室內(nèi)熱環(huán)境與能耗優(yōu)化分析

室內(nèi)熱環(huán)境與能耗優(yōu)化分析

0運(yùn)行信息的透明化目前，所有公共車輛都在追求舒適度和節(jié)能，這主要體現(xiàn)在建筑物的獲取、處理和計(jì)算上。換句話說，在人們使用建筑物時，“數(shù)據(jù)對稱”的問題上。由于運(yùn)行模式的多樣化，實(shí)際運(yùn)行參數(shù)與設(shè)計(jì)、經(jīng)驗(yàn)預(yù)期不符的現(xiàn)象非常普遍，航站樓室溫、新風(fēng)供給實(shí)際表現(xiàn)偏離設(shè)計(jì)值等情況較為突出。有研究顯示，某航站樓實(shí)際新風(fēng)需求僅為設(shè)計(jì)值的61%建筑運(yùn)行還會受到內(nèi)外部多種因素的影響而處在非正常工況，存在多變性與偶然性。機(jī)場航站樓的運(yùn)行是一個高度動態(tài)的過程，旅客與航站樓之間的相互作用過程難以控制和預(yù)測，行為有時甚至與預(yù)期相反然而傳統(tǒng)航站樓的設(shè)計(jì)又缺乏完善的旅客、環(huán)境和能耗信息采集手段。使用者行為、需求和反饋未能及時反饋給運(yùn)營人員，環(huán)境品質(zhì)和舒適度無法得到及時改善，導(dǎo)致雖然以高能耗為代價卻仍難以實(shí)現(xiàn)較好的室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量和旅客滿意度。建筑運(yùn)行信息的透明化成為未來發(fā)展的熱門趨勢之一。隨著大數(shù)據(jù)時代的到來，實(shí)時獲取建筑運(yùn)行參數(shù)，采用大數(shù)據(jù)挖掘方法分析，使得大規(guī)模人員舒適感知及行為信息得到并用于能源決策成為可能。如何將建筑性能大數(shù)據(jù)中提取的信息用來驅(qū)動實(shí)現(xiàn)能源的供求匹配，是本研究所關(guān)注的關(guān)鍵點(diǎn)之一，這個領(lǐng)域已有部分研究。Congradac等人采用了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法得到冷凍水最優(yōu)供水溫度具體到航站樓這一研究對象上，有學(xué)者提出的混合模型預(yù)測控制(HMPC)方案，在阿德萊德機(jī)場T1航站樓的登機(jī)大廳具有相當(dāng)好的模擬及實(shí)測性能本文以航站樓為研究對象，以國內(nèi)某航站樓能源監(jiān)測系統(tǒng)導(dǎo)出的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對該航站樓能耗情況和用能效率進(jìn)行評價。并結(jié)合該航站樓航班上座率、基于CO1航站樓空調(diào)系統(tǒng)整體用能現(xiàn)狀分析本文技術(shù)路線如圖1所示，采集航站樓能源監(jiān)測系統(tǒng)的自動記錄數(shù)據(jù)，并通過現(xiàn)場調(diào)研完成航站樓使用現(xiàn)狀的調(diào)研。基于以上采集數(shù)據(jù)，對航站樓空調(diào)系統(tǒng)的整體用能情況進(jìn)行評估，并對人員使用情況進(jìn)行分析。在此基礎(chǔ)上，分析航站樓空調(diào)系統(tǒng)的供需關(guān)系，挖掘其供需關(guān)系中不合理的部分，從而為后期通過調(diào)整供需關(guān)系實(shí)現(xiàn)航站樓節(jié)能的目的提供依據(jù)。1.1能耗監(jiān)測系統(tǒng)測量本研究所針對的航站樓數(shù)據(jù)采集主要通過對能源監(jiān)測系統(tǒng)的自記數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)出方式完成，由于能源監(jiān)測系統(tǒng)自記較完備，不再另行布置能耗系統(tǒng)測量儀器。人員使用情況調(diào)研主要通過走訪航站樓內(nèi)各個區(qū)域的現(xiàn)場情況進(jìn)行，需觀察各區(qū)域旅客使用流線、使用時間等情況，從而發(fā)現(xiàn)目前航站樓使用中可能存在的不合理之處。1.2辦公樓系統(tǒng)的能耗分析1.2.1航站樓冷熱源利用現(xiàn)狀評價基于已經(jīng)采集到的能源監(jiān)測系統(tǒng)自記數(shù)據(jù)，進(jìn)行初步處理后，統(tǒng)計(jì)航站樓總能耗、分項(xiàng)能耗等數(shù)據(jù)，進(jìn)而計(jì)算航站樓冷熱源及系統(tǒng)熱效率，從而對航站樓的能源利用現(xiàn)狀進(jìn)行總體評價。1.2.2民用建筑人員的使用需求評估1.2.2.