建筑物能效優(yōu)化研究.pdf

1、節(jié)能減排，正成為各國轉變經(jīng)濟發(fā)展方式，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的一種共識。中國作為一個負責任的大國，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，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、設計不夠優(yōu)化，設備和系統(tǒng)的效率低下，比如“大馬拉小車”造成的設備低效率運行;另一類是人為造成的浪費，比如辦公室中的“長明燈”，長時間無人時不關閉空調等。對于系統(tǒng)設計不夠優(yōu)化造成的浪費，目前有多種理論成果和技術手段對其進行節(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，以便于采取相應的優(yōu)化策略解決這個問題。
　　 在總建筑能耗中，空調系統(tǒng)所占比重最大。因此整個空調系統(tǒng)能效的高低，對于建筑節(jié)能具有

4、重要的意義。構成空調系統(tǒng)的設備都有明確的能效指標，但這個指標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)時間的工作負荷只是滿負荷的50-70％。低負荷時設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。無論何種用能設備，對于特定的建筑負荷，只要設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)劣的指標更具科學性。雖然能效可以對獨立工作設備的效率直接進行評價，但是對于以系統(tǒng)模式工作的用能設備，比如空調系統(tǒng)，僅依靠提高單個設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鍵問題。建筑圍護結構和建筑材料是影響建筑能耗的重要原因之一;建筑中用能設備的選擇不合理，“大馬拉小車”造成用能設備效率降低能耗增加;建筑中存在嚴重的浪費現(xiàn)象;缺乏建筑節(jié)能理論支持。雖然無法改變建筑圍護結構產(chǎn)生的負荷，但是可以通過減少人為浪費，提高建筑用能設備的能效降低建筑能耗。目前關于建筑節(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、關鍵基礎理論問題，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)設備的能源效率，因此ASHRAE以及我國相關部門又相繼提出了綜合部分負荷性能系數(shù)(IPLV)、綜合部分能效(IEER)、季節(jié)能效(SEER)、設計能效(DEER)等指標，從多角度評價制冷機設備的整體運行效率。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)而不是其中每個設備最節(jié)能，最高可以達到了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行甄別，發(fā)現(xiàn)能量浪費現(xiàn)象并優(yōu)化控制用能設備的工作狀態(tài)，通過減少或完全切斷無效能耗輸出，到達降低建筑負荷，相應提高建筑能效的目的。
　　 3.建立了建筑物用能設備系統(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)化目標不確定的問題，明確了不同負荷時系統(tǒng)能效的優(yōu)化目標以及尋優(yōu)策略。建筑中的用能設備通常按照滿足最不利的負荷狀態(tài)進行設計

11、，而建筑負荷隨時間、天氣和人員數(shù)量的變化而變化，隨著負荷的變化，用能設備的效率會隨著改變，像潛水泵等獨立工作設備，由于其本身固有的特性，無法調節(jié)其工作狀態(tài)的固有能效，只能通過變頻、停機等措施，改善低負荷時的特性，降低總工作時間的方法相應的提高設備在一個時間區(qū)段的系統(tǒng)能效。對于空調等以系統(tǒng)形式工作的用能設備，單個設備能效的優(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)而不是單個設備體現(xiàn)的，因此在保持用能設備穩(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)化目標的確定能夠為不同負荷時系統(tǒng)中的用能設備的工作模式提供優(yōu)化策略，控制設備的工作狀態(tài)使系統(tǒng)能效能夠到達最優(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)的工程應用實例和節(jié)能效果進行了簡要介紹。
　　 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荷;通過優(yōu)化建筑用能設備能效，可以用更少的能源消耗獲得等同的建筑負荷，提高能量利用效率與提高建筑用能設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，一是對用能設備

14、的優(yōu)化，二是對建筑負荷的優(yōu)化。用能設備的優(yōu)化主要通過控制建筑用能設備的工作實現(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備的工作，不僅降低了末端用能設備的能耗，而且還相應的減少了建筑負荷，建筑負荷的減少，又可進一步促進了建筑能效的提高。
　　 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