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建筑参数与暖通空调系统相结合对建筑能耗的影响
摘要
不同的建筑物采用不同的暖通空调系统时，系统的性能也会有所不同。本文研究了不同暖通空调系统下建筑采暖负荷和后续能耗的关系，目前英国的办公室大楼通常采用两种暖通空调系统——变风量（VAV）系统和带有专用室外空气系统的风机盘管。两种常见的暖通空调系统都与一个带或不带日光控制的典型窄平面办公楼相连，适用于蜂窝状方案和开放式方案。
本文的研究结果表明，仅靠建筑的热负荷和冷负荷是不可能对建筑节能性能做出可靠判断的。对于所研究的两个系统，即变风量系统和带专用外部空气系统的风机盘管，系统所需能耗和建筑能耗之间的差异在供冷时为-40%到几乎 30%之间，在供暖时为-20%到 15%之间。如果使用热回收装置，供暖时差异甚至更大，达到了接近-70%。
关键词
能源效率 能耗模拟 办公楼 暖通空调
正文
一、导言
办公和零售业是非住宅建筑领域中能耗最高的类型，通常占非住宅建筑总能耗的50%以上[1]。尤其重要的是，暖通空调系统的能源消耗变得更为重要，几乎与热舒适性需求并重。空调的能源消耗在住宅和非住宅部门的能源最终用途中占最大比重，在非住宅建筑中的比重接近50%。
现代建筑及其暖通空调系统不仅要求更节能，在舒适性方面也不断提高性能要求，而且在财务和环境问题方面也同样如此[2]。暖通空调系统的选择将影响建筑的生命周期成本，而暖通空调系统不能达到要求或运行成本高的建筑也不太可能轻易出租或出售[3]，因此舒适、节能的建筑设计广受欢迎。这一领域的研究主要集中在为降低能耗而开发的计算机软件应用上。从历史上看，重点是建筑能源需求，而不是实际的能源消耗。然而，尽管生活在温和的气候下，如英国，人们对凉爽环境的要求不断增高，因此对暖通空调系统选择的研究也变得越来越重要。
暖通空调系统的能量性能不仅取决于其构造和运行参数，而且还取决于建筑物的供热和供冷特性。研究人员和工程师们一直在寻找一种能在任何建筑物中提供最佳性能的“最佳”系统，理论上，如果满足以下标准，则此类系统（配置）确实存在[5]：
- 该系统能够最大限度地减少外部空气负荷，同时保证每个区域的最小新鲜空气供应符合标准要求。
- 该系统能够避免冷却源和热源同时运行的情况，例如在主甲板上冷却，而在终端处再加热；并且能够避免在有冷却需求的情况下发生加热的情况，反之亦然。
- 条件允许时系统可充分利用自然冷却。
- 通过区域间气流或热交换，系统能够尽可能减少不同区域之间需同时加热和冷却的发生。
对空气的湿度分析表明，一些典型的多区域暖通空调系统，如集中变风量（VAV）IT或定风量（CAV）系统，通常效率很低。理想最佳系统应基于风机盘管、专用室外空气系统和分区间气流组织。然而，这一系统能否在实际建筑中实现，仍然是个问题。
上述结论来自一项具有重大局限性的研究。首先，模型是基于理想的湿度过程；其次，未考虑与系统运行相关的系统能耗，以及泵和风机引起的温升，同时，该研究还假设了理想化的系统操作，例如，温度和气流速度设定点在很大的范围内连续可变，并且没有任何控制死区。最后，在选定的设计条件下进行仿真，而不是年度动态仿真。
在非住宅建筑中，建筑的使用类型和人员活动对所需能源服务的质量和数量有很大影响。在研究特定的非国内类型建筑时，例如办公楼，通常的方法是定义一个典型的或示例的办公楼。这种方法已经在[6]，[7]中被用于研究建筑改造方案，旨在将英国办公大楼内的二氧化碳排放量减少50%。通过ESPr动态模拟软件，以四层高热质开放式建筑为研究对象，对未来英国办公建筑的能源需求和后续消耗对未来气候变化的敏感性进行研究，并且能对暖通空调、电器和照明效率有所改善。办公楼的能耗是根据设计的通用暖通空调系统和部分负荷条件下的锅炉和冷却机组效率确定的。达斯卡拉基和桑塔姆[8]对五种典型欧洲办公建筑类型的办公项目的结果进行调查，以研究五个不同气候区的被动和主动二氧化碳排放措施。用于能量分析的软件基于实际的建筑监测，报告的发现之一是，暖通空调系统的类型对总能耗有显著影响。Ourghi等人[9] 提出了科威特和突尼斯办公楼年制冷量和总能耗的简化计算方法。研究人员使用DOE-2对各种形状的办公楼进行了建模，典型的办公使用模式和时间表与所有采用的暖通空调系统（VAV，电加热和制冷）中均相同。研究发现，在以降温为主的气候条件下，年总能源使用量与建筑相对紧凑度（“立方体相似性”）、窗墙比和玻璃太阳能热增益系数之间存在很强的相关性。
