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据统计，2013年我国建筑总能耗达7.56亿t标准煤，其中公共建筑总能耗(不含北方地区供暖)为2.04亿t标准煤，占建筑总能耗的26.9%。公共建筑主要包含酒店、商场及办公建筑3类建筑。从供暖需求来看，商业办公建筑具有一些典型特征，如普遍采用玻璃幕墙、太阳辐射影响相对较大、人员作息相对固定、供暖时间相对较少、一般上下楼层不连通、楼内气密性相对较好等。 对于居住建筑采用的集中供暖系统，围护结构保温改造、分户热量计量与混水调节等方式是有效的节能手段。但对于公共建筑的供暖节能改造研究，国内仍处于初步阶段，仅对公共建筑中的锅炉效率、水泵设备选型、围护结构保温等进行了初步分析。席永刚对公共建筑中运用市政供暖时，采用温控热计量系统的可行性、技术规程与经济性进行了深入探讨，通过对案例建筑加装这一系统，模拟预测全年能够实现约30%的节能率。 目前，对办公建筑乃至公共建筑中供暖系统的综合节能调试研究仍然较为缺乏。本文基于对北方地区某办公建筑的长期调试节能工作，使其2017年的供暖能耗达到0.05 GJ/(m2·a)，远低于欧盟0.11 GJ/(m2·a)的近零能耗建筑供暖标准。在实现节能效益的同时，本文对办公建筑供暖系统的相关问题以及相应调试改造措施进行了总结，可为北方地区同类建筑的运行节能提供工程借鉴。 项目A位于北京市朝阳区东北区域，是一座高档甲级办公建筑，曾获得美国绿色建筑协会的能源及环境设计先锋评级(LEED)白金奖认证，项目基本信息与围护结构热工参数见表1，2。其中，办公建筑与其临近的商场为同一热站集中供暖；集中热站引出2个二次侧支路，其中1个支路用于办公建筑的供暖。目前，1台二次热水循环泵可满足项目A的全楼供暖需求。具体设备参数如表3所示。 2014—2017年供暖季，清华大学建筑节能研究中心对项目A进行了详细的节能诊断及调试改造工作。对2016—2017年供暖季的相关数据进行核算，得到项目A现有的能耗指标，如表4所示。目前，项目A缺乏完善的能耗计量系统，根据热站逐日的锅炉抄表记录及对锅炉能效的连续监测，核算得出耗热量相关指标。其中，典型周连续监测的平均锅炉效率为94%，是二次侧监测的实际输配热量与锅炉的实际耗气量的低品位总热值之比。同时，研究团队对项目A二次侧的供暖支管在整个供暖季进行了连续监测，核算得到项目A的耗热量占整个综合体耗热量的比例平均稳定在13%左右。根据这一比例进行拆分，进一步得到项目A的单位面积能耗指标。 能耗指标包括一级指标与二级指标两大类：一级指标主要描述建筑供暖整体的能耗情况，包括单位面积的供暖能耗、天然气耗量及碳排放等；二级指标主要描述影响供暖能耗的因素，包括供水平均温度、供回水平均温差、供暖系统输配能耗指标及建筑围护结构热性能指标(OTTV)。与GB/T 51161—2016《民用建筑能耗标准》中的供暖指标对比，项目A的供暖能耗及输配指标均显著低于国家标准值，供暖成本仅为4.3元/m2，节能与经济效益均十分显著。 项目A办公建筑在2016—2017年供暖季的平均热负荷为4.63 W/m2，低于现有研究中其他建筑物的测试结果。进一步分析发现：办公建筑内热源相对恒定，在室人数按每层200人计算，人员平均冷负荷为8 W/m2；灯光设备平均冷负荷为15 W/m2。室内得热的增加主要来自于太阳辐射得热，但其难以监测并定量计算。在天气晴朗的冬季工作日，办公建筑西侧与南侧外区接受透过玻璃幕墙的太阳辐射，容易出现过热现象，部分区域温度可达26～28 ℃。 2.1 改造过程 项目A于2016年实现了热站输配系统的管网改造(见图1)。改造前，项目A与其临近的商场为同一热站集中供暖。热站设置有4台常压燃气热水锅炉，单台容量为2.8 MW。一次侧循环泵定流量运行，供暖季开启2台循环泵；二次侧循环泵变频运行，工作时间开启3台水泵45 Hz变频运行，非工作时间(防冻时间)开启2台水泵30 Hz变频运行。控制目标为二次侧的供水温度，反馈调节一次侧的旁通阀开度。 