从节能诊断谈设计改进-江亿-2006

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清华大学建筑节能研究中心2006年6月2日

清华大学建筑技术学系Department of Building Science大型公共建筑大型办公楼、酒店、购物中心、交通中心、娱乐中心等体积大，建筑面积超过2万m2采用中央空调建筑特点：

无外墙内区比例较大内部发热量大功耗特性：

暖气能量低于一般建筑物耗电量远远高于一般建筑物0100200300400

年能耗指标(kWh/m2.a ) )。住宅普通公共建筑大型公共建筑01020304050

采暖热量指标(W/m2.a ) ) ) ) ) ) ) )。住宅普通公共建筑大型公共建筑清华大学建筑技术学系Department of Building Science大型公共建筑能耗调查与诊断• 1995年至今

每年暑假，教师、研究生、本科生全国300多座大型公共建筑消耗调查政府机关、商场、酒店、办公楼、移交枢纽、体育场等

供暖以外的能源，主要是电力使用情况其中70层以上空调系统详细现场实测通过横向比较，得出了几点认识

清华大学建筑技术学系Department of Building Science类型、功能相似，功耗差异大/百货商店

功耗密度高于其他类型05 0100150200kWh/m2.y酒店办公楼商场

北京市大型商场单位建筑面积年总能耗(kW.h ) )。0100200300400

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10百货商店号码0

50

100150200250300

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13百货商店的序列号kWh/m2.a

05

101520253035一万吨

1999 2004

清华大学建筑技术学系Department of Building Science类型、功能相似，功耗差异大例如：政府机关办公大楼率先垂范

单位建筑面积的年耗电量/(kwh/m2.a ) ) ) ) )。124.680.2

74.0 74.585.770.45 65.0107.963.10

20406080100120140

A B C D E F G H I政府事务建筑单位面积年耗电量(kwh/m2.a ) ) )。050

100150200

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 412004中央国家机关政府机关2004年北京市政府机关试点单位面积用电111.2

51.3

73.0 79.1151.5106.6 105.998.676.1 73.10

20406080

100120140160

a b c d e f g h i jkWh/m2.a2001和2004年北京市政府机关

清华大学建筑技术学系Department of Building Science空调系统耗电量比例高，差距大热水瓶10%电梯

8 %电脑29%

照亮明天27%空调系统26%空调50%照明40%电梯

10%

空调系统、43.6%办公设备、4.0%锅炉、1.3%排水、

17.0%照明系统、24.8%电梯、9.3%照明、

28.0%办公设备、22.0%其他，10.1%电梯、

2.9%空调、37.0%

商场政府办公楼酒店办公楼各种类型的大型公共建筑不同

清华大学建筑技术学系Department of Building Science空调系统耗电量比例高，差距大0

20406080100120140

A B C D E F G单位建筑面积的耗电量(kwh/m2.a ) ) )。空调照明办公饮用水电梯及其他政府办公大楼用电配置

清华大学建筑技术学系Department of Building Science空调70kWh/m2是其他被测定3~4倍于建筑物

低e涂层双层窗，多种保温良好的围护结构部件车轮热回收装置等高性能空调设备准备高级自动控制系统

完全符合公共建筑节能设计标准为什么？

空调系统结构形式不合理，正在运行战略不当，制冷机、水泵、粉丝等没有在最佳状况下工作a设施办公楼清华大学建筑技术学系Department of Building Science

单位建筑面积的制冷和水泵的功耗/(kwh/m2*a ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) )。05