Korolija等人采用动态仿真软件[10]进行研究，结果表明暖通空调系统的能源效率在很大程度上取决于建筑的热特性，包括分区供热、供冷和新风需求。本文对安装有变风量空调和变风量空调系统，具有不同绝缘等级的窄平面办公楼进行了调查研究，并且进一步介绍了一种带专用室外机的风机盘管空调系统。本文除了为英国气候下办公楼暖通空调系统的选择提供指导外，还旨在论证实际设计参数（如尺寸、运行模式和控制设定点）对办公楼系统性能的影响。
- 方法
建筑物和系统的模型是在EnergyPlus v4.0中创建的，并使用伦敦盖特威克气象文件进行模拟。
2.1 建筑模型及热负荷
本研究开发的建筑模型是一个占地面积为32 mtimes;16 m、地上高度为3.5 m的窄平面办公楼。该建筑为三层，每层由办公区和公共空间组成（图1）。
图1 办公室建筑模型
该建筑有两种类型办公空间布局：开放式办公室和蜂窝式办公室。开放式平面布局包括一个大型开放空间Zone 1，而在蜂窝式办公布局中，办公空间由一条走廊划分为Zone 1和Zone 3。在两种楼层布局中，Zone2代表公共区域，如走廊、卫生间、接待区等（图1）。每个立面都有相同的玻璃窗，占外墙面积的50%，这是中等玻璃窗办公楼的标准值。建筑结构应符合最新的英国国家标准[11]，并代表当前最佳实践结构，与标准要求相比，U值显著降低。建筑构件U值见表1。所选玻璃的太阳热增益系数为0.637，而可见光透过率为0.761。
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建筑构件 |
传热系数[W/(M)]2 (K)] |
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外墙 |
0.25 |
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屋顶 |
0.15 |
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底层 |
0.15 |
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上玻璃窗 |
1.78 |
表一 建筑构件传热系数
办公楼属于使用方式明确的建筑类型，该建筑仅在工作日上午7点至下午7点使用，在此期间必须严格控制室内热条件和空气质量。区域空气温度由双设定点恒温器控制，该恒温器在供热期间将办公室温度保持在22°C，在供冷期间将办公室温度保持在24°C。公共区域的温度范围稍有不同；供热温度保持在20°C，供冷温度保持在26°C。在空闲时间，如果任何区域的温度下降到12°C以下，恒温器都需要供热；如果办公室的温度超过28°C或公共区域的温度超过30°C，则通过打开供冷装置防止过热。CIBSE[12]指南中推荐了这些值，并且它们与ASHRAE手册[13]中引用的室内空气温度兼容。
英国办公楼的内部热负荷增加是办公室冷供冷系统存在的主要原因[14]，办公区的不同热负荷分布决定了建筑采用开放式结构还是蜂窝式结构。对于开放式办公室，居住密度设置为9 m2/人，总热负荷为125 W/人[12]，而设备热负荷限制为15 W/m2[15]，而蜂窝式办公室通常由两人或三人共用，或有时设计为单人入住，这将使居住密度降低到14 m2/人，并将设备热负荷降低到10 W/m2，因此为符合12 W/m2的基准值[16]，该办公室选择人工照明的方式。除了内部热负荷外，还必须定义另外两个参数，以完成建筑能耗模拟的所有必要数据。第一个参数是为满足新鲜空气要求而提供的室外空气的体积，这相当于每人10升/秒[17]。第二个参数是通过渗透速率确定建筑的气密性。根据CIBSE A4-13[12]的相关标准，对于按照最新标准建造的空调建筑，空气渗透率的值为每小时0.3次换气。
如前所述，办公建筑的内部热负荷对其热性能和能耗有着重要影响。因此，必须特别注意降低内部热负荷。实现这一目标的方法之一是在办公区实施日照控制。在这项研究中，我们决定比较两种情况下，日照控制和无日照控制下的建筑能耗。为此，将DElight模拟引擎运用到EnergyPlus中，用于计算人工照明减少量。根据Carroll和Hitchcock[18]的说法，选择这种特定的模型是因为它是可靠的、可用的，并且能够提供关于建筑物内采光和照明控制系统性能的足够精确的定量信息。此外，Maamari等人[19] 验证了几种日光模拟工具，得出结论：DElight结果与测量结果有很好的相关性。
