节能诊断分析及控制

10．3　节能诊断分析及控制

通过对大型公共建筑进行运行能耗的监测及能效诊断可以及时发现建筑耗能系统运行中出现的问题，并可采取相应措施以改善系统运行状况以提高能效。能耗监测和节能诊断准确与否取决于用户端监测子系统的设计与实施是否合理、数据采集仪表是否满足精度要求以及后期的数据处理是否正确。

图10．3　节能诊断指标体系

目前对于公共建筑的能耗评价，主要还是在把公共建筑通风空调系统的能耗折算成一次能源来进行比较，或者是对影响建筑能耗因素中的某些因素独立地进行评价，没有形成一个整体的、动态的评价体系。建筑中各个设备系统是彼此联系，这就需要从系统的角度对设备运行情况进行诊断分析。节能诊断指标体系包含以下3个层次，如图10．3所示。

①分项能耗指标：对不同类型建筑，空调、照明、电梯等不同系统分项电耗进行统计，分别给出定量的能耗指标。

②空调系统性能无量纲指标：空调及冷热源系统中，各部分设备子系统的无量纲评价指标，如冷水机组COP，末端能效比，水泵输送系数，风机输送系数等。

③空调设备性能指标：通过对复杂空调系统运行调节过程的深入分析和认识，给出空调系统运行参数的指标，如制冷循环热力完善度，冷冻、冷却水供回水温差等。

这3个层次的指标层层深入：通过第1个层次能耗指标的分析，可以发现节能潜力存在于空调、照明灯哪个设备子系统；第2层次的指标用来分析在子系统内部，各个设备具体节能潜力；而第3个层次指标可以用来进一步分析出运行调节过程中，造成设备或系统高能耗的原因。通过这3个层次能耗指标的分析，可以发现用能问题所在，从而可以有的放矢的改进系统运行策略，以较低的成本实现节能改造。

《空气调节系统经济运行》（GB／T17981）中给出了上述指标体系中一部分常用指标的参考值，考虑节能诊断、评估的不同需求，参考值分别以全年累积工况值和典型工况值两种形式给出，如表10．1所示。

表10．1　《空气调节系统经济运行》中给出的空调系统能耗指标限值

注：表中数据按照建筑规模较大（设计冷负荷大于1163kW）计算，如建筑规模较小（设计冷负荷小于1163kW），上述部分指标限值取值不同。

如何衡量空调系统的实际用能水平？若以能耗数据作为依据，那些使用时间长，人员、设备密度大，服务水平高的建筑，其能耗的绝对值一般较高，如何将这些因素考虑进去对能耗指标进行修正，目前尚未研究出较好的方法。衡量实际用能水平的主要困难在于使用时间，人员、设备密度，服务水平等建筑使用状况参数难以客观准确地测出。空调系统设备效率指标充分体现了系统设计、运行控制的水平，受建筑使用状况的影响很小，可作为用能水平的一项评估依据。不仅如此，将实测指标与参考值进行对比，还能清晰地反映空调系统各类设备节能潜力的大小，为深入地进行节能诊断和改造指明方向。

《空气调节系统经济运行》（GB／T17981）中空调系统能耗指标限值的取值原则为：在实际建筑中能耗属于较高水平，但大多数既有建筑经低成本或无成本改造后能够达到或超过的值。因此，这些指标既可以反映建筑节能潜力的大小，又能作为节能诊断的依据。

以下是利用空调系统能耗指标体系配合分项计量实时数据对实际工程进行节能诊断的案例。

对重庆某建筑2008—2010年逐月的电耗数据进行调研并统计，获取重庆某建筑逐月建筑能耗数据，如图10．4和图10．5所示。

图10．4　2008—2010年重庆某建筑逐月能耗变化趋势图

图10．5　2008—2010年重庆某建筑逐月能耗数据柱状图

根据图10．4逐月能耗数据可得，2008—2010年重庆某建筑用能趋势基本相同，建筑月能耗峰值均出现在夏季空调典型月份：2008年和2010年最大建筑月能耗均出现在8月，而2009年出现在9月。这主要是由夏季典型空调季节重庆某建筑中央空调系统的使用造成的。

如图10．4所示，在2008—2010年3年的逐月建筑能耗中，2009年9月的建筑月能耗最大值达到456045kW·h，当月单位建筑面积能耗值达到6．51kW·h／m²；其次是2010年8月建筑总能耗，月能耗值为420464kW·h，当月单位建筑面积能耗值达到6．00kW·h／m²；再次是2008年8月，其值为409053kW·h，当月单位建筑面积能耗值达到5．84kW·h／m²。相比于2008年建筑月能耗最高月份8月，2009年9月的月能耗值增加了11．5%（46992kW·h）；而相比于2009年9月，2010年8月的月能耗值降低了7．80%（35581kW·h）。

