基于案例的中美能耗对比与原因分析

基于案例的中美能耗对比与原因分析清华大学建筑节能研究中心张永宁常良夏建军江亿摘要：建筑节能是个国际化问题，绝大多数国家都不可能孤立奋战，各国之间的经验对话可以大大避免走弯路所付出的代价。然而，引进吸收不等同于照本宣科，我国的国情和严峻的能源现实不允许我们模仿外国的消费方式和消费观念走浪费奢侈的路线。需要对发达国家的节能政策制定的背景，节能标准和相关评估体系实施的力度等等做全面了解，在开展工作之初，有必要在小范围内选择特定的建筑案例，投石问路，挖掘事物的本质规律所在。论文以中美大型公共建筑为研究对象，致力于能耗与运行现状的全面分析和用能差异成因的探讨，正确认识节能的关键要素是技术问题还是方法问题。也只有这样，才可以更加清醒地审视中国的建筑节能发展轨迹，规划合理的发展蓝图，开发出有中国特色的、节约型的、可持续发展的良性轨道。本文的主要工作立足于具体案例的研究，中美两国各选取至少两栋典型的大型公共建筑进行对比，用实测数据说话，中国和美国大型公共建筑能耗到底谁高谁低，建筑设备性的差距有多大。关键词：大型公共建筑，中美能耗对比、设备性能、室内环境1前言能源资源总量比较丰富，人均拥有量较低是中国能源的主要特点，能源的可持续性发展是长期而艰巨的任务。采用中央空调的面积超过两万平方米大型公共建筑，是建筑能源消耗的高密度领域，，怎样实现大型公共建筑节能成为备受瞩目的焦点。中国和美国的政府机关、研究机构和社会各界组织投入了大量人力物力开展大型公共建筑能耗特点和节能措施研究，其成果对指导本国大型公共建筑的节能工作有重要作用，节能效果显著。关于中美大型公共建筑能耗比较的研究并不多，其中大部分文献也将精力放在宏观角度对比，但由于两国能耗数据统计的方法不同，简单的进行数量比较不能解释建筑能耗差异的原因。中国和美国大型公共建筑能耗的差距有多大？建筑设备性到底谁高谁低？美国的大型公共建筑的用能问题是否和中国相同？能够用相同的手段来解决中国目前存在的问题？美国的全自控系统在节能舞台上发挥了多大的作用？笔者对中美两国的几座公共建筑进行了现场实测，对其建筑的能耗和空调控制水平及效果进行了仔细分析和比较，用实测数据说话，回答以上几个问题。2建筑基本情况作为案例的中美大型公共建筑应该在同类建筑中具有一定的代表性和典型性，并且具有相似性和可比性。为了消除客观因素造成的影响，选取的建筑样本分布在两个气候条件类似的城市。国内选择的建筑为典型办公楼，美国案例为校园办公建筑，全年使用时间约为200～250天，每天工作时间8小时。建筑用能数据来源方法主要有四种途径，业主提供的运行管理数据；清华大学研发的大型公共建筑用电分项计量系统，在建筑内部安装总电表、分项电表（照明用电系统、办公用电系统、空调用电系统、厨房、电梯等等）、冷量表和热量表，通过一定的自动测量和通讯手段，将能耗实时记录并传到数据处理中心，达到对建筑能耗监控的目的；现场节能诊断和故障探究：对于建筑存在的用能问题测试和分析计算；建筑负荷和系统动态模拟，对于不可预测的建筑围护结构负荷、空调系统处理冷热的能力和用能终端的能耗实现过程进行全年动态模拟。3能耗对比3.1电耗对比图1所示为2006年各建筑单位面积用电指标情况，北京的5座办公楼Z-1~6的能耗为60～120kWh/m2.a，个体差异较大，最高值可达最低值的2倍；空调系统、照明和办公设备的用电基本相当，约占总用电的25%～35%，这与笔者在国内调查的众多大型公共建筑的能耗范围一致，具有典型性。相比之下，两座美国建筑M-A和M-B的单位面积用电量则集中在300～350kWh/m2.a。空调系统在建筑中能耗比例最大，在M-A中高达69%,照明和办公设备也是建筑的主要用电环节，基本各占总耗电量的20%左右。建筑年电耗1193443321038056660100200300400M-AM-BZ-1Z-2Z-3Z-4Z-5kWh/m2.a图1建筑单位面积用电量比较空调系统耗电是课题的研究重点与难点，对其进行再次拆分可以分为冷站电耗和空调风机与末端电耗。