建筑物公共區域能量有效性確定

杜曉通,李 靖,王存東

(1.山東大學控制科學與工程學院,濟南 250061;2.中鐵置業青島公司,山東青島 266071)

建筑物公共區域能量有效性確定

杜曉通1,李 靖1,王存東2

(1.山東大學控制科學與工程學院,濟南 250061;2.中鐵置業青島公司,山東青島 266071)

公共建筑中公共區域人流量變化很大,能量的需求也應隨著人流量的變化而變化。但傳統模式下能量輸出卻很少考慮人流量的變化,這就造成了部分能量無效。如何評價能量有效性,以減少能量浪費是建筑節能需要研究的問題。提出了能量利用效率概念,用于判斷人對能量的利用程度,給出了能量利用效率的計算方法。在某醫院公共候診區進行了工程實驗,對比實驗前后的能耗狀況發現,能量利用效率能夠評估能量有效性的狀況,以提高能量利用效率為控制目標,可以較大幅度提高建筑物公共區域能效。

建筑物;能量利用效率;能效;公共區域

2006年中國建筑總面積395億m2,機關辦公樓和大型公共建筑年耗電量約占中國城鎮總耗電量的22%,年人均能耗是城鎮居民的10～20倍[1-4]。雖然大型公共建筑中的人均能耗應該高于城鎮居民的能耗,但是如此大的差距表明公共建筑的能量使用不夠合理,存在著明顯的能量浪費現象。建筑物中中央空調的能耗約占總能耗的60%,照明約占20%[5-7],因此建筑節能的關鍵在于空調的節能。建筑物中人流量變化大的地方主要在公共區域,比如走廊、門廳、會議室等,辦公室、實驗室、值班室等場所的人員變化并不大[15]。人員相對穩定區域的能耗主要與個人的用能習慣有關,這部分區域節能的關鍵在于加強管理,形成良好的用能習慣實現節能。對于人流量變化比較大的公共區域若僅通過提高溫度控制精度等傳統控制方法,雖然能夠減少部分能耗,但是當無人或人流量減少時,從能量為人所用的角度看依然存在能量浪費[8-14]。而要減少浪費的能量,首先必須確定哪些能量是被浪費的,只有確定了浪費的能量多少,才能研究能量效率討論節能的效果。既然建筑物的能量是為人提供舒適環境的,如果以人是否使用了能量為標準,判斷能量的有效性,那么就可以區分建筑物中那些能量是有效的,那些能量是被浪費的。如果把浪費的能量檢測出來,通過控制手段減少甚至完全消除能量浪費現象,不僅可以大大降低建筑能耗,而且在對大量運行數據分析和信息提取基礎上,還可進一步獲得不同類型建筑的合理基準能耗,為優化建筑能耗的設計標準提供基礎數據。

1 能量有效性的判定

1.1 能量有效性的判定依據

要評價建筑物能量的有效性,首先要明確何為合理(有效)能耗。建筑物消耗能量的目的是為人提供舒適的環境,環境舒適度主要是通過溫、濕度來表現,由于目前在絕大多數建筑物中沒有針對濕度的調節系統,因此暫用溫度作為舒適度的指標。若將某個溫度值T0作為設定的舒適度,達到設定溫度消耗的能量可視為合理能耗,而將無人時開機,夏季溫度設定過低,冬季溫度設定過高等情況輸出的部分能量視為無效能耗。由于人對舒適度的要求不同,在確定的條件下,夏季設定溫度高于,冬季設定溫度低于T0時所需要的能量都可以視為有效能耗。

若根據建筑物中能量輸出是否有效評價能量使用的合理性,那么有效能量占總能耗的比率可以定義為：

系統總能耗比較容易獲得,因此問題的關鍵是合理能耗的計算。既然合理能耗與人有關,就必須要建立人與能量的聯系。為了建立這種關聯,利用感知傳感器對人員的活動狀況進行檢測。