101520

A B C D E冷机消耗水泵的消耗电力

空调系统分项单位建筑面积能耗(kwh/m2.a ) ) ) ) ) ) ) ) ) )。010203040506070

A B C D E冷水泵风扇盘管各类风机

冷机、水泵、风机节能潜力大• 政府机构办公楼– 使用状况基本相同空调系统电耗平米指标

现代职业教育

冷冻冷却泵40%风机盘管

8 % 冷却塔4 %空调机组

3 % 采暖泵,9.2%空调箱,45.3%冷却塔,1.3% 冷冻机,30.0%冷冻泵 ,

冷却泵, 8.0%6.2%

风机盘管,10.0%采暖泵,9.4%冷却塔,1.1%冷冻机,25.3%冷冻泵,11.2%冷却泵,5.3%空调箱,37.7%商场 政府办公楼宾馆 写字楼

• 各种类型大型公共建筑有所不同

清华大学建筑技术科学系 Department of Building Science高能耗的主要原因• 设计、施工、初调节、运行管理等• 设计是重要环节！

– 围护结构并非决定大型公共建筑能耗的最重要因素！– 《公共建筑节能设计标准》• 没有充分重视设备系统对能耗的影响

• “节能”围护结构的大型公共建筑很可能不节能！• 应对建筑、围护结构、空调系统设计，从节能角度进行全面的评估、审查和改进清华大学建筑技术科学系 Department of Building Science节能诊断调查反映出的设计问题• 典型问题

– 空调系统设备选型过大– 调节困难、调节手段不正确– 盲目提高设计标准– 系统结构设计不合理导致设备低效率运行或系统大量无效耗能

清华大学建筑技术科学系 Department of Building Science空调系统设备选型过大• 原因：负荷估算导致“一大四大”– 负荷“大”导致：冷机装机容量“大”、水泵配置“大”、末端设备“大”、冷却塔“大”• 危害– 冷机、水泵、风机只能长时间在低效率点运行– 造成初投资和运行能耗浪费

– 带来冷机和冷却塔旁通、冷机待机电耗等运行管理上的问题，导致能耗浪费

清华大学建筑技术科学系 Department of Building Science • 39600平米政府办公楼，设计安装三台制冷量均为1758kw的大型离心式冷机，每年夏天仅需开启一台冷机即可满足需要，从

没让两台冷机同时运行过 •在一台冷机运行时，有90%时间仍只能在冷机额定负荷的70%以下运行 • 离心式冷机能效比COP随冷机负荷的减小而迅速下降，导致用电效率降低 • 2005年夏季一个月，该办公楼冷机运行电耗达18.1万度，若冷机维持COP5.5运行，则可节电

4.1万度，节能率达到22% 1234567

10% 30% 50% 70% 90% 冷机负荷比例 COP冷机能效比COP随负荷变化规律

清华大学建筑技术科学系 Department of Building Science冷机不合理旁通

• 多台冷机或冷却塔并联而单台运行时，一些应关闭的阀门处于开启状态，使不工作的冷机也有水旁通• 通过工作冷机的流量只有额定流量的50%，冷机工作状况恶化，COP从5下降到3，使得冷机电耗的30%白白浪费冷机旁通示意图

• 为保证工作冷机的流量不至于太低，开启不该开的冷冻水泵和冷却水泵，使得水泵电耗增加一倍清华大学建筑技术科学系 Department of Building Science更有甚者，无法调节• 只能旁通

– 某医院新建门诊大楼，夏季最热时只开4台冷机，但总共并联安装11台冷机– 冷机出入口水管上没有阀门，不工作时也旁通水量，无法调节– 10个月空调和供暖期中，不论天气冷暖，每天必须24小时开启两台冷冻循环泵才能正常运行

– 水泵电耗高达47.5万度，浪费巨大

清华大学建筑技术科学系 Department of Building Science• 2005年夏季测试中，中央国家机关六座大楼中五座都有冷机旁通、多开水泵的现象

• 北京市政府机构办公楼中也存在类似现象• 通过关闭旁通阀、关闭不该开启的水泵，上述五座建筑每年可节电75.5万度单位 A B C D E F冷机旁通 是 是 是 是 否 是多开水

泵功率

(kW)

冷冻泵 48 34.9 66.4 20.7 - 33冷却泵 50 35.7 57.1 20.7 - -关闭旁通和多余水泵的节电量(万kWh) 23.52 8.47 14.8 4.97 - 23.76关旁通、关水泵就节能清华大学建筑技术科学系 Department of Building Science设计时就考虑到这一点• 冷机、水泵以及水冷机前后的阀门联动平时常闭

清华大学建筑技术科学系 Department of Building Science水泵扬程和流量过大• 普遍现象

– 水泵实际流量超过设计20～30%，实际扬程低于设计• 原因

– 系统阻力计算偏于保守，水泵选择扬程过大• 危害

– 造成水泵性能与管路实际阻力状况不匹配– 导致水泵长期在低效率点工作，电流和能耗超标、甚至有烧毁电机的危险清华大学建筑技术科学系 Department of Building Science水泵效率实测结果