由图10．5对2008—2010年3年的相应月份的建筑能耗进行类比，发现除了1月和9月建筑用能存在较大差异外，3年内其他各对应月份的建筑月能耗均比较接近。则以2008—2010年1月和9月的建筑用能情况为研究重点进行用能诊断分析。

1月是冬季典型供暖月份，针对本建筑供暖系统，冬季供暖能耗占该季节建筑总能耗相当大的比重。2008，2009年冬季重庆某建筑采用电锅炉供暖的方式，而2010年冬季则采用湖水源热泵供暖的方式。对2008—2010年电锅炉的运行记录进行统计分析，发现2008和2009年1月份电锅炉的供暖时间分别为10天和19天，2010年湖水源热泵运行时间为21天。由此可判断：2008—2009年1月建筑能耗的差异主要是由于电锅炉供暖时间的不同造成的；而2010年1月供暖天数略大于2009年1月，在其他分项能耗基本相当情况下，1月建筑总能耗略低于2010年数据，由此可见，湖水源热泵供暖相比电热水锅炉供暖更节能。

根据2008—2010年该中央空调系统的运行记录，该建筑的夏季空调季节基本是从5月1日至9月30日5个月，而通常重庆地区建筑夏季冷负荷峰值一般出现在7、8月份，但由于该大楼的使用功能比较特殊，7、8月份正值学生暑假期间，整幢大楼的使用率较低，期间只有各学院办公室在进行使用。

由图10．5可知，2009年9月该建筑的能耗呈现出一个明显的峰值（456045kW·h），比2008年和2010年分别高出50%和57%。图10．6为2008年9月和2009年9月的逐日平均空气干球温度变化趋势图，下面将通过对比2008年9月和2009年9月的室外气候数据进行探讨分析。

图10．6　2008与2009年9月逐日平均空气干球温度变化趋势图

从图10．6可知，2009年9月的前半个月日平均气温明显高于2008年9月，且均在27℃以上，而2008年9月前半个月只有3天日平均气温高于26℃。由于空调系统的使用时间较长，因此造成2009年9月前半个月的建筑总能耗明显高于2008年9月建筑能耗。而2008和2009年9月后半个月的日平均气温虽存在一定差异，但日平均气温均不高，则空调系统能耗相差不大，对建筑总能耗的影响并不明显，由此造成了2009年重庆该建筑的总能耗明显高于2008年该建筑的总能耗。

大型公共建筑功能复杂多样，用能系统也相对较多，不同的用能系统对应不同用能途径。因此，对建筑进行分项能耗分析，摸清建筑各分项系统的用能特性，通过同类功能建筑的能耗水平及同一用能子系统的用能水平进行横向对比，找出各分项能耗的节能重点。

对该建筑各分项能耗进行统计分析，找出各分项能耗的用能特性，发掘节能潜力较大的分项系统并予以重点研究分析。

1）夏季分项建筑能耗分析

通过对重庆某建筑2011年夏季的暖通空调用电、照明插座用电、动力用电及特殊区域用电4个分项能耗进行数据统计，建筑各分项能耗情况如图10．7所示。

图10．7　2011年夏季建筑各分项耗电量及比重图

从夏季各分项能耗所占总能耗比重来看，空调用电和照明插座用电是该建筑的两个主要用能环节，两项用电之和占到了整个夏季总用电量的85%。而仅空调用电占到建筑总电耗的62%之多，是夏季建筑电耗的“能耗大户”，动力用电占8%，特殊区域用电占7%。可见中央空调系统的节能应是建筑节能的重中之重。

从夏季各分项耗电量情况分析，夏季空调用电指标和照明插座用电指标分别为16．10kW·h／m²和6．04kW·h／m²，均明显低于重庆地区办公建筑的空调用电指标和照明用电指标。与北京一典型科研教学建筑A的分项能耗情况进行对比，A建筑空调能耗（采暖能耗除外）指标为19．4kW·h／（m²·a），相比之下，重庆某建筑的夏季空调能耗并不高。

2）夏季空调系统各分项能耗分析

对夏季空调系统中的各分项能耗进行统计分析，2011年夏季各分项耗电量及比重如图10．8所示。

图10．8　夏季空调系统各分项耗电量及比重图

由图10．8可知，夏季空调能耗各分项能耗中，冷水机组耗电量最大，冷水机组的能耗指标高达7．71kW·h／m²，占空调系统总耗电量的48%。由水泵和空调末端风机组成的输配系统的用电量所占比例也达到了48%，与冷水机组电耗相当，冷却塔用电量占4%。此外，空调末端风机占空调系统电耗的27%，能耗也相对较大。

