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1、集中空调系统能耗评价体系的研究武汉科技大学城市建设学院 李玉云摘 要：本文结合武汉地区的工程，给出了几座典型大楼的当量满负荷运行时间，讨论了集中空调全年能耗计算方法和能耗评价体系，以及它们的特点、误差大小及误差来源，认为周边全年热负荷系数、空调能耗系数是适合于评价我国集中空调系统设计是合理的有效能耗评价方法, 应尽快研究适合于我国的、基准。并指出指标对基于计算负荷偏大所匹配的空调设备没有约束边界条件。 关键词：全年热负荷系数、空调能耗系数、当量法、频率法1 前言表1 空调运行时间建筑建筑功能建筑面积制冷季节供热季节A商场320005月1日10月10日8：3020：30 h写字楼640005月1
2、5日9月30日7：3018：00 h12月2月B办公室268225月15日10月10日7：3018：00 h12月2月工艺空调4月1日10月30日24h11月3月居住建筑的空调负荷以围护结构空调负荷为主。对于公共建筑，其建筑功能复杂，建筑设计需要有一定的自由度，并且空调冷负荷以室内热源为主，一般占29%65%，新风冷负荷一般占24%51%，节能方法诸多。用于评价居住建筑的能耗评价指标不能恰当地评价公共建筑。因此，为实现我国建筑节能的目标，很有必要研究公共建筑集中空调系统的能耗评价体系。目前在国内外讨论比较多的指标有：周边全年负荷系数指标；空调能耗系数。根据我国的国情，笔者结合武汉地区的气候条件
3、，以A、B大楼为例，重点讨论空调能耗系数法。A、B大楼的建筑功能、建筑面积及空调运行时间见表1。2 全年空调耗能量计算2.1度日法过去，由于经济与技术条件的约束，度日法通常是指计算采暖期间的累计采暖耗能量。随着科学、经济与技术的发展，我国制冷季节度日数逐渐齐全，度日法不仅可用来计算采暖耗能量，也可以用来计算制冷季节耗能量。2.1.1耗能量计算耗能量计算公式为 式中，建筑物总的设计空调热负荷或冷负荷；修正系数，考虑间歇空调对连续空调的修整，供热季节为0.69，制冷季节为0.76（由于目前没有空调季节，故参考供暖季节取值1）；室内外设计温差，。计算结果见表2。从表中可看出，A实测的供暖季节耗能量小
4、于计算耗能量，实测的制冷季节耗能量大于计算耗能量。表2 度日法能耗计算结果 分项原始设计空调负荷冷负荷系数法空调负荷计算结果实测数据计算结果供暖季制冷季供暖季制冷季供暖季制冷季设计负荷/kWA6397136884028.510714.9B2698.73785.82307.73139.1单位面积负荷W/A58.7125.637.098.3B100.6141.186.0117.0设计负荷/kJ/hA2.301074.931071.451073.86107B9.721061.361078.311061.13107耗能量/kJA2.8010101.9110101.7210101.4910105.271
5、093.001010B1.67210106.921098.311061.131071.8010101.761010相对误差/%A431.31-36.33226.38-50.27B-7.11-60.68-20.56-67.502.1.2 讨论（1）度日数反映了各地区的寒冷与炎热情况，度日数的计算条件之一是供热与过渡季节转换温度为18，过渡季节与制冷的转换温度为26。而公共建筑的围护结构空调负荷、新风负荷与室外气象参数有关。但室内热源引起的空调负荷仅与室内热源有关，并且占了相当大一部分比例，所以空调运行时间不仅受室外气象参数18、26的制约，还受建筑功能制约。例如B大楼4月初就有可能开制冷机，导致
6、实际制冷空调能耗大于度日数计算的空调能耗。（2）推荐的度日数与武汉实际度日数有所区别，武汉市建筑节能办根据武汉气象台提供的气象参数统计的采暖度日数HDD18为847（小于推荐的度日数），供冷度日数CDD为239（大于推荐的度日数）。笔者根据A大楼建筑功能要求，按逐时温度统计的采暖小时数为720739，制冷小时数为11575136。（3）由于写字楼与办公楼春节期间不办公、室内热源可以抵消一部分热负荷以及抑制能源使用等特点，导致写字楼实际供热空调能耗远远小于度日数计算的空调能耗；B大楼度日法计算的供暖耗能小于实际耗能，主要原因之一是大楼与居民区按面积分摊用油量带来的误差。（4）度日法计算的制冷耗冷
7、量小于实际耗冷量的主要原因是空调系统实际供冷度日数远远大于推荐的度日数。2.1.3 扩大度日法日本采用扩大度日法，扩大度日数考虑了不同建筑功能室内热源，适合于不同建筑全年空调能耗计算。但我国目前没有扩大度日数，本文不作讨论。2.2当量满负荷运行时间（）法2.2.1能耗计算由于气象资料缺乏及现场检测仪器等原因，设旅馆、综合楼、商场以制冷机全年制冷量近似等于空调冷负荷，耗电量指标为0.20.28，超节能型机组耗电量指标可以达到0.16以下。本课题考虑到机组的各方面情况，选择0.225，即系统的能效比为4.4。写字楼+商场建筑物的空调负荷=空调总耗能制冷机总功率/空调系统总功率表3 武汉市典型公共建
