王丹1 逄秀锋1 齐泽伟1 王伟1 李进2 罗多2
1 北京工业大学 绿色建筑环境与节能技术北京市重点实验室；2 珠海兴业绿色建筑科技有限公司
【摘 要】本文采用基于模型的调适（Model-Based Commissioning）方法，对珠海某办公大楼空调系统的运行状况以及调适所能产生的节能潜力进行了分析。首先，以能耗分析软件EnergyPlus为基础，对办公大楼的建筑结构、空调设备、冷热源系统分别建立了能耗模型，通过现场勘查与实测数据对模型进行了校准，并达到ASHRAE Guideline 14-2012导则对能耗模型校准精度的要求。其次，基于校准后的能耗模型，对不同调适策略进行模拟。与实测运行数据的对比分析结果显示，通过冷水机组台数群控调适、水泵变频调适以及新风系统控制调适，可分别降低冷水机组、水泵和新风机组能耗26%，3%以及1%。最后，总结了建筑空调系统调适的意义及必要性，并为今后工程调适提供了依据。
【关键词】建筑调适、EnergyPlus、能耗分析、节能潜力
【基金项目】国家重点研发计划子课题（No.2017YFB0604000）、国家自然科学基金项目（No.51628801）
Abstract: In this paper, a model-based Commissioning method is used to analyze the operation condition and energy-saving potential of an air-conditioning system in an office building in Zhuhai. First of all, on the basis of energy analysis software EnergyPlus, the building structure of the office building, air conditioning, cooling and heating source system energy consumption models are established, respectively, through the exploration and the measured data of the model calibration, and achieve ASHRAE Guideline 14-2012 guide to the accuracy requirement of the energy consumption model calibration. Secondly, based on the calibrated energy consumption model, different adjustment strategies are simulated. With actual operating data analysis results show that through water chiller sets group control adjustment, water pump frequency conversion adjustment and fresh air system control adjustment, can respectively reduce water chillers, pumps and air unit energy consumption by 26%, 3% and 1%. Finally, this paper summarizes the significance and necessity of building air-conditioning system adjustment, and provides a basis for future project adjustment.
Key words: Building commissioning, EnergyPlus, Energy consumption analysis, Energy-saving potential
0 引言
建筑能耗一直在社会总能耗中占有很大比重。据《中国建筑节能年度发展研究报告2017》统计[1]，我国2015年建筑运行的总商品能耗为8.46亿tce，约占全国能耗消费总量的20%。由于建筑规模越来越大，使用功能增多，空调系统的规模和复杂程度也随之提高，空调能耗在建筑能耗中的比重越来越大，已占建筑总能耗的40%~60%[2]。调适作为一种质量保证的工具，包括调试和优化两重内涵，是保证建筑系统能够实现节能和优化运行的重要环节[3]。