– 实测六座政府机构公共建筑中央空调系统36台冷冻泵、冷却泵效率，最高效率为0.65，最低效率仅为0.36• 六座政府办公楼空调系统水泵现每年夏天耗电139.7万度• 提高泵效达到国家建筑节能标准规定的能效限值• 可节电39.4万度，节能率达到28%30%40%50%60%70%

A B C D E F

清华大学建筑技术科学系 Department of Building Science取消多余的阀门，降低扬程实测六座政府机构公共建筑空调冷冻水系统各部分压降0

1020304050A B C D E F

压降mH20 立管及末端用户阻力 冷机阻力 冷冻机房管路阻力• 楼内和冷冻机房管路上多余的阀门，导致水泵必须提高扬程以克服系统阻力• D: 每台冷冻泵前后管路上都有四个开

度很小的蝶阀，通过增加无谓的阻力来控制流量• A: 冷冻机房管路上安装的限流器白白损失8～10米的扬程

清华大学建筑技术科学系 Department of Building Science• 设计蝶阀或限流器

– 初衷：保证冷冻水流量不超过冷机的上限– 若设计时仔细进行管道水力计算、取消多余的管道阻力部件，将冷冻泵扬程降到30米水柱、冷却泵扬程降到25米水柱以下– 六个试点单位水泵电耗可再降低18.3万度，相当于水泵进一步节电18％

取消多余阀门

清华大学建筑技术科学系 Department of Building Science类似问题－奥运场馆空调系统评估冷冻泵冷 机

空调末端

冷机段阻力 16mH2O

含水处理器、动态平衡阀、止回阀、蒸发器等水泵扬程 40mH2O末端阻力 8mH2O沿程阻力 4.95mH2O冷冻泵冷 机

空调末端

冷机段阻力 16mH2O

含水处理器、动态平衡阀、止回阀、蒸发器等水泵扬程 40mH2O末端阻力 8mH2O沿程阻力 4.95mH2O冷却泵冷却塔冷 机

冷机段阻力 12mH2O含动态平衡阀、止回阀、冷凝器等水泵扬程 30mH2O末端阻力 5mH2O沿程阻力 1.9mH2O冷却泵冷却塔冷 机

冷机段阻力 12mH2O含动态平衡阀、止回阀、冷凝器等水泵扬程 30mH2O末端阻力 5mH2O沿程阻力 1.9mH2O• 经校核计算，水泵扬程普遍偏高清华大学建筑技术科学系 Department of Building Science如何提高水泵效率？

• 变频、切削叶轮还是换泵？– 变频：不能改变效率– 单台变频其他不变：性能曲线不同的泵不能并联

– 切削叶轮：流量下降，但效率下降得更厉害– 换泵：根据实测结果选择水泵流量和扬程清华大学建筑技术科学系 Department of Building Science冷却塔不合理旁通• 多台冷却塔并联时，往往根据负荷变化情况调节风扇开启数量

• 只开启部分冷却塔的风扇时，没有相应调节冷却水的分配• 大量未经风扇冷却的水与冷却过的混合后送回冷站，回水温度高• 极大降低冷却塔的效率35 ℃

28 ℃ 34 ℃ 34 ℃32 ℃35 ℃

28 ℃ 34 ℃ 34 ℃32 ℃冷却塔旁通旁通示意图

清华大学建筑技术科学系 Department of Building Science• 台数调节– 冷却塔水管上的电磁阀多数失灵– 冷却塔多安装在楼顶，手动调节太困难– 多台塔之间没有连通管，“倒塔”时冷却塔溢水• 消除旁通，风机变频调节– 根据回水温度调节– 节省冷却塔风扇电耗

– 通过降低冷却水温度，进一步提高冷机的COP冷却塔部分负荷时的调节

清华大学建筑技术科学系 Department of Building Science空调箱风机变频调节• 商场、综合写字楼

军事职业教育

–通过变频方式调节空调箱的送风量，使之与室内负荷相匹配，能够在满足空调要求同时，大幅节约风机电耗清华大学建筑技术科学系 Department of Building Science实例• 某商场