8、筑供冷当量满负荷运行时间 建筑类型旅馆BA办公室工艺空调写字楼商场武汉当量满负荷运行时间（h）897693875485493.3单位面积空调装机容量（W/）64169134149.1日本当量满负荷运行时间（h）1300560800单位建筑面积空调冷负荷（W/）9393128冷却水采用地下水，提高了制冷机效率。表4 当量法计算能耗结果分项建筑总耗电量/kWh锅炉耗油量/t换算成一次能源KJ/a当量法日本当量数A4.391062316.411010B3.311061964.941010实测当量数A3.27106B3.39106实测能耗计算A2.60106803.531010B2.091062163
9、.551010相对误差当量法A68.71%337.18%81.49%B58.37%-8.91%39.15%实际当量法A47.86%B62.20%几座典型公共建筑的供冷当量满负荷运行时间见表3。尽管日本室外气象参数与武汉不同，如果空调工程经济、能耗采用当量法比较，一般参考日本当量数计算，故表中分别给出了武汉与日本实测的当量满负荷运行时间。表4为A、B采用当量法计算能耗的结果。计算方法见有关参考资料。2.2.2讨论从表中可以看出：（1）满负荷运行时间与建筑物的功能、装机容量、业主对室内舒适度标准的控制和采用的节能方式有关，如某旅馆的冷却水用地下水，提高了制冷效率，减少了当量满负荷运行时间。用当量满
10、负荷运行时间法计算空调能耗，综合反映了建筑、空调系统的节能，反映了建筑物的功能，因此该方法可以评价不同功能的建筑的空调能耗。（2）从表中还可看出，当量满负荷运行时间还反映了建筑物业主的经营方法，A大楼独立经营，运行时间不仅要考虑室内舒适度要求，而且要考虑运行费用，在经济的杠杆和供电紧张的条件下，抑制空调系统的运行时间，如过渡季节不开新风机组。（3）用日本统计的制冷当量满负荷运行时间与用武汉的制冷当量满负荷运行时间分别计算B大楼空调耗电量，误差在1.29%3.02%范围内。结果表明，武汉与日本的室外气候条件不尽相同，但由于公共建筑室内热源占了相当大的一部分，因此在满足室内舒适度的前提下，在我国当
11、量满负荷运行时间还没有完全统计出来以前，可以借鉴日本的供冷当量满负荷运行时间。武汉的冬季较日本暖和，则武汉的供热当量满负荷运行时间应该小于日本供热当量满负荷运行时间，因此用日本的供热当量满负荷运行时间计算武汉的供热空调能耗偏大。从表中可看出，A大楼的供热能耗远远大于实际能耗。B大楼的耗油量小于实际耗量，其原因是大楼耗油量与居民楼按面积分摊，带来的误差，这在后面可进一步证明。表5 空调系统累计运行时间 （h） 建筑转换温度供暖期制冷期间歇空调连续空调间歇空调连续空调A167301642B13.5/12739258911575136下区/上区2.3用负荷频率法计算空调全年能耗2.3.1能耗计算使用
12、该方法计算时，需要知道计算地点室外空气焓、含湿量、干球温度和湿球温度出现的年频率数或期间频率数，而频率数一般是根据当地1015年气象站观测记录值的统计而得出。由于资料缺乏，并且在实际能耗调查中，所获得的能耗资料主要来源于2001年。因此，文中的频率数是根据2001年采暖季节与制冷季节每天的最高和最低气温，利用我国通用的模比系数计算出逐时气温，然后统计出两个季节的室外空气温度频率分布3，A、B楼的转换温度及累计运行时间见表5。制冷季节的室内设计参数为26，供热季节为20。全年空调能耗结果见表6。2.3.2讨论（1）负荷频率法计算空调能耗的特点是认为围护结构的空调负荷与室外温度有线性关系，空调能耗
13、与节能措施、建筑功能等有关。（2）供热与制冷季节的转换与室内热源、围护结构、新风负荷有关，具体理论计算转换温度见表7。对于舒适性空调，考虑武汉的实际情况，对于A座，笔者以24为供热、制冷转换温度；B座大楼的舒适性空调冷暖转换温度为27，工艺性空调为12。（3）从表中可看出，空调计算负荷与实际情况偏离越远，相对视差越大。例如，A座大楼制冷机有4台，实际运行2台，实际投运设备（存在抑制需求减少的能源）仅为装机容量的50%。B座大楼投运与安装设备相符，实际最大制冷量为装机容量的69%，能耗视差小于A座大楼计算的能耗视差。误差大的另一个原因是实测数据是经过一些处理方法得到的，本身含有误差。例如：A座大
