使用热平衡方法降低冷负荷的分析：热带国家办公大楼的案例研究外文翻译资料

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第七届国际能源应用大会 - ICAE2015

使用热平衡方法降低冷负荷的分析：热带国家办公大楼的案例研究

Wan Iman Wan Nazi*, Yao Dong Wang, Tony Roskilly

英国，纽卡斯尔市，NE1 7RU，纽卡斯尔纽卡斯尔大学，约瑟夫·斯旺爵士能源研究中心

摘要：

自70年代以来，由于世界各地的工业化和其发展导致化石燃料资源的限制和能源需求的增加，世界正在经历能源危机 [1]。据国际能源署（IEA）报告，全球能源消费总量的32％是建筑行业贡献的[2]。研究人员发现，采暖通风和空调（HVAC）系统在商业建筑中消耗的能源是最多的[3,4,5,6,7]，而热带国家中则有超过50％建筑的能源用于空调[8]。这项研究发现，通过从热平衡分析中得到的减少得热的方法，可以把一般的建筑改造成低能耗办公建筑。一栋马来西亚的办公楼在Design Builder软件中进行了审计和建模，用于热平衡分析。据发现，建筑物得热的75％来自照明系统的辐射以及通过窗户的日照得热。据估计通过对照明系统的和建筑玻璃进行改造，使其得到日照优化同时减少日照得热，从而改变区域温度设定点。这一方法可以减少48.84%的建筑能耗。除了节能,基于MS1525:2007的建筑室内环境质量和居住者的舒适度也得到保证。一项由软件预估的基本成本分析显示，该方法的初始成本最大增量在1.32%。因此这项研究表明，如果选择合适的技术来满足建筑的条件，可持续的建筑并不一定会导致因技术的实现而造成的高昂成本。

关键词:能源应用;节能;可持续建筑,制冷系统

1.简介

一栋典型的马来西亚办公楼耗能约250千瓦时每平方米每年，比绿色能源办公建筑(GEO)所建议的建筑能耗指标(BEI)高了400%。 Chan和S.Aun的研究发现，平均而言，马来西亚办公楼总建筑能源的64%用于空调。然而其他热带国家例如印度尼西亚，泰国和新加坡则将51%到59%的建筑能耗用于空调[11].。本研究通过被动冷却的实现，高效的冷却技术和有效的管理来减少建筑的制冷能耗。Graca等人发现在购物中心引入自然通风系统能够将地中海气候下的整体暖通空调系统的能耗减少30%[12]。Park等人发现暖通空调系统占总建筑总能耗的75%，照明系统占建筑总电力消耗的38.9%。提出的节能计划包括控制外部照明的范围，采用省煤器，low-e玻璃和冷凝锅炉[13]。Wen-Pei Sung等人的研究发现一个变风量系统与定风量系统相比可以节省高达46%的能源消耗[14]。在沙特阿拉伯阿曼的一所学校里，Y.H Zurigat 对被动冷却技术的应用研究发现通过使用完善的技术组合[15]能够将能耗减少高达43%[15]。空调是一种使空气达到特定的温度和湿度使居住者感到舒适的过程，空间冷却的总负荷取决于潜热冷负荷和来自于太阳得热，照明系统，人，和设备的显热冷负荷。同时，潜热冷负荷来自人，室外空气泄漏和蒸煮等过程。本研究的目的是：（一）研究一栋建筑的能源趋势；（二）在热带国家的建筑物中发现主要的热源；（三）设计方法以降低冷负荷为重点降低建筑能耗。

1. 建设案例研究

一栋中型政府办公楼被用作建筑案例研究。它位于普特拉贾亚,马来西亚(北纬3.12°,东经101.55°)全年都经历着炎热和潮湿的天气。建筑的总建筑面积是47708 msup2;总数为351人。它由两层地下层、一层底层和七层办公层组成。他的空调由一个定风量系统，每层的空气处理机组，提供动力的风机盘管，提供冷冻水的煤气分区供冷装置组成。

1. 建设案例研究

建筑的平面图，设备数据，设备运行时间表，室内环境质量测量结果，能源清单和能源消耗数据都被收集和分析。这些数据来自于一个合法的能源顾问所得到的建筑年度能源审计报告（包括建筑能源账单，2012年的能源使用效率，室内空气质量检测、设备清单和他们的说明），建筑能源经理和工程师的个人访问，以及现场的参观。建筑配备能源监控系统（来自Circutor动力工作室，通过电力能源监控的数据采集与监视控制系统）来监控制冷系统。建筑的冷冻水由煤气分区装置提供，测量单位为冷吨时(RTH)。因此建筑的总能耗(kWh)由方程（1）和（2）进行计算，建筑能耗指标(BEI)由方程(3)进行计算。