如图2所示，其中冷站电耗包括冷机、冷冻泵和冷却塔风机电耗。美国M-A和M-B建筑冷站的电耗水平约为100kWh/m2.a；而相比之下，国内建筑样本中，最高值为25kWh/m2.a，最低值仅为4kWh/m2.a，差异明显。空调风机和末端电耗包括新风机电耗、空调箱电耗、风机盘管电耗和为了满足通风要求的各类送风机和排风机电耗，其中M-A和M-B是全空气变风量系统，年用电水平分别为197和149kWh/m2.a，Z-1为风机盘管加新风的系统，电耗低于10kWh/m2.a，Z-2是全空气（部分区域）变风量系统，Z-3和Z-4为风机盘管加新风部与全空气系统综合，电耗较高，为14～33kWh/m2.a。冷站电耗1029725111440306090120M-AM-BZ-1Z-2Z-3Z-4kWh/m2空调风机与末端电耗kWh/m2.a1971493163314050100150200M-AM-BZ-1Z-2Z-3Z-4图2冷站电耗图3空调风机与末端电耗3.2建筑冷热量消耗表1为建筑年耗冷量的比较。国内办公建筑供冷时间为6月～10月中旬，耗冷量范围为0.07~0.27GJ/m2.a；M-A和M-B全年均存在一定的供冷需求，年耗冷量1.5~1.6GJ/m2.a，相当于国内同类建筑的10倍以上。如仅统计夏季相同时间段的耗冷量，M-A和M-B的耗冷量分别为1.15和0.99GJ/m2.a，供冷季节的冷量消耗仍然远高于国内同类建筑。表2给出建筑年耗热量的比较：Z-1,Z-3和Z-5冬季采暖用热来自市政管网热水或者天然气锅炉，按照国内冬季采暖标准，一般采暖时间为11月15日至次年3月15日，耗热量分布在0.1~0.35GJ/m2.a；M-A和M-B利用蒸汽进行空调末端VAV-box盘管再热、空调箱和通风机的预热和冬季外区辐射板采暖，年耗热指标为1.5~2.2GJ/m2.a，所用热量相当于国内同类建筑的10倍。表1M和Z建筑的年耗冷量M-AM-BZ-1Z-2Z-3Z-4Z-5耗冷量GJ/m2.a1.581.50.070.20.270.120.06表2M和Z建筑的年耗热量GJ/m2.aM-AM-BZ-1Z-3Z-5耗热量2.151.460.110.360.254设备性能对比采用先行的评价体系面三个指标比较冷源系统、输配系统、末端系统等用能子系统的能耗水平及核心设备的运行情况。表3空调系统评价指标指标名称空调系统能效比指标制冷系统能效比全空气系统输送系数理想数值3.54.4――――参考数值2.83.9――――M-A2.24.24.7M-B2.64.26.5Z-12.23.6Z-21.72.64.8Z-32.33.7Z-41.94.2（1）空调系统能效比指空调系统制备的总冷量与空调系统总能耗之比。中美两方建筑该数值大致相同，均低于评价体系的参考数值。（2）制冷系统能效比指空调系统制备的总冷量与制冷系统能耗之比。美方建筑到达理想数值，说明冷站综合效能较高。调研的中国建筑都存在冷机选型过大，冷机的容量约为峰值冷负荷的1.5倍，在过渡季节时冷机仅有30~40%的负载率，冷机cop降低到3。调研的美国建筑用冷量长期居高不下，所有冷机都稳定在高负荷率下运行，因此综合制冷效能较高，如图4所示。在如此高性能的制冷效率下，M-A和M-B的制冷用电比Z高出3～5的原因不是由于冷源形式和冷源效率造成的，而是末端冷负荷需求太大的结果。（3）全空气系统输送系数0%20%40%60%80%100%7月8月9月10月11月12月1月012345671#2#3#4#COP30%40%50%60%70%80%Z水泵M水泵Z风机M风机图4M-A和M-B冷站的综合性能图5中美风机水泵性能测试结果全空气系统输送系数指空调系统制备的总冷量与空调箱风机能耗之比，中美两方建筑数值大致相同。如图5所示，目前国内空调输配设备多采用国外进口设备，电机效率按照90%来考虑，水泵风机叶轮的效率达到80%以上，而实际运行过程中，流量都大于铭牌值，工作扬程小于铭牌值，工作点严重偏移，效率普遍偏低，调研的五栋建筑的水泵效率45～78%。