14、楼是假设：1月6月中的4月不开空调设备，高于4月的耗电量为空调用电；7月12月中的11月为不开空调设备，高于11月的耗电量为空调用电；B座耗油量是B座与居民楼按面积分摊计算，B座耗油量视差大。详细的讨论见有关文献2。（4）在计算全年耗能时，由于没有不同负荷下的设备功率，笔者作了以下简化：对于离心式制冷机组，设制冷量与功率成正比；螺杆式机组采用机组部分特性曲线。假设锅炉在不同负荷下的热效率不变，实际上，锅炉低于额定负荷时，热效率降低。因此，频率法计算出的耗油量应该小于实际耗油量，锅炉耗电量小于计算耗电量。简化处理也是误差来源之一。表6 频率法计算耗能量结果 建筑锅炉制冷机106kW水系统/kW末
15、端设备/(kJ/a)总耗一次能/(kJ/a)单位面积耗能量/(kJ/a)耗油量/t耗电量/kWA原138.36060331766724393641162165 kW9.0610108.31105计44.6786224591520482631162165 kW6.8310106.27105实测80.02600560A172.88%147.78%156.37%A2-44.25%110.41%93.48%B原101.9 1437 1831378708195 1.9610105.5210102.06106计72.0 1006 1816362 708946 1.3210104.7310101.76106
16、实测215.62090000 kW3.5510101.32106B1-52.74%55.45%B2-66.60%33.10%原设计工况相对误差B1%=（实测-原设计/实测）100% ；B1%现计算负荷相对误差3 能耗评价指标计算3.1设备能量消耗系数3.1.1的计算是分别从建筑物的节能性能和设备的能源利用效率两方面来进行综合评价。通过计算在全年假想负荷前提下设备系统的全年能源消耗量，用以评价设备能量利用效率的指标。根据设备用途的不同又可细分为空调系统（AC）、通风换气设备系统（V）、照明设备系统（L）、卫生热水设备系统（HW）和电梯输送设备系统（CV）等的能量消费系数。根据建筑功能不同，日本节
17、能法均给出了相应的节能判断标准值。笔者重点讨论空调设备系统能量消耗系数。定义为假想空调负荷包括围护结构、照明、设备、人体等空调全年冷热负荷和新风负荷，本文的计算公式为：假想空调负荷=空调日计算负荷全年（或期间）运行时间加权平均负荷率。它仅是一个计算负荷，没有考虑任何节能措施。加权平均负荷率是根据供热季节、供冷季节室外温度频率法得到。而空调设备全年总耗能量是采用各种节能措施后的实际耗能，对于A、B工程主要采取的节能措施是冷却水泵、冷冻水泵均采用台数控制。假想空调负荷与空调能量消耗系数计算结果见表7。值越小，表明空调设备的能量利用率越高。3.1.2讨论（1）根据上面的计算可看出，空调计算负荷与实际
18、负荷愈接近，则计算能耗误差愈小，愈大；反之，计算能耗误差愈大，愈小。这与实际情况相差甚远。这说明，对计算负荷偏大没有约束条件。表7 空调能量消耗系数能耗计算方法建筑原设计工况现设计工况计算BABA假想负荷3.32E+107.30E+102.80E+103.61E+10频率法CES1.6601.1291.3582.209当量法1.4870.9541.7691.931（2）日本的标准，对于办公楼，值必须1.5，商场1.7 4，A大楼由于空调计算负荷不同，与标准相比，有两种不同的结果。这说明空调计算负荷的准确性直接影响的计算值。（3）空调能量消耗系数不局限于评价某一节能措施的效果，而是评价各种措施的
19、综合节能效果，因而设计自由度大，可以各方面探索最佳方案，适应评价各类建筑的需要，并有利于新能源、新技术的开发。3.2周边全年负荷系数这是一个评价公共建筑外围护结构保温、遮阳等其它设施的保温性能指标，可以作为评价公共建筑中央空调系统的辅助指标。由于篇幅问题，笔者不作进一步讨论。4 结语通过以上讨论，可得出：（1）采用当量法与频率法计算中央空调系统的全年能耗均是是可行的，但两种方法基本上是基于设计工况下得到，如果设计工况偏离实际工况较远，则产生的视差大。减少视差可以通过统计不同气候区域、不同建筑功能的当量满负荷运行时间，正确计算空调负荷来实现。（2）空调能量消耗系数和周边全年负荷系数可以评价各种措
20、施的综合节能效果，即给建筑设计提供了设计自由度；也从规划设计阶段就开始对建筑本身的热工性能与暖通空调设备系统的能源利用率两个方面进行了定量控制，可以从各方面探索最佳方案，并有利于新能源、新技术的开发。但存在的问题是：计算负荷偏离实际负荷大，小，但能耗计算视差大；适合于我国国情的、的上限指标，有待进一步探讨；随着节能措施的增多，两种方法存在一定的缺陷，比如，变频控制比按台数控制节能，两种方法的节能效果区别未体现。参考文献1钱以明.高层建筑与节能.上海：同济大学出版社。2李玉云，张春枝，曾省秩. 武汉市公共建筑集中空调系统能耗分析. 暖通空调，2002（4）：8587.3李玉云.武汉市公共建筑空调能耗现状与潜能分析研究报告.4陈超，渡边俊行，谢光亚，于航.日本的建筑节能概念与政策. 暖通空调，2002（6）：4043.