了大量的高层建筑。仅上海一地，已竣工及在建的高层建筑已达3000幢，其中极大部分为商用办公楼，拥有智能化设施。作为未来高速信息公路网一个节点智能建筑已经并将发挥重大的作用。但是另一方面，需要高度重视的是，高层建筑能耗及维护费用巨大，是一个大的资源消耗黑洞。据国外统计（注一），一幢一万五千平方米的建筑年耗电费用达78.5万美元（采取节能措施前），即12年内的能耗将等于整幢大楼的全部投资（900万美元），包括土建结构、设备管道和防火装置。20世纪是一个能源匮乏的时代，研究高层建筑的节能具有重大的战略意义，而智能建筑作为高层建筑节能的监测工具、研究平台和实施手段，其与节能的关系形成了一个重大的研究课题。早在七十年代初国外已将能量保护准则置于建筑设计和材料设计标准的首位，致力于减小太阳负荷造成的能耗影响，并已投入对建筑物热动力学的研究。本文不准备涉及这方面内容，仅对90年代国外关于智能建筑节能问题的讨论，就标准热舒适概念、智能建筑能耗监控、能耗计算公式、冷冻设备规模及运行方式的改进以及照明系统等与节能有重大关系问题加以综述，介绍给读者，以引起高度重视。一、 高层建筑耗能概况随着高层建筑数目的增加，城市用电也因此激剧增张。香港综合技术大学的John Burnet曾对33幢高层商业建筑的调查结果作了统计（注2）。数据表明，空调系统耗电占平均耗电的60%，其下限为50%，上限不高于70%。高层旅馆相应比例较低。对20幢旅馆调查表明，HVAC（热、通风和空调控制）耗能占总量44%。照明在商业建筑总耗电中占比例23%55%，平均26%；对应旅店照明占总值的29%；电梯耗电在商业建筑耗能总值中占8%，旅店则占总耗电的10%。图一给出了商用建筑能耗分配图。图一b显示了1991年1月10月33幢商业建筑各类设备能量使用曲线。Danny S.Parker 曾在弗洛里达湿热气候条件下办公楼的能效设计一文中指出，对办公楼的年冷负荷仿真表明，用于HVAC能耗中，30%用于降低由照明引起的发热；20%用于吸收太阳光经窗户射入的热量；15%用于降低来自屋顶渗入的热量；13%用于吸收建筑物内部设备散发的热量。上述统计数据对于我们确定节能投资的主要方向有着重要的意义。二、 热舒适度概念及建筑物通风国际标准和节能热舒适度概念及建筑物通风国际标准的正确制订与节能有直接的关系，制订符合中国气候和人群的热舒适标准意味着巨大的节能潜力。1. 关于热舒适国际室内温度标准ISO7730和ASHRAE 55-1981并没有考虑气候的变异。英国牛津大学建筑学院的Nicol Fergus 在巴基斯坦曾作了一项非常有意思的调查（注3），目标是确定符合该国的热舒适标准。调查内容包含下述诸项感觉舒适的温度，皮肤潮湿程度。室内平均温度，室外平均温度。被试人室内穿衣情况和活动程度。得出的初步结论是在巴基斯坦冬夏二季人感觉舒适的温度相差7。室内风速可局部代替制冷效果。夏天风速0.22m/s，冬天风速0.05m/s，等效于温度变化12。人在夏天对风速的反应比对热的反应敏感。推导出夏冬二季温度回归公式为Tc=17.0+0.38T0 其中Tc为舒适温度，T0是平均室外温度。按此公式计算出舒适温度比现行标准高4，这意味着如执行新的舒适度可大幅度降低能耗。在巴基斯坦的伊斯兰堡和卡拉奇执行上述标准，结果总的冷负荷分别减小了23%和20%，其中传导负荷Ec分别下降了48%和38%，潜在热负荷分别下降了12%。2. 关于预测平均表决PMV（predict mean vote）自1923年Houghton 和Yaglon 提出热舒适指数由温度和相对湿度组合产生的概念之后，由ASHRAE发展为舒适区概念，并在近年来被广泛接受作为HVAC工程设计依据。1972年Fanger氏革命性地提出的PMV指数，其计算考虑了室内空气速度Vi，幅射温度Trad，居住者活动强度，着装多少（Ic1），以及温度Ti和相对湿度Rhi，公式如下：其中 M为变化率（Kcal/hr）Adu为身体裸露部分表面积fu为人穿衣部分表面积与裸露部分面积之比hc为对流热传递系数（Kcal/hrm2）为外部机械效率Ta空气温度（）Tc1人穿衣体表外部平均温度（）Tmrt平均幅射温度（）Pa周围大气压（mmHg）Vi室内空气流速其中Icl为衣服的热阻当PMV=0时表示热舒适保持不变，PMV为+1，+2，+3时分别表示微热、热、炎热；PMV=-1，-2，-3时则表示微凉、凉、冷。