调适（Commissioning，Cx）在美国等发达国家已成为建筑节能的一个重要手段，并开展了近40年的研究工作[4]。Wang Fulin等人对日本Yamatake建筑设备公司的一幢办公建筑VAV空调风系统进行了调适和试验[5-6]。空调系统调适的思想和方法在国内引入始于20世纪90年代清华大学与日本的Nakahara的交流与合作[3]。朱颖心等人与日本山武公司合作，以北京某高档写字楼变风量空调系统改造工程为对象，较为全面地实施了调适步骤，并从能耗状况出发分析了变风量空调系统调适的实时效果，总结了工程进一步调适的必要性[7]。槐兰兰等人以EnergyPlus能耗模拟软件作为分析工具，提出了一个适用空调系统调适评价体系来指导空调系统调适的实施[8]。中国建筑科学研究院自2008年开始对暖通空调系统调适进行研究和应用，先后对杭州西子湖四季酒店、北京四季世家公寓、广州国际金融中心等项目完成了空调系统调适[4]，并完成了国内第一个基于调适技术的变风量系统项目——国家开发银行项目[3]。
本文作者以广东省珠海市某办公建筑为研究对象，结合实际气象参数，对办公楼建筑结构、空调设备、冷热源系统分别建立了能耗模型，并与该办公楼的实际能源消耗进行对比，以验证模型的可靠性；并利用该模型模拟不同调适策略下该办公建筑的节能潜力，为降低建筑能耗提供参考依据。
1 建筑基本情况
1.1 建筑概况
该办公建筑位于广东省珠海市，总建筑面积23471m2。办公大楼有18层，高度为73m，于2017年投入使用。地上17层，功能空间有：办公大堂、办公室、会议室、娱乐室、实验室等。地下1层，主要是停车场。
1.2 空调系统
一层大堂采用自然通风降温的方式，暂不考虑空调系统，但是预留冷冻水接口。办公室采用风机盘管加新风系统，13层部分办公房间及等候区域采用变制冷剂流量多联式空调系统（Variable Refrigerant Volume，VRV）。
空调冷源系统由2台912.2kW变频螺杆水冷冷水机组、2台顶出风方形横流式冷却塔、3台冷却水泵（2用1备）、3台一次冷冻水泵（2用1备）组成；一次冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔、冷水机组均为并联装置。一次冷冻水供回水温度为7℃/12℃，冷却水进出温度为30℃/35℃。空调冷冻水系统采用一次泵变流量系统。由于办公大楼位于广东省珠海市，并且为舒适性空调，因此只考虑夏季供冷，冬季不采暖。
1.3 能耗分析
该办公大楼建筑逐日能耗如图1所示，其平均日能耗为2373kWh。由于本建筑位于夏热冬暖地区，主要考虑夏季供冷，因此建筑在夏季使用能耗较高；在冬季时不需要考虑供暖问题，因此冬季使用的能耗较低。
1）与《民用建筑能耗标准》（GB/T51161-2016）对标
《民用建筑能耗标准》（GB/T51161-2016）[9]第5.1.2条规定：“公共建筑应按下列规定分为A类和B类：可通过开启外窗方式利用自然通风达到室内温度舒适要求。从而减少空调系统运行时间，减少能源消耗的公共建筑应为A类公共建筑；因建筑功能、规模等限制或受建筑物所在周边环境的制约，不能通过开启外窗方式利用自然通风，而需常年依靠机械通风和空调系统维持室内温度舒适要求的公共建筑应为B类公共建筑。”第5.2.1条：办公建筑非供暖能耗指标的约束值和引导值应符合下表（表1）规定。
本建筑属于夏热冬暖地区的A类商业办公建筑，因此对应能耗约束值为80 kWh/(m2· a)，引导值为65 kWh/(m2 ·a)。本建筑单位面积能耗为34 kWh/(m2·a)，将其结果与《民用建筑能耗标准》中夏热冬暖地区的A类办公建筑非供暖能耗指标约束值进行对比，可知其建筑能耗计算值小于约束值，满足基本要求。
2）与美国建筑能耗对标[10]
美国建筑能耗库由美国能源部和美国劳伦斯伯克利国家实验室共同开发建立，该建筑库覆盖美国15个气候区多种建筑类型。用户可以根据气候区、建筑信息等参数确定建筑库建筑数量，以此对标目标建筑能耗水平。
本研究考虑美国相似气候区的办公建筑进行对标，结果如图2所示。该同类建筑库中建筑能耗的中值为186 kWh/(m2·a)，仅有2.9%的建筑能耗密度介于0~63 kWh/(m2·a)，而本建筑能耗为34 kWh/(m2·a)。因此本建筑能耗小于同类建筑能耗，并优于同类大部分建筑。
2 建筑能耗模拟
2.1 计算参数
以该办公建筑CAD施工图纸为原型建筑，采用SketchUp Pro 2016和OpenStudio完成建筑围护结构模型建立（如图3所示）。建筑围护结构参数如表2所示，主要围护结构的热工参数均满足《公共建筑节能设计标准》（GB50189-2015）的要求。该建筑能耗模拟基于当地实际气象参数，利用能耗模拟引擎EnergyPlus完成该模拟工作。在建筑能耗模拟中，由于建筑位于夏热冬暖地区，因此仅考虑空调系统模拟，对供暖系统暂不模拟。