旅客待登機(jī)時定位取2018年夏秋航季的所有國際航班的滿載旅客量與實(shí)際上客量進(jìn)行分析，得到的上座率如圖2所示。結(jié)果顯示，所有航班的平均上座率均超過了70%。據(jù)此推測，對于每個國際航班，相應(yīng)登機(jī)口開放前的候機(jī)座位區(qū)都會出現(xiàn)較擁擠的旅客等待情況，即候機(jī)過程有一個較明顯的旅客量峰值，以該值為關(guān)鍵參數(shù)，可對每個航班建立以時間為變量的旅客量模型。收集A樓所在機(jī)場(含A樓所在的航站樓1#及2#)270d共107588個航班的信息，可分析候機(jī)廳的空間利用率。1.2.2.有氣場點(diǎn)空間控制理編寫程序代碼識別航站樓全年的CO對于航站樓這類高大空間建筑，在測試時將整個空間分為多個典型區(qū)域，在每個區(qū)域內(nèi)布置測點(diǎn)進(jìn)行CO將所研究的航站樓室內(nèi)空間視為一個控制體，CO(1)式中：為室內(nèi)CO為單位時間室內(nèi)外換氣量，m為室外CO為單位時間室內(nèi)CO式(1)的積分式如式(2)所示：(2)式中：CR/V為換氣次數(shù)，若室內(nèi)無(3)(4)若室內(nèi)CO(5)1.2.2.人體單位v、ft若建筑門窗等開口較固定或不可調(diào)，可認(rèn)為室內(nèi)外換氣情況較穩(wěn)定，可視換氣次數(shù)R/V為常量，由式(2)可反推室內(nèi)(6)齊美薇等人給出了人體(7)式中：VM為單位人體表面積新陳代謝率，RQ為呼吸商，是呼吸作用釋放的A從式(7)可見，人體單位時間(8)由換氣次數(shù)(9)1.3．護(hù)結(jié)構(gòu)得熱在供冷季，航站樓的系統(tǒng)冷負(fù)荷組成為：①室內(nèi)人員得熱(含潛熱);②室內(nèi)外換氣得熱；③照明插座得熱；④空調(diào)箱風(fēng)機(jī)得熱；⑤太陽輻射得熱；⑥圍護(hù)結(jié)構(gòu)得熱。在供熱季，熱負(fù)荷僅為②室內(nèi)外換氣熱損、⑥圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱損兩項(xiàng)，其余均為對供熱有利的產(chǎn)熱項(xiàng)。上述①②兩項(xiàng)涉及的換氣次數(shù)、室內(nèi)人員數(shù)分別通過CO基于以上負(fù)荷拆分，可將各設(shè)備需求的設(shè)計(jì)值與實(shí)際值進(jìn)行對比，可見二者所存在的差異，從而實(shí)現(xiàn)對設(shè)備運(yùn)行情況的綜合判斷。并且，結(jié)合前述所做的人員使用需求評估，評價航站樓空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)值是否與人員需求相一致，綜合如上結(jié)果得到航站樓整體供需關(guān)系評價。2研究結(jié)果2.1數(shù)據(jù)收集和現(xiàn)場研究2.1.1全樓建筑評估本文所研究的航站樓處在我國夏熱冬冷地區(qū)，全樓建筑外觀如圖3所示，總建筑面積13.2萬m本文取A樓的旅客到達(dá)層和旅客出發(fā)層作為分析對象，其建筑面積共6.1萬m2.1.2空間間誤操作基于航班運(yùn)行的間歇性特點(diǎn)，候機(jī)廳存在局部無人候機(jī)的空閑時段。現(xiàn)場調(diào)研使用情況如圖4所示，可見，一天中，每個登機(jī)口要負(fù)責(zé)若干航班的旅客接納，兩航班之間的間隔不定，在這段時間內(nèi)，上一航班旅客已登機(jī)，下一航班旅客尚未到來，這些“未被識別”的空閑時間段的存在，一定程度上造成了空間使用效率的低下和空調(diào)照明設(shè)備能源的浪費(fèi)。航站樓設(shè)計(jì)余量過高，實(shí)際使用率遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值。2.2辦公樓系統(tǒng)的能耗分析2.2.1鍋爐供熱能耗航站樓2018年和2019年總電耗如圖5所示，A樓及其能源中心電耗拆分如圖6所示。根據(jù)航站樓的能耗監(jiān)測系統(tǒng)，2018年和2019年A樓內(nèi)總電耗分別為1251萬kW·h和1196萬kW·h,能源中心電耗分別為349萬kW·h和290萬kW·h,供暖燃?xì)夂姆謩e為40.5萬NmA樓實(shí)際供冷量及冷機(jī)COP見圖7,實(shí)際供熱量與鍋爐效率見圖8。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，每個供冷季、供熱季冷熱耗量分別為4400～6200MWh、2500～2800MWh。