国外智能建筑节能综述

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1、国外智能建筑节能综述国外智能建筑节能综述上海大学上海大学 赵哲身赵哲身上海第二建筑工程公司上海第二建筑工程公司 张泽鹏张泽鹏随着国民经济的高速发展，近年来国内建造了大量的高层建筑。仅上海一 地，已竣工及在建的高层建筑已达 3000 幢，其中极大部分为商用办公楼，拥有 智能化设施。作为未来高速信息公路网一个节点智能建筑已经并将发挥重大的 作用。但是另一方面，需要高度重视的是，高层建筑能耗及维护费用巨大，是 一个大的资源消耗黑洞。据国外统计（注一），一幢一万五千平方米的建筑年 耗电费用达 78.5 万美元（采取节能措施前），即 12 年内的能耗将等于整幢大 楼的全部投资（900 万美元），包括土建

2、结构、设备管道和防火装置。20 世纪是一个能源匮乏的时代，研究高层建筑的节能具有重大的战略意义， 而智能建筑作为高层建筑节能的监测工具、研究平台和实施手段，其与节能的 关系形成了一个重大的研究课题。早在七十年代初国外已将能量保护准则置于建筑设计和材料设计标准的首 位，致力于减小太阳负荷造成的能耗影响，并已投入对建筑物热动力学的研究。 本文不准备涉及这方面内容，仅对 90 年代国外关于智能建筑节能问题的讨论， 就标准热舒适概念、智能建筑能耗监控、能耗计算公式、冷冻设备规模及运行 方式的改进以及照明系统等与节能有重大关系问题加以综述，介绍给读者，以 引起高度重视。一、 高层建筑耗能概况随着高层建筑

3、数目的增加，城市用电也因此激剧增张。香港综合技术大学 的 John Burnet 曾对 33 幢高层商业建筑的调查结果作了统计（注 2）。数据表 明，空调系统耗电占平均耗电的 60%，其下限为 50%，上限不高于 70%。高层旅 馆相应比例较低。对 20 幢旅馆调查表明，HVAC（热、通风和空调控制）耗能占 总量 44%。照明在商业建筑总耗电中占比例 23%55%，平均 26%；对应旅店照明 占总值的 29%；电梯耗电在商业建筑耗能总值中占 8%，旅店则占总耗电的 10%。图一给出了商用建筑能耗分配图。图一 b 显示了 1991 年 1 月10 月 33 幢 商业建筑各类设备能量使用曲线。Da

4、nny S.Parker 曾在“弗洛里达湿热气候条件下办公楼的能效设计“一文中 指出，对办公楼的年冷负荷仿真表明，用于 HVAC 能耗中，30%用于降低由照明 引起的发热；20%用于吸收太阳光经窗户射入的热量；15%用于降低来自屋顶渗 入的热量；13%用于吸收建筑物内部设备散发的热量。上述统计数据对于我们确定节能投资的主要方向有着重要的意义。二、 热舒适度概念及建筑物通风国际标准和节能热舒适度概念及建筑物通风国际标准的正确制订与节能有直接的关系，制 订符合中国气候和人群的热舒适标准意味着巨大的节能潜力。1. 关于热舒适国际室内温度标准 ISO7730 和 ASHRAE 55-1981 并没有考

5、虑气候的变异。英 国牛津大学建筑学院的 Nicol Fergus 在巴基斯坦曾作了一项非常有意思的调 查（注 3），目标是确定符合该国的热舒适标准。调查内容包含下述诸项感 觉舒适的温度，皮肤潮湿程度。室内平均温度，室外平均温度。被试人室 内穿衣情况和活动程度。得出的初步结论是在巴基斯坦冬夏二季人感觉舒适 的温度相差 7。室内风速可局部代替制冷效果。夏天风速 0.22m/s，冬天风 速 0.05m/s，等效于温度变化 12。人在夏天对风速的反应比对热的反应 敏感。推导出夏冬二季温度回归公式为 Tc=17.0+0.38T0 其中 Tc 为舒适温度， T0 是平均室外温度。按此公式计算出舒适温度比现

6、行标准高 4，这意味着如 执行新的舒适度可大幅度降低能耗。在巴基斯坦的伊斯兰堡和卡拉奇执行上述标准，结果总的冷负荷分别减小 了 23%和 20%，其中传导负荷 Ec 分别下降了 48%和 38%，潜在热负荷分别下降了 12%。2. 关于预测平均表决 PMV（predict mean vote）自 1923 年 Houghton 和 Yaglon 提出热舒适指数由温度和相对湿度组合产 生的概念之后，由 ASHRAE 发展为舒适区概念，并在近年来被广泛接受作为 HVAC 工程设计依据。1972 年 Fanger 氏革命性地提出的 PMV 指数，其计算考虑 了室内空气速度 Vi，幅射温度 Trad，

7、居住者活动强度，着装多少（Ic1），以 及温度 Ti 和相对湿度 Rhi，公式如下：其中 M 为变化率（Kcal/hr）Adu 为身体裸露部分表面积fu 为人穿衣部分表面积与裸露部分面积之比hc 为对流热传递系数（Kcal/hrm2） 为外部机械效率Ta 空气温度（）Tc1 人穿衣体表外部平均温度（）Tmrt 平均幅射温度（）Pa 周围大气压（mmHg）Vi 室内空气流速其中 Icl 为衣服的热阻当 PMV=0 时表示热舒适保持不变，PMV 为+1，+2，+3 时分别表示微热、热、 炎热；PMV=-1，-2，-3 时则表示微凉、凉、冷。PMV 指数的提出为 HVAC 设计打开了新的视野。由于室