其中：AEC: 每年的能源消耗，单位：kWh；CW:冷冻水的消耗量，单位：RTH；EL:每年的耗电量；FA:建筑的面积，单位：㎡。

在 Saidur 等人的研究中[11]，2009年到2012年四年的平均BEI为238.53 kWh/msup2;/year，略低于马来西亚典型办公建筑的建筑能耗指标，250 kWh/msup2;/year [9,10]，基本和马来西亚公立医院的BEI，234kWh/msup2;/year 相等。然而BEI值相较于欧洲办公楼的BEI值(306 kWh/msup2;/year) [16]还是略低的。建筑物需要减少46.9%的总能耗成为低能耗办公楼（LEO）。冷却系统的减少将对建筑能耗产生重大影响，自2012年来，这个行业消耗量建筑总能耗的58.9%，并且与制冷系统相关的能耗为127.89 kWh/msup2;/year，高于LEO建筑的BEI基准值(114 kWh/msup2;/year) [17]。建筑物最终使用的能源量如图11 (a)所示。2012年，冷却系统的总能耗为4.32 GWh。建筑室内环境质量分析是从建筑的能源审计报告中获取的。测量工具为Tento 540(流明量测量），Psensor RH(CO₂测量)和 HT305（相对湿度和温度测量）。

结果表明5/8的办公空间温度低于MS1525:2007 (23ᴼC- 26ᴼC)所规定的最低温度。8/5的办公空间平均亮度低于最低的要求(300 lux)，同时走廊区域由于日照有着非常高的亮度，使过往的人产生眩光。两个区域的空气相对湿度超过最大要求（55% - 70%）不到1.6%。同时，整个建筑的二氧化碳含量低于马来西亚职业安全与健康部的最高限额(不到1000).

1. 建筑的建模和验证

我们用4.2.0.034版本的Design Builder 软件设计出一个建筑研究的模型，建筑设计软件是连接Energy Plus仿真引擎（来自美国能源部）的最完整的图形用户接口，它为软件使用提供方便和高质量的能源消耗数据，碳排放量，乘员舒适度和日光可用性数据[18]。然后，根据实际的每月能量数据和模拟的每月能量数据计算的公差范围验证该建筑物的模型。模拟不考虑公共假日。如ASHRAE所规定的，如果每小时内记录的使用数据的均方根误差（CV（RMSE））的变异系数低于25％，建筑物被认为是准确的[13]。该软件将冷却系统的总能量记为“区域制冷”。 因此，根据等式（4）计算出制冷系统的实际能耗。 方程（5）用来计算CV（RMSE），方程（6）用来计算模拟结果与实际结果之间的百分比误差。 按此方法进行模拟，直到达到公差范围。

其中：MEC：每月能耗; n：月数; AEC：年能源消耗; “act”：实际值；“sim”：模拟结果。

图1.（a）2012年建筑的最终用能量 （b）实际和模拟结果之间的月能耗比较

模拟每月能耗，并与实际支出进行比较，如图1（b）所示。计算的百分比误差为4.37％，CV（RMSE）值为9.57％，低于ASHRAE提出的25％容差值。 模拟能源趋势与2009年和2010年的能源趋势相一致，但2011年8月和2012年8月都呈现奇怪的趋势。

图2.（a）实际冷负荷曲线（b）基础模型和模型6的模拟冷负荷; （c）得热分布。

6.减少建筑物冷却负荷的方法

选择冷却负荷方法来减少照明系统和通过窗户的日照得热等主要热源的得热。选择三种方法来降低冷负荷。温度设定点调整，照明系统和玻璃类型的修改。每个案例列在表1中，分别在3.5.1,3.5.2和3.5.3节中讨论。 每个案例研究的模拟结果列于表2。

表1.建筑能耗模拟设置

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6.1温度设定点调整

在MS1525：2007建议的指导原则下调整冷却温度设定值。结果表明，案例3中的能源消耗最大，其次是案例1和案例2。案例1和案例3之间的能源消耗差异百分比只有0.18％。根据建筑能源经理提供的信息，24ᴼC是办公区域的最高温度设定值。根据员工的反馈，当楼宇管理将制冷温度设定为24℃和25℃时，设定值为25℃时，员工给出了与舒适度有关的负面反馈，然而调整至24ᴼC时，没有收到投诉。考虑到能源影响和人员舒适度后，选择了案例1。