DElight模型计算用户指定参考点处的室内采光亮度级别，然后将其与亮度目标值进行比较，对于办公室类型活动，亮度目标值设置为500 lx。通过尽可能减少人工照明，以便在达到设定亮度目标值的同时减少照明的能耗。图2示出了如何将办公区域划分为由相应参考点控制的几个采光区域。开放式办公室有五个参考点，四个边缘区和一个核心区。蜂窝式办公室只有两个采光区，一个靠近玻璃区域，另一个位于空间深处。
图2 日照参考点
设定了先前的参数后，可以运行年度模拟来确定建筑能耗。图3显示了开放式平面和蜂窝式办公室布置（有日光控制和无日光控制）的建筑能源消耗，分为以下最终用途类别：设备、照明、冷却和供暖。
图3 建筑能耗
最明显的区别是蜂窝式和开放式办公设备的耗电量，这是由于初始模型设置造成的。研究结果明显支持了采光控制对人工照明用电量的影响。在这两种情况下，蜂窝式和开放式办公室通过实施日光控制，使电力消耗减少了65%以上。由于设备和照明会增加内部热负荷，因此分析内部热负荷的不平等如何影响供冷/供热能耗是很重要的。与开放式办公室相比，蜂窝式办公室的内部热负荷较低，冷量需求减少了10%以上，同时，热量需求也高出5%左右。有采光控制的建筑物和没有实施采光控制的建筑物相比，制冷/制热需求的差异更为显著。有采光控制的建筑物的冷量需求减少了近25%，热量需求增加了20%以上。在数据上，冷却需求减少约10.5 kWh/m2/年，供热需求增加约5.5 kWh/m2/年。
2.2 暖通空调系统模型
本文主要研究典型的暖通空调系统如何满足这些不同的建筑能耗，同时，这些建筑中已经安装有两种常见的暖通空调系统：可变风量（VAV）系统和带有专用外部空气系统的风机盘管（FC）系统。
变风量系统（图4）是一个全空气系统，它在保持送风温度恒定的同时通过该改变送风量，以适应运行期间空间内负荷的减少。通过这种方式，系统保持预定的空间参数，通常是空气温度，并在体积流量减少时保持风机功率。主加热盘管（HC）和冷却盘管（CC）（图4中的tsa）控制在送风温度为16℃。预处理的空气通过空气再热箱输送到各区域，并且能够在必须时进行额外加热。每个空气再热箱由一个阻尼器和热水盘管组成，两者均由区域温度传感器（tza）操作，并具有反向阻尼器作用。这意味着在加热模式下，机组以最小空气流量和最小热水流量启动。当热负荷增加时，热水流量增加，直至达到最大流量，如果仍不能满足负载，则进一步打开风门。室外空气量通过配有省煤器的室外空气混合箱控制，省煤器按比例混合回风和室外空气，以满足混合空气温度设定值（图4中的tma）。通过使用省煤器装置，尽可能增加室外空气量，有利于自然冷却。
图4 变风量系统
在供风侧设置可变的空气温度设定值，可以提高变风量空调系统的性能。通过引入变温度控制，可以减少再热所需的能量，同时也可以提高自然冷却能力，可以通过检查任何一个VAV再热箱在冷却期间是否处于最小流量来实现的。这样的话，建筑管理系统将会提高送风温度。具有连续可变供给温度控制的变风量空调系统是一种有效的变容积温度（VVT）系统，在英国还没有得到广泛的应用。
带专用室外空气系统的风机盘管（FC）如图5所示，是一个由四个风机盘管区和空气处理装置组成的空气-水系统，该系统仅运输100%新鲜空气以满足新鲜空气的要求。与VAV系统不同，新鲜空气供应温度由可变温度传感器控制，该传感器将供应空气温度在16°C和22°C之间变化，以便最大限度地利用自然冷却。
图5 风机盘管系统
然而，由于与变风量系统相比，送风量显著降低，自然冷却非常有限。风机盘管由循环室内空气的风机和加热、冷却盘管组成。室内温度由本地恒温器控制，恒温器通过加热或冷却盘管改变水流量，以响应区域需求；在不需要加热或冷却的情况下，关闭风机盘管风扇。室外空气可以通过安装热回收装置（HRU）进行预处理，HRU在送风和排风之间交换热量。热回收装置配有旁路挡板，通过旁路热交换器最大限度地实现自然冷却。本研究分析了两种有热回收装置和无热回收装置的风机盘管系统的配置下的结果。
研究根据系统类型进行了不同的送风机特性的建模，对于变风量系统，采用变流量风机，调节比为30%。系统中的空气流量由进口叶片阻尼器控制。风扇性能参数取自ASHRAE辅助软件包[20]。与VAV系统不同，FC系统中的空气分配由定容风扇驱动。对于配备有HRU的VAV系统和FC系统，风扇压力升高被设置为700 Pa。对于没有HRU的FC系统，由于空气回路中的阻力减小，压力上升降低到600 Pa。
两种系统的热
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