智能建築的節能及經濟效益評估

論文類別:工學論文 > 電力論文
論文標簽:建築業經濟論文
論文作者: 顧增林
上傳時間:2006/3/3 13:19:00

摘要:本文結合寧波港務局北侖港區國際集装箱碼頭綜合樓智能化工程實例,從建築可持续發展戰略、工程技術經濟性分析等方面分析了智能建筑的節能問題,對節能效益評估內容與方法進行探讨,並提出了空調系統節能系數的計算方法。智能建筑的節能及經濟效益評估

關鍵词:智能建築 節能效益

1 商業建築的耗能概況

  據有關統計,寫字樓和酒店等商業建築中空調、照明、電梯等系統的耗能情况大致如下:①空調:寫字樓空调耗能占總耗能的比例平均為60%,其下限為50%,上限不高於70%;酒店HVAC(熱、通風和空調控制)耗能占總耗能的比例為44%。②照明:寫字樓照明耗能占總耗能的比例為23%-55%,平均26%;酒店照明耗能占總耗能的比例為29%。③電梯:寫字樓耗能占總耗能的比例為8%,酒店電梯耗能占總耗能的比例為10%。

2 智能建築的節能措施

2.1 提高室內溫濕度控制精度
  室內溫湿度的變化與建築節能有着緊密的相關性。據美國國家標準局統計資料表明,如果在夏季將設定值溫度下調1℃,將增加9%的能耗,如果在冬季將設定值溫度上調1℃,將增加12%的能耗。因此將室內溫湿度控制在設定值精度範圍內是空調節能的有效措施。歐美等國對室內溫濕度控制精度要求为:溫度為±1.5℃,濕度為60±5%的變化範圍。
  傳統的建筑由於沒有采用樓宇自控系統,往往造成夏季室溫過冷(低於标準設定值)或冬季室溫過熱(高於标準設定值)現象。這不但對人體的健康和舒适性來講都是不適宜的,同时也浪費了能源。采用了楼宇自控系統的智能建築,不僅可以按照設定自動調節室內溫濕度外,還可以根據室外溫濕度的和季节變化情況,改變室內溫度的设定,使之更加滿足人們的需要,充分發揮空調設備的功能。空调系統溫度控制精度越高,不但舒適性越好,同時節能效果也越明顯。
2.2 新風量控制
  根據衛生要求,建築內每人都必須保證有一定的新風量。但新風量取得過多,將增加新風耗能量。以上海地區酒店為例,在設計工況(夏季室外溫26℃,相對溫度60%,冬季室温22℃,相對濕度55%)下,處理一公斤室外新風量需冷量6.5kWh,熱量12.7kWh,故在滿足室內衛生要求的前提下,減少新風量,有顯著的節能效果。
  新風量應該根据室內允許CO2濃度來確定,CO2允許濃度值一般取0.1%(1000ppm)。采取固定新風量的方式是不夠精確的,因為隨著季節和时間的變化以及空氣的汙染情況,室外空氣中CO2濃度是變化的,同時室內人員的變化自然對新鮮空气的需求也發生變化,所以最為合理的方式是根據室內或回風中的CO2濃度,自動調節新風量,以保證室內空氣的新鮮度,控制功能較完善的樓宇自控系統可以滿足這些控制要求。
2.3 機電設备最佳啟停控制
  對於辦公和商場等建築夜晚是不需要空調的,自然在夜裏是不需要開空調,為了保證工作開始時室内環境的舒適,就需要提前對建築进行預冷、預熱,另外室内溫度是慣性很大的被控對象,提前關閉空調也可以保證室內溫度在一定的時间內變化不大,樓宇自控系統通過對空調設備的最佳啟停時間的計算和控制,可以在保證環境舒適的前提下,縮短不必要的空調啟停寬容時間,達到節能的目的;同時在預冷、预熱時,關閉室外新風风閥,不僅可以減少設備容量,而且可以減少獲取新風而帶来冷卻或加熱的能量消耗。
  在商業建築中照明的能源消耗要占整个能源消耗的很大部分,其中公共照明最容易產生能源浪費,對這些照明設备實行定時開關控制,甚至按照作息时間和室外光線進行预程調光控制和窗際調光控制,可以极大降低能源消耗。