為了簡化問題的分析,先以夏季為例進行討論。由于人的浪費行為很多,主要的浪費行為可分為3種情況：無人不關機時的能耗,溫度過低時的能耗ET,門窗大開時的浪費的能耗ED,總能耗減去浪費能耗即為合理能耗。可將式1重新寫為：S

其中：μ為環境溫度每降低一度所浪費的能耗,據有關文獻統計,夏季環境溫度每高一度約減少10%能耗[8]。為空調系統的功率,為設定溫度,TN為實時溫度,為紅外感知次數。由于沒有其它的探測手段,很難直接判斷出是否是處于開窗狀態,因此利用溫度的變化率間接判斷[15]。即設室內溫度正常變化率為△t0,若在一個采樣周期內室內溫度升高變化率大于△t0,且室溫大于設定溫度,則視為開門窗狀態,則式5中為滿足上述條件的總和。

將式(3)、(4)、(5)代入式(2),將約去,從而得到易于計算的有效能量占總能耗的比率-能量利用效率如式(7)所示。

因為研究能量有效性的主要目的是為了找到浪費能量的方法,沒有能量浪費的狀況暫不進行討論,所以式6沒有考慮環境溫度高于設定溫度時能耗更為節省的情況。

1.2 能量有效性的工程驗證

為了驗證能量有效性分析的正確性,對某醫院的公共區域的空調系統運行和人流變化狀況進行了檢測,對空調的運行進行了控制。該區域是醫院的放療樓候診區,面積約270m2。除了幾個分診護士位置固定外,人員流動十分頻繁。控制系統以5 min為單位記錄紅外感知數據以及溫度情況,并對風機盤管進行控制。控制策略為：若15min內檢測到控制區域無人則停機;溫度低于設定值后停機。整個區域共有15個風機盤管,設置了10套檢測和控制設備,即10個控制區域,其分布位置如圖1所示。

圖1 放療區結構及控制器安裝分布示意圖

該控制系統的組成如圖2所示。主要由能量管理服務器(Serve Device,以下簡稱SD)、能量檢測控制器(Control Device,以下簡稱CD)以及末端能量檢測傳感器組成。系統工作時由CD控制各種末端傳感器節點采集房間末端的溫度和感知數據,根據檢測溫度和感知數據的變化控制風機的開關,傳感器檢測數據和開關動作通過SD上傳至管理中心,由管理中心軟件存入數據庫并對各控制器的能量有效性進行分析。

圖2 控制系統構架圖

2 能量有效性分析

為使結論更有代表性,選取了上班時間內的數據進行分析。測試時間為7月18日至7月30日,上午7：30到下午17：30。由于建筑布局的緣故,其中3個控制器所處區域很少有人通過,因此只對其中7個有人流變化的控制器的數據進行討論。

2.1 系統的工作數據

對選取的數據進行統計的結果見表1。其中t(NH=0)為感知信號為零的采樣次數,即區域內無人狀態。關機時間是指滿足關機條件后關閉風機盤管的時間,比例是指2個時間段分別占總工作時間的百分比。由表1中可以看出：

1)平均無人的時間為58.53%。即在工作時間

內,大約有60%的時間是無人的。

2)控制器停機時間為39.84%,按照當前簡單的控制策略,可以使空調在約40%的時間內不工作。

表1 控制器控制數據統計

由上面的數據可以看出,不同控制器檢測到得人流量和控制輸出變化很大。這表明在一個較大空間,人流量和密度變化很大,且局域環境也不相同,因此可以對局域分別進行節能控制,通過提高局域能效,達到提高整體能效的目的。

從上述分析可以看出,醫院候診區僅關機時間就約占總工作時間的40%,說明至少可以減少40%的能耗輸出。由于要檢測到無人15 min后才關機,且沒有考慮設定溫度的影響,因此40%并不能完全反應出能量浪費的情況,也不能說明能量的有效性是60%。

2.2 能量有效性分析

風機盤管通常有3個風扇運行檔位,其功率變化不大,再考慮到公共區域每天人為換擋的檔位的幾率不高,為便于分析問題,下文假定風機盤管的風機工作在同一個檔位,風機功率不變。

