公共建筑節能改造節能量修正計算方法

朱 能，王朝霞，趙 靖

（天津大學 環境科學與工程學院，天津 300072）

近年來，節能改造作為降低建筑能耗的有效手段被廣泛實施［1］，改造完成后，需對改造項目進行節能量的核定。國際通用的節能量檢測與驗證標準有《國際性能節能效果的測量與驗證協議》（IPMVP）［2］、Measurement ＆Verification for Federal Energy Projects （M＆V）［3］和 ASHRAE Guideline14－2002［4］。這些方法依賴于主觀評價，被認為不準確［5］。在中國，節能量為改造前后能耗直接相減［6］。事實上，改造前后建筑所處條件不同，缺乏可比性。目前常見處理方法有兩種：一是增加調整項［7］，調整量通過建立回歸模型得出［8］，而回歸模型的準確性取決于數據的完善程度；另一種方法是動態能耗模擬軟件［9］，通過設置使改造前后建筑處于相同的內外部條件下［10］。但模型建筑需要根據實際情況設定，許多參數（如人員密度、設備工作時間等）的獲得需要經過長時間的大量調研，且實際情況的隨機性很強［11］，軟件模擬值的真實性受限。改造建筑很多時，模擬工作量大時間長，因此模擬軟件更適合單棟建筑節能改造的設計，不適合大規模改造建筑節能量確定。綜上，需要提出更準確、更實用的節能量計算方法。

筆者通過總結建筑能耗的影響因素，提出了一種節能量修正計算方法，使改造前后的建筑處于相同條件下，并以天津市某大型辦公建筑為例，論證了該方法的可行性和科學性。

1 節能量修正計算方法

1.1 能耗修正系數

隨著建筑能耗的增加，國內外學者對建筑能耗影響因素進行了不懈研究。這些影響因素可以歸納為表1所示的5個方面，這5個方面的可改造程度及可改造項對建筑能耗的影響程度見表1。

從表1可以看出，節能改造項目主要針對圍護結構、采暖空調系統及運行管理進行改造。改造完成后要進行節能量的核定，當前通用的節能量計算方法為改造前后能耗相減。實際節能效果除了與改造前后的實際能耗數據直接相關以外，還與外部氣象條件、室內熱環境、室內人員及設備使用情況、運行管理狀況等因素密切相關，由于改造前后情況的不同，使得改造前后的能耗沒有處于相同的比較條件下。

表1 建筑能耗影響因素分類

采用修正系數的方法，以改造前某年的實際情況為基準，對改造后的能耗進行修正，具體包括以下4個修正系數：氣象修正系數、室內熱環境修正系數、內部負荷修正系數和運行時間修正系數。

在4個修正系數中，氣象修正系數是外界環境決定的，室內熱環境修正系數是由改造后建筑的熱物理性質和系統運行狀況等決定的，這些屬于物理因素。內部負荷修正系數和運行時間修正系數由使用者的需求決定，屬于人為因素。對于物理因素，不是人力能夠改變的，因此必須進行修正。對于人為因素，雖然是由使用者決定的，但建筑是為人服務的，建筑能耗的產生也是由于使用者需求，因此，當實際使用情況改變時，也必須進行修正。

1.1.1 氣象修正 建筑能耗可以分為兩個部分：一部分是室內照明、辦公設備等的使用，這部分能耗由室內人員需求決定；另一部分是用于去除室內外溫濕度不同引起的熱濕傳遞，這部分能耗與室外氣象條件相關。由于改造前后所處的年份不同，氣象條件不同，因此需要對其進行修正。

國際通用的采暖空調能耗估算方法包括度日數法、溫頻法等［16］，這些方法都基于一種假設，即采暖空調系統能耗與室外溫度成線性關系。筆者采用中國節能設計標準中定義的采暖度日數（HDD）［17］和空調度日數（CDD）［18］對氣象條件進行修正。定義氣象修正系數ηw：