输配系统中，商场、办公建筑与后区3路回水汇集到1根总管后，通过4台板式换热器与锅炉的高温一次水进行换热，再分为3路分别供往相应末端。商场大堂的地板辐射供暖支路，单独设置1个板式换热器进行换热。 现场调试过程中，研究团队发现项目A办公建筑与商场的供暖需求时间、负荷特征均有显著差异。且热站尚未实现整个系统的自控调节，统一供水温度容易出现两方面问题：一方面，商场与办公建筑的供暖作息时间不同，统一调节容易造成办公建筑防冻工况下的能源浪费；另一方面，办公建筑与商场的末端形式不同，对供水温度的实际需求不同，统一温度容易造成办公建筑的供水温度偏高。 以2016年供暖季某典型工作日为例，天气晴朗，室外温度为－4～6 ℃。图2显示了项目A供暖季典型工作日商场与办公建筑供回水温差对比。由图2可知，工作时间办公建筑的平均供回水温差仅为1.6 ℃，最高为5 ℃，最低为0.7 ℃，而商场的平均供回水温差为4.4 ℃，两者差异较大。可见，办公建筑与商场供暖系统集中统一控制容易造成水力不平衡，不利于供暖系统的运行节能。 如图1所示，项目A的管网改造实现了办公建筑供暖的单独控制，将1#板式换热器与对应的1台循环泵作为新的办公建筑支路，实现了独立供水温度调节。同时，这也使得办公建筑与商场的供暖作息分开，避免了办公建筑夜间过度供热的问题。 2.2 改造成果 这一输配系统改造后的成果主要有2个方面。一是实现了办公建筑支路供暖温度的单独控制，2017年供暖季工作日的平均供水温度为41.3 ℃，而2016年为45.5 ℃，下降了4.2 ℃；2017年商场支路的平均供水温度下降至37 ℃。二是实现了配合办公建筑负荷特征的精细化温度目标调节，增加了控制策略的灵活性。图3显示了项目A供暖季典型工作日办公建筑供回水温度变化。由图3可知，某典型工作日工况下，天气晴朗，室外温度为－6～4 ℃，办公建筑供暖需求全天发生规律性变化。上午考虑办公建筑的夜间热负荷影响，且太阳辐射影响相对较弱，办公建筑供水温度较高，可达45～46 ℃；13：00后受气温上升与西侧太阳辐射影响，13：00—17：00楼内供热需求大幅减少，供水温度随之下降。供水温度调节同时配合循环泵频率的调节，当办公建筑西侧与南侧区域在下午存在过热时，将二次泵频率由45 Hz降至30 Hz，实现系统能耗的降低。 3.1 办公建筑变风量系统介绍 办公建筑标准层采用变风量(VAV)系统。其中，每层集中设置2台空调箱，分别对应标准层的南区与北区，空调箱仅有冷水盘管，在供暖季通过控制冷水阀的开启给过热区域供冷。空调末端为变风量箱(VAV-box)，每个空调末端设有4个风口，并设置有温度传感器，以监测室内温度。热水供应为分区控制，外区变风量末端设置热水盘管，内区不设热水盘管。 同时，项目A办公建筑采用集中的新风处理系统，设置4台热回收式新风机组(PAUR)，其具体信息如表5所示。送入空调箱的新风由4台PAUR预加热处理，分别供应低区(1～14层)与高区(15～25层)；PAUR中的热回收转轮根据季节模式设定，基本冬、夏两季才开启。 3.2 冷热抵消问题分析 项目A采用四管制水系统，在冬季仍需给部分靠近玻璃幕墙的过热外区供冷，控制室内温度在26 ℃以下。在对项目A进行实际测试过程中发现，冬季冷水阀开启供冷的工况较为常见，以图4所示的2015年供暖季某典型工作日为例，天气晴朗，室外温度为3～13 ℃。 通过对办公建筑末端运行数据的进一步分析，发现冷热抵消的来源主要为2个方面。 1) 在供冷工况下，末端仍然对空调箱的送风进行再热，造成冷量损失。图4显示了办公建筑14层西南末端风口与对应AHU送风温度对比。由图4可知，办公建筑14层外区的西南风口与空调箱送风始终有显著的温差，在2～3 ℃左右，即外区的再热盘管始终对冷风进行加热，造成能源浪费。造成这一现象的原因：一方面是部分末端风口控制策略失误，无法与冷水阀联动关闭；另一方面是部分末端热水阀门无法关紧，产生漏热量，造成冷热抵消。 2) 热回收新风机组对室外新风进行集中处理时，加热温度过高，造成冷热抵消。