7個控制器返回的數據中,CD5的關機時間處于中間狀態,因此先選取CD5控制器的工作數據,討論CD5對應風機盤管能量輸出的有效性。

為了便于在圖中顯示的更為清晰,風機盤管的開關機狀態用高低電平表示,圖3中控制曲線為低時,表示風機盤管關機。由于控制區域為公共區域,可以不考慮ED的浪費。由圖3可以看出,能量的浪費主要表現在無人開機和溫度設定過低上。取μ為10%,由數據我們可以看到由于溫度絕大多少時間都在26℃以上,低溫設定浪費的很少,若把無人時所有輸出的能量都認為是無效的,其能量利用效率為：

通過理論計算出的能量利用效率只是反應了建筑物公共區域的節能潛力,并不是真正的節能效果,就本文討論的控制方式看,實際節能比例可簡單用關機節約的效率與無控制系統時的能耗之比來表示。即：

再對控制器2進行同樣的計算,其能量利用效率為：

通過對上述2個控制器數據的分析,可以看出當把人流量作為控制能量輸出的參數時,能量輸出隨人流量的增加而增加,能量利用效率也隨之增加。基本體現了“按需供能”特點,完全按人需要輸出的能量就是建筑物的基準能耗。

對系統整體分析后,可以得到此候診區平均能量利用效率僅為41.5%,實施停機控制之后的平均能量利用效率為68.9%,提高了近30%。

2.3 提高能量利用效率的措施

實施的控制策略非常簡單,但即使在檢測到無人后15min簡單關閉風機盤管的條件下,還能得到40%左右的節能效果。一方面表明大型公共建筑公共區域能量浪費嚴重,另一方面也說明通過優化控制策略還能獲得更好的節能效果。既然能量利用效率能夠反應能量的有效性,因此以提高能量利用效率為優化目標的控制策略就可以進一步減少建筑物能耗。

通過對運行數據分析發現許多情況下感知數值都比較低,如圖4所示。就停機時間比較短的CD7 14 d感知數據統計,感知次數在2(含2次)的情況占85.14%,也就是說絕多數情況下,人們只是經過控制區域,而沒有駐留。若利用感知對時間的變化率代替感知數值,則可以區分出人是經過還駐留某個區域,對于只是經過的情況就可以再減少部分能量輸出,所以通過優化開機的感知條件,還可以增加停機時間,提高能量利用效率,進一步降低能耗。

另外,由于目前的控制策略是在控制區域內持續檢測到15 min無人時才停機,雖然這樣可以更大限度保證了環境舒適度,但是能量浪費同樣也非常大,且在很多檢測到有人的時段,感知的數值也很小,所以減少開機設定時間,增加停機時間,優化停機的設定條件也可以提高能量利用效率,進一步降低建筑物能耗。

圖4 CD7感知數據與控制輸出

3 結 語

建筑物特別是公共大型建筑物能耗偏高其中一個很重要的原因就是建筑物中能量浪費嚴重,傳統的判斷能量是否被有效利用的標準主要通過溫度高低來確定。但是能量是為人服務的,因此判斷能量是否有效應該從人是否利用的角度去討論。給出了一種判斷建筑物能量有效性的標準和計算方法,并在具有典型意義的建筑物公共區域進行工程驗證,通過數據分析可以得出以下結論。

1)提出的能量利用效率能夠反應建筑物中能量浪費的狀況。

2)根據能量有效性的判斷依據,對能量輸出進行控制,在未明顯降低舒適度的前提下,可顯著提高公共區域的能量利用效率,降低能耗。

3)主要提出了能量有效性的評價標準,并沒有過多研究節能控制策略,所以實際工程實驗主要是為了驗證能量利用效率的正確性。雖然工程實驗是在醫院候診區進行的,但對于其它公共建筑的公共區域節能也有很好的參考價值。

4)能量利用效率并未過多考慮人對環境舒適度的感受,因此還需要進一步研究環境舒適度對能量利用效率的影響。

[1] http：//finance[EB/OL].sina.com.cn/china/dfjj/ 04484359789.shtm l.