采暖度日數以18℃為界限，對于采暖能耗

式中：HDD18a為當地改造后某年的采暖度日數，℃·d；HDD18b為當地改造前某年的采暖度日數，℃·d。

空調度日數以26℃為界限，對于空調能耗

式中：CDD26a為當地改造后某年的空調度日數，℃·d；CDD26b為當地改造前某年的空調度日數，℃·d。

由于度日數法計算空調能耗誤差較大，在有逐時氣象數據的情況下，優先采用度小時數（CDH）來對空調能耗進行修正，即

式中：CDH26a為當地改造后某年的空調度小時數，℃·h；CDH26b為當地改造前某年的空調度小時數，℃·h。

1.1.2 室內熱環境修正 節能改造前后，由于圍護結構、系統等發生變化，一定伴隨著室內熱環境的變化，因而需要消除由于室內熱環境不同對能耗的影響。室內熱環境的描述參數有空氣溫度、濕度、平均輻射強度和空氣流速［19］，其中與能耗直接相關的是空氣干球溫度。定義室內熱環境修正系數ηe

對于采暖能耗

式中：tia為改造后的室內平均溫度，℃；tib為改造前的室內平均溫度，℃；to為當地采暖室外計算溫度，℃。

對于空調能耗

式中：tia為改造后的室內平均溫度，℃；tib為改造前的室內平均溫度，℃；to為當地空調室外計算逐時溫度的最高值，℃。

1.1.3 內部負荷修正 由于室內人員、設備等的變化，會引起采暖空調能耗的變化。室內照明、設備等的使用情況基本由室內人員的工作需求和使用習慣決定。在暖通空調設計時采用面積指標，因而以采暖空調面積為基礎修正。由于實際供熱空調面積可能產生變化，因此內部負荷修正系數包括三方面：一是采暖空調面積修正，二是平均單位面積人數、照明和設備的散熱量，三是工作時間。人員散熱量由勞動強度決定，照明和設備的散熱量與功率相等。定義內部負荷修正系數

式中：qa為改造后某年的平均單位面積散熱量，W／m2；Aa為改造后某年采暖或空調面積，m2；Tla為改造后某年人員、照明、設備的總工作時間，h；qb為改造前某年的平均單位面積散熱量，W／m2；Ab為改造前的采暖或空調面積，m2；Tlb為改造前的人員、照明、設備的總工作時間，h。

1.1.4 運行時間修正 由于改造前后，不同年份的節假日及工作休息制度不同，暖通空調系統的運行時間可能發生變化，相應產生能耗變化。

若采暖采用市政管網集中供熱，則每年24 h運行，且供暖季天數是一定的，則采暖運行時間是不變的。若采暖和空調都采用中央空調，則只在工作日的工作時間開機，非工作日關機。由于每年的工休制度可能不同，每天的工作時間也可能不同，導致系統工作時間可能產生較大的變化。對于分體式空調，使用靈活，運行時間的變化更大。因此定義運行時間修正系數

式中：Ta為改造后某年采暖或空調運行時間，h；Tb為改造前某年采暖或空調運行時間，h；

1.2 節能量修正模型

由于改造前后氣象條件、室內熱環境、內部負荷情況和設備運行時間4個客觀條件的不同，使得直接以改造前后能耗相減的數據作為節能量是不科學的，因而，以改造前的基本情況為基準，對改造后的能耗用上述4個修正系數進行修正，即采暖能耗和空調能耗修正模型的通式為

式中：ΔEC 為修正節能量，包括采暖修正節能量ΔECh和空調修正節能量ΔECc，k Wh；ECb為改造前的能耗，包括改造前的采暖能耗ECb，h和空調能耗ECb，c，k Wh；ECa為改造后的能耗，包括改造后的采暖能耗ECa，h和空調能耗ECa，c，k Wh；η為能耗修正系數。

能耗修正系數η由氣象修正系數、室內熱環境修正系數、內部負荷修正系數和運行時間修正系數4個修正系數組合而成。由于以上4個修正系數都以能耗為基準，且數量級相同，因此對4個參數進行乘除的組合即可。在以上4個修正系數中，室內人員、照明和設備的散熱量在空調期需要從室內除去，對于空調能耗不利，但在采暖期，這部分散熱量可以提高室內溫度，是有利的。因而采暖能耗和空調能耗的修正模型不同，需將采暖能耗和空調能耗分別進行修正。