从运行节能角度来看，办公建筑内过热应尽可能利用室外新风的免费冷量，部分区域的过冷现象应由末端热水盘管承担负荷，热回收新风机组仅应承担防冻的安全需求即可。图5显示了项目A 2015年供暖季典型工作日办公建筑14层AHU新风温度与室外温度对比。由图5可知，热回收新风机组处理后的新风基本维持在27 ℃左右，这样既损失了新风免费供冷的能力，又造成不必要的加热量。 3.3 加装自由冷却系统 2015年供暖季，项目A利用2台基载制冷机进行供冷，单台制冷机容量为1 407 kW，项目A供暖季办公建筑四管制供冷系统示意图如图6所示。冬季制冷机长期处于低负荷状态，一方面制冷能效低，制冷机经常发生喘振，另一方面冷水温度仅为7 ℃，冷水阀开启时的供冷量较大，容易增加室内的冷热抵消问题。 2015年夏季，业主在原有系统基础上增加了1套自由冷却系统，以满足供暖季及部分过渡季办公建筑与信息机房的供冷需求。这一自由冷却系统的冷却塔与循环水泵均利用原有系统的设备，仅增加了1台板式换热器与相应的自动控制系统；并通过管路改造，利用阀门实现自由冷却与常规供冷工况的切换。改造后的系统示意图如图6所示。 自由冷却系统运行工况下，楼内的冷水供水温度由原来的7 ℃提升至10 ℃，在流量不变的情况下减少了楼内的供冷量；同时，随着办公建筑热站供热支路温度的下降，部分区域过热现象得到了缓解，楼内的供冷时间也随之大幅缩短。根据项目A的供冷量系统计量的数据显示：2016年供暖季办公建筑供冷量为16.5万kW·h，相比2014年同期供冷量41.2万kW·h下降了60%；2017年供暖季办公建筑的供冷量仅为10.9万kW·h，与2016年相比大幅下降了34%。2017年供暖季自由冷却系统供冷时间为158 h，2015年供冷时间为426 h，同比减少了63%。可见，在北方地区供暖季有供冷需求的四管制系统加装自由冷却系统，能够取得较好的节能与经济效益。 考虑机组性能与防冻要求，预期的PAUR送风温度应控制在12～15 ℃。 2016年供暖季对项目A中PAUR的测试结果显示，机组实际运行的全热回收效率与全热回收量均显著低于设计工况，如表6所示。PAUR的运行工况直接影响热回收转轮开启的经济性。为达到预期的系统节能目标，工程人员需配合厂家进一步核查热回收转轮的性能，并调整相应的控制策略。 2017年供暖季的连续监测表明，项目A中PAUR对于送风温度的控制存在问题，仍需进行调节。 低区PAUR送风温度比较如图7所示，2017年供暖季项目A低区PAUR控制的送风设定温度为18 ℃，2台PAUR控制的送风实际温度范围为15～18 ℃，但温度控制波动范围较大。PAUR内设有低温防冻保护装置，当送风温度低于15 ℃时，会强制水阀全开，对室外新风进行加热，从而使得控制温度持续波动。
高区PAUR送风温度比较如图8所示，2017年供暖季项目A高区PAUR的送风设定温度为15 ℃，但实际机组的送风温度控制在20 ℃左右。实际排查发现，高区PAUR的转轮结构有漏风点，排风与新风的混风现象较为严重，使得转轮前的新风入口温度过高，送风温度无法进一步降低。
1) 通过对项目A持续的节能诊断及调试改造工作，使得2017年供暖季办公建筑的单位面积能耗降至0.05 GJ/(m2·a)，已达到欧盟近零能耗建筑供暖的指标0.11 GJ/(m2·a)，单位面积供暖成本为4.3元/m2，节能与经济效益均十分显著。 2) 对项目A的节能工作主要基于现有热站系统的调适改造、减少建筑内供冷量措施与新风集中处理设备的精细化调节等方面，从热源到输配再到末端，全过程控制建筑内供暖的节能运行。 3) 项目A的实践证明：北方地区的商业综合体应对商场、酒店与办公建筑设置单独的控制支路，以适应不同建筑类型的负荷需求；对于运用四管制系统的建筑，采用自由冷却系统的经济效益较好。
全文刊登于《暖通空调》2018年第3期 作者：清华大学 刘畅 魏庆芃 吴序 |
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