PMV指数的提出为HVAC设计打开了新的视野。由于室内空气流速Vi能象Ti，RHi一样影响PMV值，表示通风可以和冷却一样获得同等效果的热舒适，从而揭示了节能途径。Yang,K.H曾公布了风速对热舒适指数影响试验结果，8次试验时室内温湿度几乎保持相同，试验者位于近窗侧，有时晒到太阳，有时处于阴影中，这时PMV值有较大不同。如将室内风速从0提高到0.72m/s，则PMV值大幅度下降，数据如下：测点TiRHi%Vi(m/s)PMV人的感觉Vi(m/s)PMV人的感觉126.65701.71热0.72-0.04舒适226.06001.52暖0.72-0.46舒适326.75802.07热0.720.38舒适426.05701.95热0.72-0.03舒适526.25500.94暖0.72-0.13舒适626.55801.03暖0.72-0.76凉726.05700.93暖0.72-1.07凉826.85701.16暖0.72-0.49舒适结论是风扇提速到0.72m/s化费功耗较小，却能使PMV指数令人满意地下降。3. 有关国际建筑物通风标准国外现行建筑物通风标准有美国标准工程委员会（SSPC62）制订的ASHRAE Standard 62R（1996）、欧洲标准化组织CEN制订的建筑物通风标准PRENN1752、建筑物通风：室内环境设计标准CEN1996、英国设计环境标准CIBSE1993、德国标准化组织制订的通风和空调的健康技术要求DIN1994等。ASHRAE 62-1989R内容主要是定义通风，电源管理及保证室内空气质量的标准规定确定最小通风率的方法针对不同室内空间确定通风系统的设计、运行和维护需求列出了最小通风量和最小供气量的设计公式：单位空间通风率设计值DVR=RPPDD+RbAb其中 Rp：每人用室外空气量（L/S .人）PD：每平方米设计人数D：居住者转换因子Rb：每平方面积平均需求的室外空气（L/S.m2）Ab：面积（m2）表二列出了PRENV1752（96），DIN1946（94），ASHRAE62（96修订版）北欧标准NKB-61（91）和CIBSE-A（93修订版）对最小风量的规定。比较表一数据，ASHRAE62-1989R规定的最小通风量低于其它标准，该标准考虑了人的适应能力，而其它标准未作此考虑。房型 标准 等级 人均Rp 建筑物最低污染 RB 污染上限 相关面积Rsb(L/s.m2)单一办公室 PRENV1752(96) A 10 1.0 2.0 B 7 0.7 1.4 C 4 0.4 0.8 DIN1946(94) 11 1.11ASHRAE62(96) 3.0 0.35 0.66ASHRAE62-89 10 NKB-61(91) 3.5 0.7CIBSE-A(WV93) 8 豪华办公室 PVENV1752 A 10 1.0 2.0 B 7 0.7 1.4 C 4 0.4 0.8 DIN1946 16.6 1.67ASHRAE62(REV96) 3.0 0.35 0.65ASHRAE62-89 10 NKB-61(91) 3.5 0.7CIBSE-A(REV93) 8 资料室 PRENN1752 A 10 1.0 2.0 B 7 0.7 1.4 C 4 0.4 0.8 DIN1946(94) 5.6 2.7-5.6ASHRAE62(vrv96) 2.5 0.35 1.6Ashrae62-89 10 Nkb-61(91) 3.5 0.7Cibse-a(VEV93) 8 普通教室 PRENV1752 A 10 1.0 2.0 B 7 0.7 1.4 C 4 0.4 0.8 DIN1946 8.3 4.2ASHRAE62(VEV96) 3.0 0.55 1.8ASHRAE62-89 8 NKB-61(91) 3.5 0.7CIBSE-GuideA(rvev93)8 三、 智能建筑的能量使用监控及计算公式智能建筑特别是BAS（ 楼宇自动化）与研究高层建筑节能有极为密切的关系，检测建筑物各项能耗的各类传感器和仪表是BAS的组成部分之一，建立能量使用数据库是研究节能的基础，是BAS核心软件的组成部分，集散控制系统是完成BAS各子系统控制功能的手段，更是实施节能的媒介。