定義采暖能耗修正系數

式中：ηw，h為采暖氣象修正系數；ηe，h為采暖室內熱環境修正系數；ηp，h為采暖系統運行修正系數；ηl，h為采暖內部負荷修正系數。

空調能耗修正系數

式中：ηw，h為空調氣象修正系數；ηe，h為空調室內熱環境修正系數；ηp，h為空調系統運行修正系數；ηl，h為空調內部負荷修正系數。

建立總的節能量計算方法，即節能量修正模型。

對于采暖能耗

式中：ΔECh為采暖修正節能量，k Wh；ECb，h為改造前的采暖能耗，k Wh；ECa，h為改造后的采暖能耗，k Wh。

對于空調能耗

式中：ΔECc為空調修正節能量，k Wh；ECb，c為改造前的空調能耗，k Wh；ECa，c為改造后的空調能耗，k Wh。

若不只是一套采暖空調系統，可以將各個系統分別進行修正計算，然后相加，即為修正后的采暖或空調能耗。采暖空調系統的總節能量

2 實例研究

2.1 建筑概況

以天津市某大型辦公建筑的節能改造項目為例來分析節能量修正計算方法。該建筑是純商務辦公寫字樓，建于1997年，建筑面積約6.0萬m2，建筑總高度約為115 m，地下2層，地上29層。該建筑冬季熱源由市政外網提供，經地下層及17層換熱機組換成60～50℃熱水供高低區空調系統冬季使用。空調系統為冷水機組采用美國原裝DUNHAMBUSH冷水機組，共3臺，總額定制冷量為5 300 k W。水系統采用兩管制，共設置7臺冷凍水泵，總揚程為229.6 m H2O，流量為2 268 m3／h，共設置5臺冷卻水泵，總揚程為160 m H2O，流量為1 620 m3／h。高區系統經設備層3臺換熱器換熱，3臺55 k W的變頻水泵為換熱器二次側提供動力。室內末端為風機盤管系統。

該建筑于2008年10月進行節能改造。根據2007年的能耗帳單，該建筑改造前單位面積耗電量為75.82 k Wh／（m2·a），其中以暖通空調（HVAC）系統能耗占的比例最大，單位面積耗電量為49.68 k Wh／（m2·a），占總耗電量的 65.52%。因此將節能診斷重點放在采暖空調系統上。通過節能診斷，發現該建筑能耗偏高的主要問題出現在水泵方面，因而改造時更換全部水泵，并安裝變頻裝置，機組臺數調節和水泵變頻調節相結合。

節能改造完成后第一年的暖通空調系統運行能耗 為1 151 024.60 k Wh，直 接 計 算 節 能 量 為1 829 507.40 k Wh，節 能 率 為 61.38%。2008—2009年采暖季的供熱能耗采為340 512.30 k Wh，直接計算的節能量為481 567.64 k Wh，節能率為58.58%。2009 年 空 調 季 的 空 調 能 耗 為810 512.30 k Wh，直 接 計 算 的 節 能 量 為1 347 939.96 k Wh，節能率為62.45%（表2）。

2.2 修正節能量計算

2.2.1 氣象修正系數 根據2007—2009共3 a的實測逐時室外干球溫度，在2007年11月15日至2008年3月15日之間，室外日平均溫度低于18℃的天數為119 d，采暖度日數為2 662.475℃·d。同樣的方法得到2008—2009年采暖季的采暖度日數為2 712.925℃·d，則采暖氣象修正系數為

根據2007—2009年共3 a的實測逐時室外干球溫度，以26℃為同樣的方法可以得到2008年和2009年空調季的度小時數分別為3 909.774℃·h和4 153.312℃·h，則空調氣象修正系數為

2.2.2 室內熱環境修正系數 改造前，采暖季室內平均溫度為16.78℃，未達到舒適溫度，改造后的室內溫度約為21.91℃，比改造前提高了5.12℃。圖1所示為采暖季某工作日某辦公室改造前后室內溫度對比，可以發現改造后比改造前室內溫度提高了大約5℃，改造后的室內最低溫度為19.79℃，而改造前室內最高溫度為19.51℃，熱舒適性有了明顯提高，且全天溫度波動變小。天津地區采暖室外設計溫度為－7℃［20］，則采暖室內熱環境修正系數為

圖1 采暖季某正常工作日改造前后室內溫度對比

改造前，空調季的室內平均溫度約為27.09℃，略高于舒適溫度，改造后空調區平均溫度降低到25.22℃，平均降低了1.87℃。圖2所示為空調季正常工作日的某房間改造前后空調季室內溫度對比，從圖中可以看出，即使沒有改變室內空調的末端和控制方式，改造后比改造前溫度有了約2℃穩定的降低。天津地區空調室外計算溫度最高值為33.9℃［20］，則空調室內熱環境修正系數為