该办公建筑主要空间设计参数及时间表分别如表3和图4所示。照明功率密度、设备功率密度、人员密度及其对应的时间表均以该建筑实际记录数据为基础进行设置。室内温度设定如图5所示，室内温度的设定同样以实际采集数据为准，并输入到建筑模型中。
2.2 模型校核
依据ASHRAE Guideline 14-2012导则[11]，建筑模型采用逐月能耗数据完成校核与验证工作。根据导则要求，建筑逐月能耗应满足归一化相对误差（Normalized Mean Bias Error，NMBE）小于等于5%，同时均方根平均误差（Coefficient of Variation of the Root Mean Square Error，CVRMSE）小于等于15%。归一化相对误差和均方根平均误差计算公式具体如下：
式中：yi: 建筑逐月实际能耗量，kWh；
: 建筑逐月模拟能耗量，kWh；
: 建筑测试期平均能耗，kWh；n: 样本数量。
依据上述标准和公式，对办公大楼进行建筑能耗模型、新风风机模型、水泵模型以及冷水机组模型进行校核，校核结果如图5所示。从图中可以看出，建筑能耗模型、新风风机模型、水泵模型以及冷水机组模型模拟值与实测值整体偏差不大，个别月模拟值与实测值相差较大，这是由于建筑信息难以全面获取，因此导致模拟值与实测值相差较大。
采用公式（1）和（2），对实测结果和模拟结果分析与计算可知，建筑能耗模型、新风风机模型、水泵模型以及冷水机组模型NMBE和CVRMSE均小于等于5%和15%，满足导则的要求与规定。因此，可认为本文所建立模型的准确性基本上得以保证，模拟结果可以较为真实地反映实际耗能，可用来进行调适节能潜力分析。
3 调适节能潜力分析
本节通过改变空调系统调适策略，分析在不同调适策略下空调系统的节能潜力，以此说明空调系统调适对建筑节能的意义及必要性。主要分析以下三个调适策略与方法，分别涉及冷水机组、空调系统水泵以及新风系统的运行与调适。
3.1 冷水机组群控调适
设计运行策略：在冷水机组台数的控制策略设计中，当单台机组的负荷率超过90%，即运行频率超过200 Hz，并持续时长超过20 min，则增加一台冷水机组运行。当两台机组同时运行时，单台机组的频率最大值低于设定值90 Hz并持续20 min，则停止其中一台运行时间较长的机组。
实际运行效果：图6为两台冷水机组部分时间实际运行情况。选择7月10日和7月12日两天分析机组实际运行效果，如图7所示。从图中的阴影部分可以看出，在7月10日时，1#机组运行频率持续20min超过了200 Hz，但是2#机组并未按照设计运行策略开启；而在7月12日的时候，2#机组的频率持续低于90 Hz，按照设计运行策略，此时应停止一台冷水机组工作，但是实际两台冷水机组仍然在工作。因此，冷水机组在实际运行中并没有依据设计运行策略运行。
调适效果：冷水机组应用设计调适策略模拟结果如图8所示。从图中可以看出，冷水机组的能耗明显的降低，下降了26%，这是因为应用设计的运行策略，在负荷率较低的时候开启一台机组，所以冷水机组的能耗降低。随着冷水机组能耗的降低，水泵能耗也随之降低，应用调适策略，水泵能耗降低了5%。对于新风机组而言，由于系统新风量没有发生改变，因此新风机的能耗没有显著的变化。
3.2 系统水泵变频调适
设计运行策略：在前期设计当中，冷冻水泵和冷却水泵都为变频水泵，通过改变频率来调节水系统流量。根据设计资料。冷冻水泵的频率依据水系统最不利点压差（当前设定30 kPa），并利用PID算法进行频率设定，其设定范围在30~50 Hz。冷却水泵的频率则依据机组冷却水进出水温差与设定温差（当前设定为5℃），并利用PID算法进行频率设定，其设定范围在30~50 Hz。
实际运行效果：图9为冷冻水泵和冷却水泵实际运行情况。从图中可以看出，冷冻水系统的最不利点压差多数时间是保持在设定值30 kPa的。但也有部分时间是高于设定值的，造成了冷冻水泵能耗的浪费。冷却水系统与冷冻水系统情况类似，多数时间冷却水供回水温差保持在设定的5℃，但也出现低于5℃的情况。
调适效果：在能耗模型中，我们将冷冻水系统最不利点压差以及冷却水供回水温差始终保持在设定值上，并进行了能耗模拟。图10比较了调适前后节能效果。从图中可以看出，机组和和水泵的能耗分别降低了2%和3%，而新风机组能耗没有显著的变化。因此，通过改善部分工况下，冷冻水泵与冷却水泵的变频控制，可以一定程度上降低水泵的能耗。
3.3 新风系统控制调适