特别地，由于高层建筑热动力学参数模型本质上是分布参数系统，现代控制理论在高层建筑建模及应用中还有待发展和完善，今后一定会创造出日益明显的经济效益。香港大型空调建筑中心能量使用一文提出良好的管理可减小高层建筑能耗10%，通过优化设备的运行另可节能10%，而这二者都可由BAS的软件来实施。国外在建筑物能量使用建模方面作了很多工作，早在1987年Moyer 和Dungan对通风橱及有关供气系统的能量使用作了审计。1989年Lentz和Seth用统计方法建立了通风橱数学模型。De Almeida 1994年指出（注4）智能建筑能耗监测系统应能预测负荷并规划能量的使用。一般采用四种方法的组合：建立工程模型。建立统计模型。建立混合模型。仪表化方法。智能建筑能耗监测系统应有下述功能： 按时间精确运行负荷分布图。 至少有36天记录过去数据的能力，在电源故障时至少能保护十天以上的数据。 对采集的大量数据能作出分析，以优化能耗。 当气候等因素对热负荷产生干扰时，应能及时作出调整。 数据采集间隔在15分钟左右。 系统对功率、温度、湿度等测量精度有一定的要求。对恒定负荷或工作周期固定负荷只需短时间监测即能满足要求，以节省费用。 具有灵活接受数据手段，如电力线载波，光学传输，串行口电话线通讯等。 具有抗入侵能力。 采用工程算法和统计算法能将整幢建筑物数据分解给每个用户。 除完成现场数据采集外，还能进行价目管理，负荷预测及规划，负荷控制、监视供电质量，计算最大值，最小值任务，并能向用户提供信息。Clark.G在集成楼宇管理系统中的人工智能和联网（注5）一文中提出在中央建筑管理系统中建立一个人工智能知识库，可对能量使用问题进行诊断，提出最优解。用人工智能技术强化对HVAC系统的控制，为居住者提供热舒适，并在居住人数预测基础上有效地降低运行价格。专家系统同时进行负荷控制和负荷平衡。根据每天各个时间段的使用区域，居住者流动情况，真实的环境条件确立控制策略。用智能技术监控并优化能量使用涉及大量公式。K.A.Baker在用建筑集成自动化系统确定实验室能耗方法一文中指出：建筑物能耗涉及31个公式。公式115出自基本能量守恒定律、湿度定理，其余为不同设施的能耗公式，式17、18热回收盘管方程。本文列出主要公式118：1. 公式14：关于流动能量每小时损耗率公式 2. 公式511：关于热能每小时转换率公式热冷3. 有关湿度4. 水和空气能量平衡公式热：冷：5. 通风橱排气时供气需求估算公式空风橱运行需热能排气6. 空气对空气热交换方程四、 HVAC（热、通风、空调控制）的节能设计空调系统在高层建筑中耗能比例大（达60%）。采取节能措施相应收效大，综合国外资料大致从以下几方面进行节能设计：1. 国际标准并未考虑地区气候差异。可建立起本地区的热舒适标准。2. 运用PMV指数进行节能设计。以能耗较小的风扇提速谋取同样的PMV指数的手段局部取代能耗较大的致冷量。3. 离心式冷冻机运行性能改进离心式冷冻机全负荷运行时能耗达全部设备的60%，所以改进离心式冷冻机的运行方式对节能影响较大，Ng.K.C氏提出（注5）了离心冷冻机的热动力学模型为：表示非等熵过程熵的改变冷冻机效率直接由ST决定，嵌入式导向叶片运行有二种状态：冷冻负荷大，叶片张开大，ST，m 较小。致冷容量减小到Ocr低值时，叶片打开小，ST，t较大，损失大。冷冻机的运行策略是：主冷冻机运行到额定功率的90%时启动辅冷冻机。当负荷跌到80%以下时关闭辅机。现场由供水盘管水温与设定温度之差调节冷冻机叶片，在中央空调室由智能化BAS软件监视建筑物各区热负荷。热负荷发生变化时冷冻机房现场AHU不能直接控制叶片，仅当零旁路盘管的冷却容量在给定冷却水供水温度下达最大值时，由现场AHU发信号给中央控制室，中央控制室根据接收到的一个或多个AHU信号发指令给现场冷冻机侧的叶片控制器，使冷冻机水温进一步降低。