圖2 空調季某正常工作日改造前后室內溫度對比

2.2.4 運行時間修正系數 該建筑采暖熱源為市政熱網，經板換換熱后通過夏季的冷凍水系統向室內供熱，在采暖季，室內只把風機盤管關閉，但冷凍水泵和高區循環泵24 h連續運行，由于風機盤管能耗僅占總能耗的2%～3%，因此忽略這部分運行時間的變化，認為采暖季24 h運行，即采暖運行時間修正系數ηp，h＝1.00。

對于空調系統，2008年空調季和2009年空調季運行時間如圖3所示。在2007年6月至9月共運行1 340 h，2009年空調季共運行1 121 h，所以空調運行時間修正系數為

圖3 改造前后空調系統運行時間

據式（8）可得空調修正系數為

該建筑改造前后的采暖能耗分別為822 079.94和340 512.30 k Wh，空調能耗分別為2 158 452.26和810 512.30 k Wh。據式（9），可得修正采暖能耗為

2.3 結果及討論

2.3.1 修正節能量計算結果 根據1.2節所述修正節能量計算模型，得修正節能量如表2所示。總修正節能量為1 642 418.05 k Wh，節能率為55.10%，修正采暖空調節能量較直接計算采暖空調節能量小10.23%。其中，修正采暖節能率為48.64%，修正采暖節能量比直接計算采暖節能量小16.97%，修正空調節能率為57.57%，修正空調節能量較直接計算空調節能量小7.82%。

2.2.5 修正節能量 根據以上4個修正系數的計算，據式（7）可分別得到該辦公建筑的采暖修正系數為

表2 直接計算節能量與修正節能量對比

通過計算發現，由修正模型計算出的節能量比直接計算的節能量小，且總能耗差別在10%以上，是不容忽視的，說明節能量計算時，通過修正的方法來消除改造前后比較條件的不同是十分必要的。

2.3.2 方法驗證 為說明節能量修正模型的準確性和可信度，需對其進行驗證。中國現行的《節能量測量和驗證技術通則》（GB／T 28750－2012）［21］中提出了3種節能量測量、計算和驗證方法，分別為“基期能耗 影響因素”模型法、直接比較法和模擬軟件法。筆者提出的節能量修正模型與“基期能耗 影響因素”模型法思想基本一致，且上文已經論證了直接比較法的不科學性，因此用軟件模擬法分別對其進行驗證。

由于案例建筑主要通過改換水泵并增加變頻裝置，因此選用TRNSYS進行模擬。TRNSYS的全稱為Transient System Simulation Program，即瞬時系統模擬程序，該系統的最大的特色在于其模塊化的分析方式，只要調用實現特定功能的模塊，給定輸入條件，這些模塊程序就可以對某種特定熱傳輸現象進行模擬，最后匯總就可對整個系統進行瞬時模擬分析，特別適合用于系統的動態能耗模擬。首先根據建筑基本信息進行建模，室內環境參數為設計情況下的參數，外部氣象條件通過實測室外溫濕度，利用氣象模塊、太陽輻射模塊、焓濕圖模塊和有效溫度模塊得到天空有效溫度以及不同朝向和水平面上的太陽輻射強度，并將上述氣象參數導入建筑模塊，從而建立冷熱負荷計算模型。由于改造后加裝了變頻裝置，因此需要編寫變頻水泵模型，模型輸入參數為管網特性曲線、廠家提供的水泵工頻下的H-Q曲線、η-Q曲線和水泵實際運行頻率，輸出參數為水泵瞬時輸入功率［22］。從而建立改造前后建筑采暖空調能耗計算模型。