  在實行多種電價的地區,利用樓宇自控系統,通過與冰蓄冷設備、應急發電機等配合,可以在用電高峰時,選择卸除某些相對不重要的机電設備減少高峰負荷,或投入應急發電機以及釋放存儲的冷量等措施,實現避峰運行,降低运行費用。
2.4 空調水系統平衡與變流量管理
  空调系統的節能控制算法是智能建築節能的核心,通過科學合理的節能控制算法,不但可以達到溫度環境的自動控制,同時可以得到相當可觀的節能效果。
  空調系統的熱交換本質是一定流量的水通過表冷器與風機驅動的送風氣流进行能量交換,因此能量交換的效率不但與風速和表冷器溫度對熱效率的影響有关,同時更與冷熱供水流量與熱效率相關。通常在没有采用對空調系統進行有效的空調供水系統平衡與變流量管理時,常規的做法是以恒定供回水壓力差的方式來設定空調控制算法,結果溫濕度控制精度很差,能量浪费也是極其明顯的。這是由於在恒定的供回水壓力差之下,自平衡能力很差,流量值與實際熱交換的需要量想差甚遠,往往因而造成溫濕度失控,能量浪費和設備受損。
  通過對空調系統最遠端和最近端(相對於空調系統供回水積水器而言)的空調機在不同供能狀態和不同運行狀態下的流量和控制效果测量參數分析可知空調系統具有明顯的動態特點,運行狀態中楼宇自控系統按照熱交換的实際需要動態地調節著各臺空調機的電磁閥,控制流量進行相應變化,因此總的供回水流量值也始終處於不斷變化之中,為了響應這種變化,供回水壓力差必須隨之有所調整以求得新的平衡。應通過實驗數据建立變流量控制數學模型(算法),將空調供回水系統由開环系統變為閉環系統。
2.5 克服暖通設計帶來的設備容量冗余
  目前我國絕大多数暖通系統,為了保證能在最不利的環境情況下正常運行,在設計時往往采用靜態方法計算负荷,而且還乘以較大的安全系数,以至於在設備(如制冷機組、冷凍水泵、冷凍水泵、風機等)選型方面往往偏大。暖通系統是一个典型的動態系統,一年之中的負荷絕不是均勻分布的,即使是一天之中的負荷也是隨時间而變化的。不恰當的冗余將會造成能源的浪費,而這種冗余是很難用人工監控的方式加以克服。由於智能建築科學地運用楼宇自控系統的節能控制模式和算法,動態調整设備運行,有效地克服由于暖通設計帶來的設備容量和動力冗余而造成的能源浪費。
2.6 能源管理系統的应用
  開發能源管理軟件,建立能源管理系統,實現能耗跟蹤、節能的遠程及就地控制。能源管理系統由各種計量儀表和軟件程序組成。安裝於各種基本的空調設備(如制冷機組、冷卻水泵、冷凍水泵、風機等)上的計量仪表不僅可以在系統运行時采集該設備的適時運行原始數据,還可以協助中央控制器,在系统軟件控制下,實現系統的節能運行。軟件程序則是能源管理系統的中樞。
  首先,由各種計量儀表采集的設備運行原始數据,通過數據傳輸通道傳輸到中央處理器,利用軟件程序對其进行分析整理,從而建立系統高效低能運行數據库並集成在能源管理系統軟件中,為以後的能源管理提供基本依據。
  然後,在空調系統的运行過程中,各種計量儀表采集相應的運行數据傳輸給中央處理器,通過软件程序的對比分析,擬合出系统的運行曲線,從而判斷系統是否處於節能運行狀況。若發現運行異常,系統軟件可根據采集的適時運行數據及所擬合的運行曲線,自動確定故障部位、發出聲光報警信號,通知故障檢測程序自動排障或指示設備管理人員人工排障。
  此外,能源管理軟件還可自動存儲或打印設备運行數據和運行曲線,為後續的系统完善提供可靠資料。各種計量儀表也可通過顯示屏直接顯示運行數據,提高管理人員的節能意識。