– 建筑面积约51万m2，空调面积约38万m2• 末端形式– 冬夏均采用定风量全空气系统，整栋建筑共有不同型号的空调箱530台功率

(kW) 30 15 12 11 8.8 7.5 7.2 5.5 3.6 3 2.4 2.2 1.8 1.6 0.8台数 33 8 12 229 12 128 4 52 12 5 3 15 6 4 7清华大学建筑技术科学系 Department of Building Science 风系统,73.2%冷机, 17.7%泵, 8.0%冷却塔,

1.1%电耗统计0.0

200.0400.0600.0800.0

11月 12月 1 月 2 月 3 月 4 月 5 月 6 月 7 月 8 月 9 月 10月用电量(万kWh)照明及其他 空调 电梯

• 全年风机能耗约为60.5 kWh/m2

清华大学建筑技术科学系 Department of Building Science全年室内负荷变化• 室内发热量大，与围护结构基本无关0

20406080

1 1001 2001 3001 4001 5001 6001 7001 8001时间(小时)逐时室内负荷( W/m2

)

清华大学建筑技术科学系 Department of Building Science节能改造建议——变频风机05

1 01 52 02 53 03 54 04 5

1 6 1 1 1 6 2 1 2 6 3 1 3 6 4 1 4 6时间 逐时负荷(W/m2)

某两日逐时室内负荷曲线0

100020003000400050006000

1 6 1 1 1 6 2 1 2 6 3 1 3 6 4 1 4 6时间 风机运行功率(kW)定速风机变频风机

相应风机逐时运行功率

清华大学建筑技术科学系 Department of Building Science全年累计能耗统计60.526.10

1 02 03 04 05 06 07 0定速风机 变频风机风机电耗(kWh/m2)

清华大学建筑技术科学系 Department of Building Science经济性分析

变频前风机电费(万元) 1397.6变频前风机电费(万元) 603.6年节省费用(万元) 794.0变频器投资(万元) 527.5回收年限(年) 1对于商场风系统，采用变频风机是十分有效的节能手段

清华大学建筑技术科学系 Department of Building Science大型公共建筑的新风问题• 利：过度季利用新风冷却

– 室内发热量高的环境，如大型商场、办公楼等• 弊：夏季，实测同类型建筑单位面积耗冷量差异显著：从30W/m2 到80W/m2– 开窗通风导致的热量是空调负荷的主要部分– 实测开窗换气：2~8次/小时– 一半以上的办公楼实测新风负荷占总冷量70%以上– 室内CO2浓度接近室外大气

清华大学建筑技术科学系 Department of Building Science大型公共建筑的新风问题• 原因

– 空调系统提供的有组织新风量不够、或根本不开新风机组，办公人员自行开窗通风

– 新风系统输送的新风量能够满足要求，但办公人员仍然一边开启空调，一边开窗通风– 大门常开、、厨房和地下车库等处排风，导致无组织新风清华大学建筑技术科学系 Department of Building Science某国家机关办公主楼高区（18～28层）和低区（1～17层）几乎完全相同的办公区域，夏季单位面积空调负荷却相差一倍多

28.0 30.636.826.1 27.167.173.288.0

62.6 64.9020406080100

五月 六月 七月 八月 九月W/m^2低区 高区

某国家机关办公楼主楼高区和低区夏季每月平均空调负荷

清华大学建筑技术科学系 Department of Building Science• 由于风压和热压的作用，造成大量热湿空气从主楼高层的外窗进入室内、从低层的外窗排出室外，室外总进风量约为74,400m3/h• 无组织新风导致的空调负荷占该楼总冷量的51.8％，相当于多耗电19.1万度采用示踪气体法，对主楼高区、低区各楼层的新风换气量和方向进行实测

某政府机构办公楼主楼高区和低区新风量

清华大学建筑技术科学系 Department of Building Science盲目追求室内环境高质量• 提高新风量（某政府机构）

– 人均新风量都高于30m3/h（设计规范），有的超过100 m3/h，健身房达到218 m3/h，白天长时间运行– 造成风机选型偏大、电耗增加– 新风降温除湿负荷大幅度增加，增加总的耗冷量• 提高次要功能房间环境控制标准