6.2照明系统的改造

即使大部分办公区域接收的光照亮度低于MS1525：2007为办公空间设定的标准亮度级别，照明系统发出的热量也很高。这表明，建筑中照明系统的效率低，需要改进。

现有的研究表明，日照是减少碳排放的最具成本效益的方法之一，现有技术的应用可以将照明用电减少50％[19]。除了发出可见光，一个灯还会辐射放热和对流放热，引起建筑得热。 辐射的瞬间热量促进建筑物得热增加。可见光和热辐射的比例取决于灯的类型和灯的安装方式。 该建筑主要采用36W荧光灯和70W陶瓷放电金属卤化物灯。 典型的荧光灯消耗全部输入功率发射出21%的可见光，37％的辐射热和42％的对流热。 同时LED发射15-25％的可见光和75-85％的对流热[19]。建筑物的灯固定在表面与其他类型相比发出最高的辐射热。根据Design Builder，不同灯具类型中“表面贴装”的辐射占比为72％，“悬挂”为42％，“槽装”和“发光百叶窗”为37％，“回风通道”为18％

[16]。照明系统根据MS1525：2007提出的亮度标准进行了修改，旨在提高能耗效率，降低照明系统的散热。我们选择具有较长操作时间的建筑物区域，来实施照明系统的修改。详细照明设置如表1所示。照明系统配备了自动控制系统，允许人工照明自动调节，以保持目标区域的照明水平，从而优化日照的效果。案例4和案例5的仿真结果均显示 BEI减少了40.49％，制冷系统能耗减少27.10％，照明系统的能耗减少了84.56％。模拟结果还表明，LED灯具（管道 - 空气和槽装）对导热得热的影响没有任何不同。 LED照明的对流得热在照明运行时可能由于天花板的低热传导率而导致室内环境热量的增加。 在案例4和案例5的实施后，照明产生的热量从每年2.14GWh降低87.1％，至一年后的0.28GWh。

6.3通过窗户减少日照得热

窗户是确保人员的舒适感和向建筑物提供日光照明的重要因素。 马来西亚每天收到的太阳辐射为16.8 MJ/msup2; ，辐射范围为3％紫外线（UV），44％可见光（VL）和53％红外线（IR）。照射到建筑物玻璃上的太阳辐射一部分被反射，另一部分则根据玻璃的组成被发射给建筑物[21,22]。在红外线将热量传输到建筑物中的同时可见光增加了日光亮度。对于有制冷需求的国家，应优先选择高可见光透射率低红外线吸收率的玻璃，以最大化日光亮度并减少得热。室内瞬时得热由方程（7）[21]决定。

表2.各模型研究的结果及其与基础模型的对比

在研究了Design Builder软件中可用玻璃的列表之后，选择了三种具有所需参数的玻璃窗进行能量和冷负荷分析。

Qi =U * (Ta minus;Tr) (SHGC * G) (7)

其中， Qi是瞬时太阳能得热，U是U-factor，Ta是环境温度，Tr是室温，SHGC是太阳能得热系数，G是太阳辐射。

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一共有三种研究情况（模型6，7，8）被模拟。每种情况下的玻璃类型的详细信息可以在表1中列出。由于玻璃类型的变化导致冷却系统的能量进一步减少，同时由于日光的减少，照明用电量略有增加。然而，由于较强的日光照射引起的眩光现象，这种亮度等级标准对人员的舒适度更加有利。

1. 结论

降低建筑物的制冷负荷和提高制冷系统的效率将对建筑能效产生重大影响。次制冷系统能耗站建筑总能耗的58.9％。其能源强度 (126 kWh/msup2;/year)比低能耗办公建筑的标准能源强度多了9.57%。“重新设定温度设定点”，修改照明系统和更换现有的玻璃窗可以将建筑能耗指数降至112.18kWh/msup2;/year （降低45.85％的BEI）使其成为低能耗办公楼。在对现有建筑进行改造，改善其能源性能来说，建筑热平衡分析是一种合适的方法。这种方法使建筑业主能够根据建筑物的能源模拟制定正确的改造计划和估算能源消耗。在基于Design Builder的基本成本模拟中，发现模型8的初始成本比基础模型的初始成本高0.09％，但模型8的BEI却降低了42.31％。 因此，设计可持续发展的建筑物并不一定意味着技术实施的成本很高，我们要做的是更多地选择合适的技术来适应建筑的状况。

参考文献：

[1] U. N. F. C. o. C. Change. (2013). Kyoto Protocol, http://unfccc.int/kyoto_protocol/items/2830.php

[2] I. E. Agency, 'Energy Effieciency FAQs,' ed:http://www.iea.org/aboutus/faqs/energyefficiency/, 2013.

[3] S.

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