如圖7、8所示，A樓夏季日供冷量、冬季日供熱量分別在60～120MWh、50～70MWh;冷機(jī)COP在3～5之間，鍋爐效率在0.8～0.9之間。2.2.2分析公交車空調(diào)系統(tǒng)的需求關(guān)系2.2.2.模式分析和制定統(tǒng)一的登機(jī)口開發(fā)由于不受停機(jī)位影響，遠(yuǎn)機(jī)位登機(jī)口接待航班量可達(dá)廊橋登機(jī)口的2～3倍。對于廊橋登機(jī)口，假設(shè)每個航班第1個候機(jī)旅客提前80min到達(dá)對應(yīng)登機(jī)口等待，登機(jī)口開放20min后旅客全部離開等待區(qū)域，剩余時間為空閑時間(不考慮延誤情況),則空調(diào)時間共19h中(5:00-24:00),航站樓1#、2#日航班分別為4個、6個，每個登機(jī)口無人候機(jī)時長為12h、9h,空閑時間比例分別為65%、45%(如圖9所示),存在很大的精細(xì)化管理空間。2.2.2.冬季交通中心滲風(fēng)情況以國際候機(jī)區(qū)為例，對所有符合條件的時段篩選后，全年換氣次數(shù)的計(jì)算結(jié)果如圖10所示。可見換氣次數(shù)隨季節(jié)變化稍有不同。過渡季由于通過AHU供給新風(fēng)進(jìn)行免費(fèi)供冷，平均換氣次數(shù)達(dá)到了0.55h一般來說，滲風(fēng)在冬季比其他季節(jié)更嚴(yán)重。統(tǒng)計(jì)各區(qū)域在冬季的計(jì)算結(jié)果，匯總?cè)绫?所示?？梢姶箝T常開(行李提取、國際到達(dá))并與交通中心相連(迎客)的到達(dá)層有更大的換氣量。全樓公共區(qū)域總體積約20.8萬m2.2.2.旅客密度分析與大部分的航站樓相似，航站樓A樓的公共區(qū)分為到達(dá)與出發(fā)兩個區(qū)域。1層作為到達(dá)層使用，2層作為出發(fā)層使用，1～2層平面分布及旅客流線分別如圖11、12所示。通過式(8)計(jì)算出的旅客密度值，取各典型周旅客密度最大值如圖13所示，可見實(shí)際密度僅為設(shè)計(jì)密度的23%～66%。除了遠(yuǎn)機(jī)位候機(jī)區(qū)外，航站樓所有區(qū)域的實(shí)際旅客密度遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值(如表2所示),這與各區(qū)CO2.3負(fù)荷需求拆分DesignBuilder中所建立的航站樓模型如圖14所示。將6項(xiàng)負(fù)荷相加得到總負(fù)荷，2018年和2019年的供冷供熱季中日負(fù)荷的均方根誤差與年負(fù)荷的相對誤差分別為2018年冬季：8MWh,-27%;2019年冬季：10MWh,-22%;2018年夏季：9MWh,7%;2019年夏季：11MWh,12%。冬季計(jì)算值偏低，夏季計(jì)算值偏高。兩者在趨勢上相近，負(fù)荷需求拆分結(jié)果有參考意義。2018年夏季逐日、逐時冷負(fù)荷項(xiàng)拆分如圖15、16所示。對實(shí)際負(fù)荷拆分之后，可對比各項(xiàng)需求和設(shè)計(jì)值的差異。以國際候機(jī)區(qū)為例，國際候機(jī)區(qū)所有AHU額定制冷量為1728kW,實(shí)際值區(qū)間在[400,500];風(fēng)機(jī)功率為120kW,實(shí)際功率區(qū)間在[52,67];風(fēng)機(jī)額定工作頻率為50Hz,實(shí)際頻率約為40Hz;設(shè)計(jì)總風(fēng)量為22.0萬m3航站樓空調(diào)系統(tǒng)能效本文對夏熱冬冷地區(qū)某航站樓的能源中心自動監(jiān)測系統(tǒng)記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行了導(dǎo)出，并對航站樓內(nèi)旅客實(shí)際使用情況進(jìn)行了現(xiàn)場調(diào)研。基于導(dǎo)出的能源數(shù)據(jù)對航站樓的整體能源利用效率進(jìn)行了評價；并根據(jù)航班信息和采集的CO(1)通過現(xiàn)場調(diào)研情況可見，航站樓候機(jī)廳內(nèi)空閑座位較多，候機(jī)廳使用率遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值，造成了航站樓能耗的浪費(fèi)。(2)航站樓能耗組成上，空調(diào)末端能耗高于整個能源中心能耗，通過末端調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)節(jié)能的可行性較高，潛力較大。能源中心的能耗中，冷水機(jī)組占比最高，達(dá)70%,冷卻系統(tǒng)和輸配系統(tǒng)占比均衡且都