第 2 章 寒冷地区某办公建筑全年用电模型的建立
2.1 寒冷地区某办公建筑用能情况。
鉴于前文提出的本课题研究意义，本文选取了位于寒冷地区一栋已建成的办公建筑，具体展开本课题的研究。笔者于 2017 年 9 月至 2018 年 5 月期间，对该栋办公建筑进行了基本情况、能耗数据等多个方面的现场实地调研。为了得到客观、翔实的各类相关数据，实地调研采用了以下方式：
1）与该栋办公建筑的所属单位取得联系，获得该栋办公建筑在竣工验收时提交的各类相关资料；仔细阅读该栋办公建筑的竣工图纸，采集该栋办公建筑的基本信息，并配合现场实地调研的实际情况进行验证及确认。采集的基本信息包括该栋办公建筑的建筑朝向、总建筑面积、建筑运行时间、建筑结构形式、建筑各项外围护结构中使用的各类材料和热工性能等多个方面。
2）了解该栋办公建筑内部各系统中设备的各项基本信息，整理和统计该栋办公建筑所使用的照明灯具和办公设备类型、数量、种类、运行开启时间、额定功率等各项信息；调研该栋办公建筑的冷热源类型、采暖空调系统的末端形式，根据现场实地调研测得的运行数据，分析其运行状况。
3）尽可能详尽的获得该栋办公建筑的实际能源消费清单，包括电、煤、气、油等一次、二次能源的消费清单和建筑使用的可再生能源情况。
2.1.1 建筑基本信息。
根据以上调研方法，采集到以下该栋办公建筑的基本信息。该栋办公建筑的总建筑面积为 15500 ㎡，建设年代相对较早为 2001 年，建筑层数共为 8 层，全部为地上部分，没有地下室。建筑总高度为 39m，标准层层高为 3.9m，建筑结构为混凝土-剪力墙结构。建筑的外墙材料采用 240mm 厚粉煤灰空心砖，屋面材料采用预制板钢筋混凝土，由于建筑建成时国家还没有提出相应的要求，外墙及屋面均没有敷设保温层。建筑的外窗类型均为单层单玻窗，窗框类型为铝合金窗框，玻璃为普通玻璃，室内设有窗帘内遮阳，建筑基本情况见表 2-1。建筑各项围护结构的传热系数均不满足现行公共建筑节能设计规范的要求。
2.1.2 建筑内部各系统概况。
根据现场的多次实地调研结果，该栋办公建筑内部各系统的具体情况如下：
(1) 空调供冷系统。
该栋办公建筑冷源为 2 台制冷量为 940kW 的风冷热泵机组，位于屋面机房外，空调末端采用风机盘管加新风的方式。由于风冷热泵机组没有冷却水系统，空调输配系统只有 2 台冷冻水泵，空调制冷系统设备参数见表 2-2。空调供冷系统运行时间为 6~9月份，早 8 点~晚 5 点半运行。风机盘管末端均设有温控盒风量调节开关，新风机组分布在各层楼。
(2) 空调采暖系统。
该栋办公建筑冬季由空调系统集中供暖，系统热源为市政管网提供的热水，经过两台板式换热器换热，由二次网供给所有房间。空调采暖系统与供冷系统使用同一套末端，共用分集水器、二次网管路，采用风机盘管加新风的方式供暖。供暖期为每年 11 月次年3月。由于建筑围护结构无保温，空调采暖系统在供暖期运行时间大大长于工作时间，以满足各房间对室内人员舒适度的环境要求。
(3) 供配电系统。
该栋办公建筑供电电源为由电网引来两路电源，平时两路电源分列运行，互为备用；有专门的变电所，低压配电系统由 2 台变压器组成，为建筑的照明、特殊区域、消防系统和给排水系统供电。供配电系统在设计阶段基本按照了电能分项的方式进行了电气回路的分配。低压侧各配电支路比较清晰，各区域照明、水泵等均独立开关，整栋建筑使用一块电表。该配电系统承担整个建筑的全部用电负荷。总体来说，各个回路的划分较为清晰明确，实现了按照不同功能划分回路的要求，但是对于各个用电支路的能耗监测无法实现，不利于具体节能优化工作的开展。
2.1.3 空调系统运行情况。
由于该栋办公建筑的空调采暖热源为市政外网，冬季空调系统能耗仅为输配系统及空调末端能耗，调研主要围绕空调制冷系统进行。通过测试仪器得到设备运行电压、运行电流、冷冻水流量及供回水温度等数据，可以通过进一步的计算得出制冷机组的运行能效和冷冻水泵的运行效率。
制冷机组运行能效：
在实地调研中，采集各项相关数据，根据上述公式计算得到制冷机组运行能效和冷冻水泵运行效率。
（1）制冷机组运行能效。