免费論文下載中心 http://www.hi138.com 3 節能的經濟效益評估

3.1 節能效益評價內容与方法
  智能建築的节能是指智能建築內能源的消费和合理利用之間的平衡關系。衡量一個建築智能化系統的節能的經濟效益應該包括二個方面的內容:一方面是節能設计的範圍、類別,是僅僅考慮了直接節能、還是包含了廣義節能?是否具備潛在節能?另一方面是節能的實际效率和深度。節能效益到底有還是沒有、高還是低?這些都是判別建築智能化系統實際功效的重要指標。通常建築物節能的內容和對象包括建築設計、空調系统、照明與設備,智能建築節能不但包括原有傳統建築所采用的節能方法,更重要的是采用先進的科技來達到更準確的調整和控制,即"主動節能"。
  智能建築的節能效益評價可以考虑的內容與方法推薦表见下表。

系統

評價項目

評價測定內容

評價方法

空調系统

耗能量

耗電量、燃料耗量的測定

與同用途的其它建筑物比較與基準值比較

二次側負荷分布

對代表二次側負荷的量和變動的測定,把握熱負荷的實态,研究設備系統有效利用的方法

與其它建築物热負荷量比較

模擬二次側負荷分布

根據實际的房間使用狀態、设備工作狀態進行負荷計算並對热源設備的容量驗證

與其它建筑物的熱負荷比較計算值與實测值的比較

冷熱水、冷卻水的溫度、流量

調查系统是否處於健全的狀态

與设計值、基準值比較

空调機的送風量、送風溫度

調查輸送動力的低減化

與室內實測數據對照,與設计風量比較

風量平衡

明确空調域和非空調域之間熱量的傳遞

与不同用途的正壓、負壓要求對照

新風量

明确新風量的過量或不足

与設計值比較

風系統的阻力

風閥、盤管、過濾器、靜壓箱、彎頭等部位實測阻力損失,探明阻力過大的原因

與基准值比較設計風量與實測風量的比較

水系統的阻力

盘管、閥門、過濾器、閥門開度等部位實測阻力損失,探明阻力過大的原因

與基準值比較設計水量與實测水量的比較

建築電氣

變壓器的負荷率調查

變压器的集中和容量降低的可能性

以平均負荷率50%為標準

節電設備的利用

節能型變压器、電容器、照明器具、信號燈等利用的可能性

根據運行費的降低程度進行綜合

合適的照度

各房間取若幹代表點作照度測定

與規範比較

晝光利用可能性

有采光窗的房間中作白天消燈、減燈可能性調查

與規範比較

引導燈消燈可能性

引导燈消燈可能性調查

費用效果比評價

有可能用時間表控制的設備調查

根據運行記錄和現場觀察

根据運行費的降低額度进行綜合評價

利用深夜電力可能性

熱水器的用水量和需用熱水的時間分布

根據運行費的降低額度進行综合評價

給排水

給水使用量

查明過剩用水量、用途不明的水量

与設計值比較,與同種用途的其他建築物比較

給水水量、水壓的測定

實测給水閥門的開度情況調查

根據測定結果进行校核,與設計值比較

供熱水熱源的效率

測定熱水鍋爐效率調查負荷率,確認鍋爐節能措施

與竣工數據比較與新設备比較

供熱水溫度

測定熱水供水溫度,測定隔熱材料傳熱系数

與末端容許最低溫度比較

供熱水量、供熱水壓力

測定末端供熱水栓調查熱水器具的使用率

與容許供熱水量、水壓的比較

供热水循環泵運行方法

研討供熱水循環泵的間歇運行化、部分熱水供應的停止、切換到局部供熱水方式

與正確循環量的比較

雨水利用的可能性

調查當地降雨量根據建築物形態計算集水量

研究費用效果比