M-A和M-B的水泵同样存在选型偏大的问题，扬程偏高导致偏离高效工况点的问题。国内的公共建筑风机效率为20～50%，M-A和M-B的风机实际运行效率55%～70%，尽管高出国内许多，仍然低于设计工作点效率95%。一般来讲风系统的机外风道阻力为300～600Pa，机组内阻力大约在400～600Pa左右，因此送风机压头最大值为1200Pa，而这M-A和M-B建筑风机的全压设计为2000pa，实际上风道阻力约在1300Pa左右，运行工况点右偏严重，运行效率大大降低。5室内热环境和空调负荷状况国内建筑的室内温度夏季为24～26℃，新风量12～80m3/h.p，峰值冷量为50～65W/m2，新风负荷、人员设备引起的冷负荷和围护结构传热造成的冷负荷三者的大致比例为4:3:3。个别建筑由于排风系统设计不当或人员开窗造成了无组织通风，建筑负荷升高至80W/m2甚至更高，新风负荷升高至60%。冬季尽量减少新风的利用，Z-1甚至不利用新风，基本不进行加湿处理，峰值热量为20～40W/m2，如图6所示。调研的两栋美国建筑室内温度夏季为20～23℃，新风量为90～150m3/h.p。M-A夏季的峰值用冷量达到120~150W/m2，为国内建筑的2.5倍，如图7所示。其中人员和设备为25～35W/m2，围护结构的负荷为5～15W/m2，新风负荷为40～60W/m2。M-A为了精确控制室内温度，提高热舒适性，末端设置再热盘管来调节室内温度，造成了冷热抵消现象的发生。空调系统处理过程中的用热造成的冷负荷达到冷负荷的30%左右，为50W/m2，4月中至10月初比较恒定。中央空调的功能是满足建筑内人员冷热及通风换气次数的需要，应避免采用超过节能标准规定的室内设计温湿度和人员新风量，空气处理过程应避免冷热抵触。新风负荷过大和冷热抵消现象是造成冷热使用量差异的主要因素，也是不合理用能的主要表现。Z建筑的冷负荷(W/m2)人员设备15～20新风负荷20～25围护15～20M-A夏季典型工况负荷拆分W/m204080120160159131721252933374145495357616569末端用热人员＋设备＋围护新风8-28-38-4周末图6国内建筑冷负荷图7美国建筑冷负荷6能耗差异的原因分析能源价格是造成能耗差异的经济基础，从美国能源署（EIA）的公布数据，到2006年底商业用电价格也不足10美分。北京的商业用电价格，不考虑分时电价影响，平均约为1元/度，二者电价的差别达10倍。能源丰富且价格低廉致使他们丧失了节能降耗的积极性。建筑能耗和运行时间成正比关系，经过调查发现，虽然办公时间为早8点至晚5点，但美国建筑一天之内的逐时用电量十分稳定，楼内的照明办公和空调系统24小时运行，是导致其电耗高的一个重要原因。相比之下，国内建筑的夜间和周末则关闭了常规用电设施，非工作时间用电量较小。图8用能差异的原因如图8所示的用电分析流程，图中倍率为建筑M-A与5栋国内建筑用电平均值的比值。非空调电耗的差异只跟装机功率和运行时间有关，运行时间的长短可以完全解释用能现状和差异。中央空调系统冷、热与电互相制约，建筑的不合理用能必然导致冷热源和输配系统电耗的增加，M制冷系统能效比略高于Z，但冷量的巨大需求，致使冷站电耗达到对方的6倍；空气输送系数近似相同，风机、水泵等输送设备的效率差异不大，电耗的10倍差异仍然需要归结到运行时间和室内负荷需求中。7总结美国办公建筑电力消耗是中国同类办公建筑的高出许多，其中非空调电耗存在2～3的差异；空调系统电耗存在10倍的差异，美国办公建筑冷量和热量消耗均为中国同类建筑的10倍左右。评价指标结果来看，中美建筑的冷源制冷效率、空调系统性能和设备效率相差不大，都存在低于设计高效点的问题。美国办公建筑提高了办公标准和室内热舒适环境，增加了空调负荷，其中新风过大和冷热抵消为主要因素。本文指出了业界的一大误区