实地调研采集数据时，建筑仅开启 1#风冷热泵即可满足使用需求，因此根据计算结果，得到图 2-1，1#制冷机组的平均运行能效仅为 2.37，测试时的室外平均温度为 28℃，远远低于名义制冷工况下 35℃的室外环境温度，测试时的实际工况条件远远优于名义制冷工况，此时测得的运行能效较低说明制冷机组的能效衰减较为严重。
（2）冷冻水泵运行效率。
由于测试工况下，建筑仅开启 1#风冷热泵即可满足使用需求，因此输配系统也只开启了 1#冷冻水泵。该栋办公建筑的冷冻水泵均为定频，没有采取变流量的控制方式。根据采集到的各项相关数据，计算得到图 2-2，1#冷冻水泵的平均运行效率仅为 56.19%，远低于水泵的额定效率 79%。根据《民用建筑能效测评标识技术导则》中的规定：采暖和空调系统循环泵的实际运行效率应不低于设计和设备铭牌值的 80%，可知水泵运行效率也低于水泵铭牌值额定效率的 80%即 63.2%，水泵效率衰减较为严重。
2.1.4 建筑全年用电量。
建筑的电能消耗主要来源于建筑内的暖通空调系统、照明灯具、办公设备及其他设备等方面，具体的建筑耗电量分项如下：
1）制冷耗电量：是指向室内提供冷量以消除室内余热余湿量的设备用电量涵盖制冷系统的冷源、输配系统、换气通风设备、热回收装置、冷风幕设备、末端再热装置等系统和设备的耗电量。
2）采暖耗电量：是指向室内提供热量以承担室内热负荷的设备用电量，涵盖供热系统的热源、输配系统、通风系统设备、热回收设备、热风幕设备、再热装置等系统和设备的耗电量。
3）照明耗电量：包括普通照明和应急照明的用电量，其中普通照明可以满足房间内的基本照度要求，有的建筑还设有外部景观照明，起到装饰作用；应急照明可以用来保证疏散、保障安全以及留存备用。
4）设备耗电量：是指取用电来源为室内插座，可以满足建筑一般性功能需求的各类设备用电量，对于该栋办公建筑来说，设备耗电量主要包括投影仪、打印机、计算机、饮水机等。
5）动力耗电量：除了以上列出的各系统之外的常规建筑用能系统耗电量，包括给排水系统、电梯系统、消防系统的用电量。
由于本建筑供配电系统只设有一块电表，调研得到的该栋办公建筑 2017 年全年实际耗电量数据为建筑总耗电量数据，无法实现建筑各项耗电量的分项计量。该栋办公建筑面积为 15500 ㎡，2017 年建筑总耗电量为 2058160.3kWh，单位面积建筑耗电量为132.78kWh/㎡，耗电量指标较高。表 2-3、图 2-3 为该办公建筑的 2017 年逐月的全年耗电量明细。
该栋办公建筑建成时间较早，没有进行电耗分项计量。冬季采暖热源为市政外网，采暖季各月的建筑电耗只包含输配系统和末端电耗，不包含空调热源耗电量。
2.1.5 调研发现的问题。
通过多次的现场实地调研，总结出以下各项问题，为后续该栋办公建筑的节能优化研究打下基础。
1）建筑的围护结构保温性能较差：该栋办公建筑的外墙材料采用 240mm 厚粉煤灰空心砖，屋面材料采用预制板钢筋混凝土，外墙及屋面均无保温隔热措施。建筑的外窗类型均为单层单玻窗，窗框类型为铝合金窗框，玻璃为普通玻璃，建筑各项围护结构的传热系数均不满足现行公共建筑节能设计规范的要求，不利于建筑的节能降耗。
2）建筑的照明灯具与设备运行情况有待优化：该栋办公建筑办公室、会议室、走廊等区域均使用普通荧光灯及筒灯，没有使用更为节能的 LED 灯具；走廊等公共照明区域没有设置感应装置，无人时灯具依然长明，建议进行时段控制、红外线感应控制，减少长明灯情况。室内人员长时间离开时，计算机、饮水机等很多办公设备均未关闭，处于长时间的待机状态，也会造成建筑耗电量的增加。
3）暖通空调系统设备性能有待优化：在室外温度条件较为有利的情况下，制冷机组的运行能效仍然较低，说明制冷机组的能效衰减较为较严重，暖通空调系统的节能优化应首先从提升制冷机组的能效入手。该栋办公建筑空调制冷系统的冷冻水泵均为定频水泵，而且实地测试的水泵运行效率衰减严重，造成很大的电能消耗，应考虑对水泵进行变频控制，同时提高水泵的运行效率，可以根据建筑实际负荷调整水泵的工况，解决小温差大流量的问题。此外，由于建筑外围护结构的保温性能较差，为保证室内温度，满足人员需求，目前该办公建筑冬季空调末端系统运行时间较长，增加了采暖能耗。围护结构采取保温措施后，应合理设置空调采暖系统的运行时间。
4）没有利用可再生能源：受建筑所处位置的环境所限，该栋办公建筑没有利用可再生能源满足建筑内部的供冷供热需求。