– 冷冻机房、空调机房、泵房及地下车库采用通风即可– 一味追求高质量采用了全空调方式，导致大量的风机、水泵和冷机电力消耗清华大学建筑技术科学系 Department of Building Science错误的系统结构－“定风量”新风系统

– 某政府机构：新风道上设计了大量“压力无关型定风量末端”，以及相应的压力传感器和风机变频器•实际中从不需要新风末端调节风量•通常只是新风机手动调速

•不仅造成初投资浪费，而且凭空增加风道阻力部件，增加了风机设计压头和运行电耗清华大学建筑技术科学系 Department of Building Science排风热回收乙二醇

全热转轮A 体育馆

B 体育馆 C 体育馆 D 体育馆E 体育馆• 对节能有意义，但设计时需仔细分析40m• 乙二醇溶液热回收方式只能对排风中的显热进行热回收；• 溶液管道过长是否会影响热回收效率，是否会增加溶液泵的功耗？

清华大学建筑技术科学系 Department of Building Science转轮热回收• 风阀位置决定其运行工况－设计工况某低能耗示范

政府办公楼开关 开关

冬夏

清华大学建筑技术科学系 Department of Building Science转轮热回收• 风阀位置决定其运行工况－设计工况某低能耗示范

政府办公楼关开 关开

过度季

清华大学建筑技术科学系 Department of Building Science转轮热回收• 风阀位置决定其运行工况－实际工况某低能耗示范

开 政府办公楼 开开 开 夏天根本没有起到作用

清华大学建筑技术科学系 Department of Building Science转轮热回收• 自动控制：传感器影响其效率传感器失灵风阀常开，

转轮效率仅有22%

清华大学建筑技术科学系 Department of Building Science设计中杜绝个别用电“黑洞”• “小地方”－“大能耗”！– 地下停车场的全空调– 空调机房的全新风空调

– 信息中心、档案馆恒温恒湿空调能耗高– 厨房热湿环境控制和压力控制– 电梯井的拔风清华大学建筑技术科学系 Department of Building Science信息中心空调能耗高– 中央和地方政府机构中，多有网络机房等特殊功能房间，室内发热量大、室内环境控制要求不同于办公室、全年运行、能耗较高– 某政府机构为信息中心等特殊房间设置专用的恒温恒湿空调，全年不间断运行，总耗电66万度，占建筑总电耗的14％

– 北京一年中约有一半的时间，室外温度低于室内，利用这种冷源而不开制冷压缩机，至少使空调压缩机节电70％，使信息中心恒温恒湿空调全年节电35％以上清华大学建筑技术科学系 Department of Building Science• 档案资料需要妥善保存，需严格控制室内湿度

– 空调系统的设计、配置基本不正确，导致电耗很高，环境又未得到很好控制

– 某政府机构地下图书馆，由于不合理的系统结构，使其电耗为4986kWh/年，根据实测分析，维持其良好的温湿度环境，电耗可不超过1682kWh/年，相差3倍档案室、资料室、图书馆除湿清华大学建筑技术科学系 Department of Building Science某政府机构地下图书馆空调系统

现运行工况

增压风机压头过大向室外排风设计工况

室外气候干燥时设计工况室外气候潮湿时

– 某政府机构16层一个56平方米的厨房单独设置新风机组，实测新风换气次数达到41次/h，并且直接由排风机排出室外。整个夏季风机耗电5800度，冷机耗电1.2万度, 如果仅简单的送、排风10次/h，则电耗仅为3500度– 某厨房为防止排风形成负压，按照80%风量配备送风机，但当仅20%的厨位使用时，仍同样风量送风，导致厨房正压，异味进入大楼空间– 建议方案：机械通风，送风，排风联动厨房环境控制清华大学建筑技术科学系 Department of Building Science总结

• 对设计的要求逐渐转变

– 从“政治任务”、“不计代价、必须保证”– 到“以人为本”、“建设资源节约型社会”• 改进– 设计理念应随之转变，适应社会发展要求– 正确对待和使用新技术，新装置– 设计工具－模拟分析清华大学建筑节能研究中心 THUBEC结束

谢谢