為驗證提出的節能量修正計算模型的可信度，分別對改造后的建筑模型在實際情況下和修正情況下進行模擬，模擬結果見表3。假設系統最優化運行，輸入2008－2009年采暖季和2009年空調季的氣象參數、人員、照明、設備等的實際使用情況和系統運行時間，得到改造前后實際情況下的模擬能耗分別 為3 095 637.60k Wh（合 51.59 k Wh／m2）和1 076 244.48 k Wh（合17.99 k Wh／m2），與實測能耗差異分別為3.86%和6.24%，差別在10%以內，即可認為模型可靠［3］。將2008－2009年采暖季和2009年空調季的氣象參數改為2007－2008年采暖季和2008年空調季的氣象參數，將改造后的運行時間改變為改造前的運行時間，由于改造前后內部負荷基本沒有變化，從而得到修正氣象條件、內部負荷和運行時間后的采暖空調系統能耗為1 501 534.69 k Wh（合26.61 k Wh／m2），模擬修正節能量為1 594 102.91 k Wh（合26.57 k Wh／m2），其中采暖和空調系統單位面積節能量分別為6.92 k Wh／m2，19.65 k Wh／m2，見表3。與提出的節能量計算方法計算得到的總節能量差別為3.03%，采暖和空調系統節能量差別分別為3.72%和5.41%，均在10%以內，從而驗證了提出的節能量修正計算方法是準確的。

表3 節能量修正計算方法模擬驗證

從表3還可以看出，采用模擬軟件法得到的模擬計算修正節能量與直接計算節能量有12.87%的差別，其中采暖系統為13.76%，空調系統為12.55%，再次說明，改造前后內外部條件不同引起的節能量的差別是不可忽視的，計算節能量時，需將建筑放在相同的內外部條件下。

利用軟件模擬的方法得到的節能量，無法消除室內熱環境變化引起的能耗差別。從上述計算過程可以看出，兩種方法的共同點在于，若要結果真實可靠，在計算前都需要進行調研和測試，獲得建筑基本信息、使用情況、能耗狀況等數據，不同之處在于，提出的節能量修正計算模型是根據公式直接計算的，而軟件模擬法需要進行建模、模型有效性驗證等復雜的過程。綜上所述，所提出的節能量修正計算模型不僅保證了準確性，而且應用方便，若要進行大量建筑的節能量修正計算，可以提高效率，節省大量人力物力。

值得注意的是，節能量修正模型是以改造前的建筑為基準，對改造后的能耗數據進行修正。事實上，為了達到將改造前后的建筑放在相同的比較條件下的目的，也可以以改造后的建筑為基準，對改造前的建筑能耗進行修正。但是兩種修正方法得到的修正節能量是不同的，所以一定要統一規定基準建筑。對于沒有改造前能耗數據的建筑，《公共建筑節能設計標準》（GB 50189－2005）中提供了基準建筑，即以20世紀80年代改革開放初期的公共建筑為比較基準［19］。因此，筆者認為節能量的計算應該是向前比較，即以改造前的建筑為基準，對改造后的建筑能耗進行修正。

3 結 論

通過分析公共建筑節能改造項目及能耗影響因素，提出了一種新的節能量修正計算方法，即節能量修正模型，包括4個修正系數和3個計算式，4個修正系數分別為氣象修正系數、室內熱環境修正系數、內部負荷修正系數和運行時間修正系數，3個計算式為采暖節能量計算、空調節能量計算和總節能量計算。以天津市某大型辦公建筑為例，通過節能量的計算說明了該修正模型的適用性，并驗證了方法的可靠性。根據以上分析，得出如下結論：

1）能耗修正系數是根據改造前后建筑所處的內外部條件的不同提出的，通過修正可以消除比較前后所處條件不一致而帶來的節能量的誤差。由于采暖和空調系統不同的特點，需要分別對采暖和空調系統能耗進行修正。同時，在使用修正模型時，一定要先確定基準能耗，建議采用改造前能耗為基準。

2）在案例建筑中，修正采暖節能量比改造前后采暖能耗直接相減的節能量小16.97%，修正空調節能量比改造前后空調能耗直接相減的節能量小7.82%，修正總能耗比改造前后總能耗直接相減的節能量小10.23%，可見修正引起的節能量的差異顯著的，改造前后不同的內外部條件引起的節能量差異不可忽視。因此，對節能量進行氣象、室內熱環境、內部負荷和運行時間的修正十分必要。

3）通過與軟件模擬法進行比較，能量修正計算方法與軟件動態模擬結果相差3.03%（小于10%），說明提出的節能量修正計算方法是可信的，將該方法用于計算大量建筑的節能量時，可在保證準確性的同時提高效率。

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（編輯胡英奎）