5）运行管理：运营方对建筑内部各项设备的维护意识有待改进，不利于开展节能工作。没有应用建筑能耗监测平台，整个建筑只有一块电表，无法实现建筑耗电量的分项统计，难以挖掘建筑运行过程中存在的管理问题，也无法通过分析各系统分项耗电量实现整个建筑的节能优化运行。今后如果建立本建筑的能耗监测平台，应能够实现除建筑耗电量以外的耗水量、耗气量等多种能源的监测，同时还应注意监测数据进行妥善的储存和管理，避免由于人为因素或监测平台网络等故障造成数据缺失。
2.2 能耗模拟软件的选择。
美国劳伦斯伯克利国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory，LBNL）隶属美国能源部，是最杰出的国家实验室之一。作为其和 J.J.Hirsch 及其联盟研制的能耗模拟计算软件平台，eQUEST 以 DOE-2 为计算内核，实现了基于室外气象参数的动态改变，展开动态平衡的模拟计算过程。eQUEST 可以考虑到前一时刻室内温湿度、负荷和耗电量对后一时刻产生的影响，将其纳入到计算结果中体现出来。将建筑物所在地的气象资料、建筑基本信息、建筑围护结构各项参数、空调系统冷热源及末端类型、内部环境设计参数、灯光设备及人员等内部发热量全部输入后，同时输入根据建筑实际运行情况建立的运行时间表，就可以完成建筑全年能耗的模拟计算[40]。
DOE-2 针对建筑能耗计算和研究方面的可靠性已经在世界范围内得到了广泛承认，并推广开展了较大范围的应用。美国的《绿色建筑评估体系》是全球公认较为完善并具有广泛影响力的绿色建筑评价标准，也将其确定为通用的能耗计算工具。因此，以其为计算内核的 eQUEST 软件在开展建筑能耗的研究中也具有较好的可靠性[41]。eQUEST 不仅对建筑能耗模型的建立完成了较大的简化，其拥有更为简洁友好的用户界面，由于内置模块的类型较为广泛，涵盖了相当多种类的暖通空调系统类型，如地源热泵系统等[42]。
综合考虑到 eQUEST 能耗计算软件的可靠性和可操作性，本项目使用该软件建立该栋办公建筑的全年用电计算模型。
2.3 建立建筑全年用电计算模型。
根据该栋办公建筑的竣工图纸及多次现场调研得到的各系统设备参数等多项相关信息和数据，使用 eQUEST 计算软件建立该栋办公建筑的全年用电模型。气象文件选择该栋办公建筑的实际所在城市，建筑的朝向为南向，外墙材料采用 240mm 厚粉煤灰空心砖，屋面材料采用预制板钢筋混凝土，外墙及屋面均无温隔热设施。外窗类型采用单层单玻窗，窗框类型为铝合金窗框，玻璃为普通玻璃，内遮阳措施使用浅色窗帘，遮阳系数取为 0.2 。鉴于外门面积在建筑外围护结构总面积中所占比重太小，不考虑外门对建筑模型的能耗影响。该栋办公建筑的北向窗墙比为 0.27，南向窗墙比为 0.45，东向窗墙比为 0.24，西向窗墙比为 0.12。空调系统冷源为 2 台制冷量为 940kW 的风冷热泵机组，使用 2 台定频冷冻水泵，设计供回水温度为 7℃/12℃，空调末端采用风机盘管加新风。空调供冷系统运行时间为 6~9 月份，早 8 点~晚 5 点半运行。建筑冬季由空调系统集中供暖，与供冷系统使用同一套风机盘管加新风系统，供暖期为每年 11 月次年 3 月。
基于表 2-4、2-5、2-6、2-7 的实地调研的建筑各项设定参数和内部系统形式，应用eQUEST 软件进行该建筑模型的全年耗电量模拟计算，得到以下建筑模型见图 2-4，及建筑全年耗电量计算结果图 2-5。
2.4 验证建筑全年用电计算模型准确性。
该办公建筑能耗模型的全年总电量（不含冬季空调热源能耗）为 1721587kWh，折合全年单位面积平均用电量为 111.07 kWh/(m2·a )；该栋办公建筑实际运行采集到的全年总耗电量为 2058160kWh，折合单位面积全年总耗电量为 132.78kWh/(m2·a )。将该栋办公建筑全年运行实际耗电量与建筑模型的全年耗电量模拟计算结果进行比较，该建筑模型模拟计算出的全年单位建筑面积耗电量略低于该栋办公建筑的全年实际运行单位建筑面积耗电量，但二者逐月能耗变化趋势较为一致。考虑到实际建筑运行的过程中，可能因暖通空调系统相关设备运行时间长于模型设定值、人员操作等因素增加能耗，可认为该建筑模型的全年用电模拟计算结果具有较好的准确性，可以在此基础上继续开展本项目的后续研究。