3.2 空調系統節能系數的計算
  评估空調系統節能效果的好壞,單从設計情況來考慮是不夠的,還需要計算空調系统的全年總耗能量。主要計算方法為當量運行時間法。
  當量運行時間(τ)的定義是:全年空調冷負荷(或熱負荷)Q與制冷机(或鍋爐)最大出力q的比值,即:
        τ=Q/q
  負荷率ε是全年全年空调冷負荷(或熱負荷)Q與空調系統在累计運行時間內總的最大出力之和的比例,即:
        ε=Q/qT
    式中T為空調系統累計運行時間。
    結合二式後得:
        ε=τ/T
  式中:τ為采取節能措施後空調系統當量运行時間,而T為未采取節能措施前空調系統實際运行時間。因此,ε可用於衡量空調系統的節能效果,空調系統節能系數的計算公式為:
        η=100%-ε

4 工程實例

  寧波港務局北侖港區國際集裝箱碼頭綜合樓智能化工程主要內容包括:①樓宇自控系统,包括空調系統、变配電系統、電梯系統、照明控制系统及給排水系統的自動化監控;②火災自動報警與消防聯動控制系統;③保安管理系統;④背景音樂與緊急廣播系统;⑤綜合布線系統。
  樓宇自控系统利用現代計算機技術、控制技術、測量技術、圖形顯示技术對空調、變配電、電梯、照明、給排水等系統實施監視、控制和管理。自2001年1月建成以後,至今運行二年的時間裏,已產生了明顯的效益:
4.1 嚴格控制室內溫濕度變化
嚴格控制室內溫湿度變化,溫度變化幅度±l℃,相對濕度變化幅度為±2%,有效地避免了空調系統的過冷或過热現象。溫濕度控制精度的提高,不僅保證了舒適性,節能效益也相當明顯。據實际數據計算,節能效果在15%以上。
4.2 變流量控制
為了滿足室內溫濕度控制精度的要求,必須進行對空調機组流量的動態管理,即變流量控制,以滿足調節阀的控制精度。從給水工藝角度來看,閥兩端壓降越小越好,可以減少阻力損失,減輕給水泵动力負荷;從控制的工藝特點來看,閥兩端應保持一定的壓差,以提高可控性。
實測數據表明,當空氣處理機流量達到額定流量工況时,調節閥兩端壓力僅為0.66kg/cm2-1kg/cm2。為了流量控制,通常的做法是通過供回水旁通閥的調節來平衡供回水壓差。但是僅僅依賴於旁通閥的壓差調節來控制流量有時作用並不明顯,也会增加不必要的能源消耗。
根據空氣處理機實際运行臺數和運行流量工況動态調整供水泵投入運行的臺數,并輔助旁通閥的微調來達到變流量控制的方式,避免了泄漏,提高了控制精度,減少了不必要的流量損失和動力冗余,因此可帶來明顯的節能效果。據實際数據計算,節能效果在25%以上。如果能夠將供回水流量動態參數作為反饋量,調整冷水機組的運行工況,節能效果將更為明顯。
4.3 空调設備采用節能運行算法,减少不必要的“空轉”浪費
空調設備采用節能運行算法後,運行時间更趨合理。數據記錄表明,每臺空調機一天24小時中實際供能工作的累計時間僅仅2小時左右。自從2001年1月以來,二年中綜合節能效果在30%以上,超出了原設計节能25%的指標。

5 結論

  節能管理是建築綜合管理的重要內容,由於智能建築的机電設備采用自動化監控方式,使智能建築利用先進的綜合節能技術成為可能。同時,節能是建設智能建築的主要目標之一,節省運行和管理費用,是智能建築高效率和高回報率的具体體現。 免費論文下載中心 http://www.hi138.com
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