设计运行策略：该建筑新风系统采取基于室内二氧化碳浓度的新风需求运行策略（Demand Control Ventilation，DCV）[12]具体控制逻辑如下：每楼层设有一个自动控制设置值（值为ON/OFF），系统全局增加“CO2浓度下限”设置值（默认500 ppm）和“CO2浓度上限”设置值（默认800 ppm）。如果自动控制设置为ON状态，当该楼层的检测CO2浓度的平均值大于“CO2浓度上限”设置值并持续时间超过5 min新风比例调节阀门开度调整为100%；当该楼层的检测CO2浓度的平均值小于“CO2浓度下限”设置值持续时间超过5 min则调整阀门开度为0%。此外，新风系统增加新风比例阀总开度设置值（默认300）和新风开启偏差值（默认200），当所有的新风比例阀的开度合计值小于新风比例阀总开度设置值并持续时长超过5 min则停止新风机，当所有新风阀门的开度合计值大于新风比例阀总开度设置值与新风开启偏差值之和，并持续时长超过1 min，则重新开启新风机。
实际运行效果：图11为新风系统实际运行情况。选择8月28日和7月13日两天分析新风系统实际运行效果，如图12所示。从图中的阴影部分可以看出，在8月28日时，室内平均CO2浓度已经大于CO2浓度上限800 ppm，按照设计运行策略，新风阀开度应开至100%，而实际新风阀开度小于100%；在7月13日的时候，室内平均CO2浓度已经小于CO2浓度下限500 ppm，并持续了较长的时间，而此时新风阀开度没有按照设计预期降低至0%，而保持开度在99%左右。因此，新风系统在实际运行中也并没有依据设计运行策略运行。
调适效果：新风系统控制调适节能分析如图13所示。从图中可以看出，冷水机组、水泵以及新风机的能耗分别降低了0.2%、32%和1%。由于采用DCV的新风需求策略，新风量较实际有所下降，且新风负荷也随之下降，因此冷水机组的能耗也比实际运行降低了0.2%。
4 结论
本文使用能耗模拟软件EnergyPlus模拟了广东省珠海市某办公建筑的用能情况，并通过对标分析，该建筑能耗低于同类建筑，并满足规范基本要求。其次，根据办公大楼实际运行参数模拟了办公楼的能耗，并将模拟结果与实际结果进行对比来验证模型的可靠性。最后，基于能耗模型模拟分析了不同调适方法对建筑能耗的影响。模拟结果表明冷水机组群控调适可降低机组能耗26%，系统水泵变频调适可降低水泵能耗3%，新风系统控制调适可降低新风机组能耗1%。综上，建筑调适可实现空调系统优化运行，对建筑节能有重要的意义。
参考文献
[1] 清华大学建筑节能研究中心. 中国建筑节能年度发展研究报告[M]. 中国建筑工业出版 社, 2017.
[2] 廖春晖. 变水量空调系统节能分析与控制研究[D]. 合肥工业大学, 2009.
[3] 逄秀锋, 刘珊, 曹勇,等. 建筑设备与系统调适[M]. 中国建筑工业出版社, 2015.
[4] 曹勇, 刘刚, 刘辉,等. 国内外建筑调适技术的研究进展与现状[J]. 暖通空调, 2013, 43(4):18-29.
[5] Wang F L, Yoshida H. Experiment study on continuous commissioning a real VAV system[C]. The 4th International Symposium on HVAC. Beijing, China, 2003:959-966.
[6] Wang F L, Yoshida H, Goto K. Model-based commissioning method for fix-plate energy recovery unit in building ventilation system [C]. Proceedings: Indoor Air, 2005:1132-1137.
[7] 夏春海, 韩铮, 朱颖心,等. Commissioning 在变风量改造工程中的应用[J]. 暖通空调, 2006, 36(11):92-98.
[8] 槐兰兰. 空调系统 Commissioning 实用评价体系的研究[D]. 河北工程大学, 2009.
[9] 中华人民共和国住房和城乡建设部. GB/T51161-2016 民用建筑能耗标准[S]. 北京：中国建筑工业出版社, 2016.
[10] https://bpd.lbl.gov
[11] ASHRAE, Guideline 14 – Measurement of Energy, Demand, and Water Savings, ASHRAE, 2014.
[12] ASHRAE Standard 62.1-2007 User's Manual. American Society of Heating, Refrigerating 12and Air-Conditioning Engineers, Inc., Atlanta, GA, 2007.
备注：本文收录于第21届暖通空调制冷学术年会（2018年10月23～27日，中国·三门峡）论文集。版权归论文作者所有,任何形式转载请联系作者。