4. 合理选择冷冻机的规模：对高层建筑调查表明，主辅冷冻机组规模设计过大是造成能源浪费的普遍原因。冷冻机容量普遍选大了100%。过大的致冷规模使能效降低，运行价格高，还会影响舒适，导致湿度过低，温度波动。冷冻能力价格每吨400美元（每KW114美元），冷冻机及附属风扇，输送管道费用每吨3000美元，冷冻机维护费按吨位计，选择合理的冷冻机规模因而可节约巨大的附属设备的开支和维护费用。5. 办公室负荷的正确计算办公室负荷一般占总制冷负荷的15%20%。正确估算办公室插座负荷是合理设计冷冻机规模要素之一。办公室插座负荷一般指计算机、打印机、复印机等，其能耗指标见表三：设备能耗工作时间数量总平均功率计算机及彩显150100507500打印机250205570传真机175203189复印机220203588冰箱1201002240微波炉150052150总瓦数 10237每平英尺功耗 10HVAC系统设计者一般按办公室插座负荷21.553.8W/M2进行设计。但对44幢办公室调查的数据表明比较准确的数据应是4.311.8W/M2。如办公楼面积为9300M2，光此项改进就可节能200KW。办公室负荷的正确估算还应满足将来的需要，1997年美国办公室人均0.7台计算机和显示器，到2000年预期达到每人一台。五、 照明系统的节能设计照明系统能耗占商业建筑能耗的26%，照明系统的节能设计可以较大比例地减少高层建筑的能耗。国外有关法规有美国能源条例（Emergy Policy Act 1992），纽约州能量保护建设标准等。照明设计要求为目标照度（烛光数）的实现较高的系统效率易于控制。北美照明工程协会推荐的照度标准为（注7）：任务照明为70英尺烛光，一般照明为30英尺烛光。节能措施主要有下述几条：1. 充分利用太阳光能大幅度地节能。2. 用高效的T8荧光灯泡取代T12灯泡。T8灯泡效率和色彩表达指数（CRI）都属首选，2英尺4英尺灯架优选于22英尺灯架。3. 使用电子镇流器。其功率因数大于90%，谐波畸变小于20%，能消除闪烁，提高视觉清晰度。对每天开关只须切换一次的公共办公区域，使用瞬时启动镇流器；会议室、复印机房等每天几次开关电路的场合使用高速启动镇流器并安装检测是否有人的传感器，能敏感地探测到雇员的移位。没人时使灯光变暗到切断；并使温度设定值置无人状态，这项技术可使照明节能1/3。4. 由于办公室计算机的大量使用，应对显示器采用调暗技术；把亮度下降到34英尺烛光，可大幅度节能并减小对人眼的刺激，避免产生肩肘痛毛病。5. 用密集荧光灯架取代白炽灯作脚灯、壁灯，可成十倍地节能并延长寿命。6. 采用镜面反射，抛物线天窗等技术。采用上述措施后，Pason Brinckerhoff 大厦（15平方英尺）能耗从4W/ft2下降到1.78W/ft2，半年节能30万美元。这个数字意味着每年少向空气中排放671吨CO2，4.61吨SO2，1.76吨NO2，等于环境保护工程少投资393公顷绿化。综上所述，利用智能化手段对高层建筑节能进行研究，效果极为显著，并能改善环境保护。近年来，国外对智能建筑节能研究发展很快，不断有新的尝试出现，如冷热储存系统的规划，非中央式自然循环空调系统的实施等，但另一方面我们也应看到国外节能研究尚未处于完全成熟阶段，特别地，从控制角度出发，许多新的控制应用成果尚未在智能建筑中得到广泛应用，尚有许多空间需要我们去填补。我国对高层建筑的节能研究尚处于初级阶段，作为研究平台的智能软件一般还处于购买国外软件的阶段。但如我们及时组织力量投入高层建筑节能的基础研究和应用实践，在相对短的时期内取得巨大的经济效益，赶上并局部超过国外先进水平还是有可能的。参考文献：1. Peter T.Boudouvas Consulting Specifying Engineer1995.3Energy Retrofit:Parsons Brinckerhoff Relights Its Manhattan HQ2. John Burnett,Wang Shengwei等Energy and Environme