3）典型空调月建筑各分项能耗分析

为研究空调典型月份的建筑各分项能耗的特性，需了解该月各分项能耗的比重情况及用电指标水平，图10．9为7月份建筑各分项耗电量及比重情况。

图10．9　7月份建筑各分项耗电量及比重图

由图10．9建筑分项能耗比重图可知，仅空调能耗占据了当月建筑总能耗的72%，相比于整个夏季所占建筑能耗比重的48%，更直观体现了空调系统能耗在当月建筑能耗中的“主导”地位，更加看出夏季空调系统的节能潜力所在。

4）典型空调月空调系统各分项能耗分析

夏季（特别是空调典型月份）空调系统能耗在建筑总能耗中占据能耗主导地位，空调系统节能成为夏季建筑节能的重点。以下具体来分析空调系统中各分项能耗的具体情况，找出空调系统中重点节能的分系统或设备。

图10．10为7月份空调系统各分项能耗的能耗指标及比重情况。

图10．10　7月份空调系统各分项能耗及比重图

与夏季空调系统各分项能耗比重情况相比，7月份的冷水机组能耗比重占51%，比整个夏季冷机能耗比重高出2%；冷冻水泵7月能耗比重为10%，比夏季能耗比重高1%；冷却水泵7月能耗比重为14%，比夏季能耗比重高2%；冷却塔7月能耗比重为5%，比夏季能耗比重高1%；空调末端7月能耗比重为20%，比夏季能耗比重低7%。

从夏季各月能耗值分析，夏季各月空调末端使用情况基本相同，绝对能耗值也基本相当，相比夏季能耗比重降低了7%，主要是由于冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵及冷却塔的绝对能耗的增加造成的。7月基本上是重庆地区的最热月，由于室外环境参数比较恶劣，冷却塔换热效果受到直接影响，进而导致冷却塔的出塔水温较高，造成冷水机组的运行能耗的增加，从而使整个空调系统的能耗增加。再加上冷水机组开启台数增加，冷冻水泵和冷却水泵开启台数增加，冷却塔开启台数增加，使相比于夏季能耗比重值，除空调末端外的空调系统设备的当月能耗所占比重不同程度的增加。

5）逐日空调分项能耗分析

对2011年7月的空调系统冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔及空调末端等分项能耗数据进行逐日统计分析，能耗统计结果如图10．11所示。

图10．11　空调系统各分项能耗逐日变化情况

从图10．11可知，空调系统逐日总能耗的变化趋势与冷水机组能耗逐日变化趋势相同，主要由于冷水机组的能耗占到了空调系统总能耗50%左右的比例，而冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔及空调末端等各分项能耗比较稳定，且逐日能耗变化相对较小，因此，空调系统能耗变化趋势与冷水机组能耗变化趋势保持一致。

对空调能耗随时间的变化趋势观察后发现，相对于7月份其他时间段的系统能耗值，7月份前十天的系统能耗值维持在一个较高的水平。为研究室外干球温度对空调系统能耗的影响程度，将7月空调系统能耗与逐日室外干球平均及最高温度的对应关系表示于图10．12。

由图10．12可知，7月份室外逐日平均干球温度与最高温度的变化趋势是相同的，平均干球温度在22～39℃波动，最高干球温度在21～34℃波动。从图中还可以看出，于7月11—31日，空调系统能耗随着室外最高干球温度变化保持基本同步的变化。

图10．12　7月空调系统能耗与室外干球温度关系

从空调系统总能耗的变化趋势上分析，7月1—11日期间，空调系统总能耗维持在一个较7月其他时间段高的水平（大于0．160kW·h／m²），而约于7月11日左右出现的空调系统的能耗陡降变化，主要是由于7月10日左右重庆某建筑的教学区由于暑假开始而完全停止使用，则可以得出结论：由于教学区的停止使用，才出现了7月11日空调系统能耗的陡变以及7月12—31日空调系统能耗处于一个相对较低能耗水平（0．059～0．156kW·h／m²）。

根据上图中空调系统能耗的变化趋势，从每周工作日和休息日的角度来分析，7月2—3日，9—10日，16—17日，23—24日和30—31日为周末休息日，而每逢周末，空调系统的总能耗就出现一个能耗谷点，这也反映了工作日和休息日大楼空调系统能耗在使用规律上的差异。