[2] http：//xmecc[EB/OL].smexm.gov.cn/2008-1/20081394155.htm

[3] http：//www.qsjournal.com.cn[EB/OL]/qs/ 20081001/GB/qs?488?0?7.htm

[4]中華人民共和國統計局.2007年中國統計年鑒[M].北京：中國統計出版社,2007

[5]譚志宣.飯店節能技術及應用實例[M].北京：化學工業出版社環境能源出版中心,2006.

[6]蔡文劍,賈磊,王雷,等.建筑節能技術與工程基礎[M].北京：機械工業出版社,2008.

[7]American Society of H eating,Refrigeration and Air Conditioning Engineers,Inc.ASHRAE Standard (1999)：Energy Standard for Buildings Excep t Low-Rise Residential Buildings[S].http：//www. ashrae.org

[8]黃翔.空調工程[M].北京：機械工業出版社,2006

[9]ZHAO JING,ZHU NENG,WU YONG.Technology line and case analysis of heat metering and energy efficiency retrofit of existing residential buildings in Northern heating areas of China[J].Energy Policy, 2009,37(6)：2106-2112.

[10]LEEWEN-SH ING,LEEKUEI-PENG.Benchmarking the performance of building energy management using data envelopment analysis[J].App lied Thermal Engineering,2009,29(16)：3269-3273.

[11]WEI ZHEN-TAO,ZMEUREANU.Radu exergy analysis of variable air volume systems for an office building[J].Energy Conversion and Management, 2009,50(2)：387-392.

[12]ANASTASELOS DIMITRIS1,GIAMA EFROSINI1. Papadopou los Agis MAn assessment tool for the energy,economic and environmental evaluation of thermal insu lation solutions[J].Energy and Buildings,2009,41(11)：1165-1171.

[13]FUMO N,MAGO P J,CHAMRA L M.Cooling heating,and power energy performance for system feasibility Proceedings of the institution of mechanical engineers,part A[J]：Journal of Power and Energy, 2008,222(4)：347-354.

[14]JUDKOFF RON.Increasing building energy efficiency through advances in materials[J].MRS Bulletin, 2008,33(4)：449-454.

[15]X IAO TONG,DU XIAO-MEI,QI CUN-DONG. Determ ination of effec tive energy in buildings[C]// IEEE ICAL2009 August 5-7,2009 Shenyang,IEEE Catalog：CFP09CAL：56-61

(編輯 胡 玲)

Effectiveness of Energy use in Pub lic Area of Buildings

DUXiao-tong1,LIJing1,WANGCun-dong2

(1.Schoo l of Contro l Science and Engineering,Shandong University,Jinan,China 250061; 2.China Railw ay Real Estate CO.,LTD Qingdao Company,Qingdao,China 266071)

The flow of people changes very greatly in the public areas of public buildings,so the energy demand should also change with the flow of peop le.However,under the traditionalmodel,the pedestrian flow is rarely considered when accounting energy output,w hich causes some of the energy invalid.How to assess the energy efficiency to reduce energy waste is an emergent problem to be solved for building energy conservation.The concept ofenergy utilization efficiency is put forward to judge the degree of utilization of energy,and the formu la for calcu lating energy utilization efficiency is also p rovided.In a hospital pub lic waiting area,a lot ofexperimentshave been carried out.By comparing the energy consumption before and after the experiments,it is found that energy utilization efficiency can assess the effectiveness of energy. And to improve the energy efficiency of buildings greatly in public areas can be realized by promoting the energy utilization efficiency.

Buildings;Energy Use Effectiveness;Energy Efficiency;Pub lic A rea

TU111.195

B

1674-4764(2011)02-0092-05

2010-10-05

國際合作重點項目資助(2008DFA 11620);山東省科技攻關資助(2008GG 10007021)

杜曉通(1968-),男,副教授,主要從事建筑節能、無線傳感器網絡研究,(E-mail)lw jdms@sdu.edu.cn。