8、内空气流速 Vi 能象 Ti，RHi 一样影响 PMV 值，表示通风可以和冷却一样获得同等效果的热舒适， 从而揭示了节能途径。Yang,K.H 曾公布了风速对热舒适指数影响试验结果，8 次试验时室内温湿 度几乎保持相同，试验者位于近窗侧，有时晒到太阳，有时处于阴影中，这时 PMV 值有较大不同。如将室内风速从 0 提高到 0.72m/s，则 PMV 值大幅度下降， 数据如下：测点TiRHi%Vi(m/s)PMV人的感觉Vi(m/s)PMV人 的 感 觉126.65701.71热0.72-0.04舒 适226.06001.52暖0.72-0.46舒 适326.75802.07热0.720.38舒

9、 适426.05701.95热0.72-0.03舒 适526.25500.94暖0.72-0.13舒 适 626.55801.03暖0.72-0.76凉 726.05700.93暖0.72-1.07凉826.85701.16暖0.72-0.49舒 适结论是风扇提速到 0.72m/s 化费功耗较小，却能使 PMV 指数令人满意地下 降。3. 有关国际建筑物通风标准国外现行建筑物通风标准有美国标准工程委员会（SSPC62）制订的 ASHRAE Standard 62R（1996）、欧洲标准化组织 CEN 制订的“建筑物通风标准 PRENN1752“、“建筑物通风：室内环境设计标准 CEN1996“

10、、英国设计环境标准 CIBSE1993、德国标准化组织制订的“通风和空调的健康技术要求“DIN1994 等。ASHRAE 62-1989R 内容主要是定义通风，电源管理及保证室内空气质量 的标准规定确定最小通风率的方法针对不同室内空间确定通风系统的设计、 运行和维护需求列出了最小通风量和最小供气量的设计公式：单位空间通风率设计值 DVR=RPPDD+RbAb其中 Rp：每人用室外空气量（L/S .人）PD：每平方米设计人数D：居住者转换因子Rb：每平方面积平均需求的室外空气（L/S.m2）Ab：面积（m2）表二列出了 PRENV1752（96），DIN1946（94），ASHRAE62（96

11、修订版）北 欧标准 NKB-61（91）和 CIBSE-A（93 修订版）对最小风量的规定。比较表一数 据，ASHRAE62-1989R 规定的最小通风量低于其它标准，该标准考虑了人的适应 能力，而其它标准未作此考虑。房型 标准 等级 人均 Rp 建筑物最低污染 RB 污染上限 相关面积 Rsb(L/s.m2)单一办公室 PRENV1752(96) A 10 1.0 2.0 B 7 0.7 1.4 C 4 0.4 0.8 DIN1946(94) 11 1.11ASHRAE62(96) 3.0 0.35 0.66ASHRAE62-89 10 NKB-61(91) 3.5 0.7CIBSE-A(W

12、V93) 8 豪华办公室 PVENV1752 A 10 1.0 2.0 B 7 0.7 1.4 C 4 0.4 0.8 DIN1946 16.6 1.67ASHRAE62(REV96) 3.0 0.35 0.65ASHRAE62-89 10 NKB-61(91) 3.5 0.7CIBSE-A(REV93) 8 资料室 PRENN1752 A 10 1.0 2.0 B 7 0.7 1.4 C 4 0.4 0.8 DIN1946(94) 5.6 2.7-5.6ASHRAE62(vrv96) 2.5 0.35 1.6Ashrae62-89 10 Nkb-61(91) 3.5 0.7Cibse-a(V

13、EV93) 8 普通教室 PRENV1752 A 10 1.0 2.0 B 7 0.7 1.4 C 4 0.4 0.8 DIN1946 8.3 4.2ASHRAE62(VEV96) 3.0 0.55 1.8ASHRAE62-89 8 NKB-61(91) 3.5 0.7CIBSE-GuideA(rvev93)8 三、 智能建筑的能量使用监控及计算公式智能建筑特别是 BAS（ 楼宇自动化）与研究高层建筑节能有极为密切的关 系，检测建筑物各项能耗的各类传感器和仪表是 BAS 的组成部分之一，建立能 量使用数据库是研究节能的基础，是 BAS 核心软件的组成部分，集散控制系统 是完成 BAS 各子系统

14、控制功能的手段，更是实施节能的媒介。特别地，由于高 层建筑热动力学参数模型本质上是分布参数系统，现代控制理论在高层建筑建 模及应用中还有待发展和完善，今后一定会创造出日益明显的经济效益。“香港大型空调建筑中心能量使用“一文提出良好的管理可减小高层建筑能 耗 10%，通过优化设备的运行另可节能 10%，而这二者都可由 BAS 的软件来实施。 国外在建筑物能量使用建模方面作了很多工作，早在 1987 年 Moyer 和 Dungan 对通风橱及有关供气系统的能量使用作了审计。1989 年 Lentz 和 Seth 用统计 方法建立了通风橱数学模型。De Almeida 1994 年指出（注 4）智

15、能建筑能耗监 测系统应能预测负荷并规划能量的使用。一般采用四种方法的组合：建立工 程模型。建立统计模型。建立混合模型。仪表化方法。智能建筑能耗监测系统应有下述功能： 按时间精确运行负荷分布图。 至少有 36 天记录过去数据的能力，在电源故障时至少能保护十天以上 的数据。 对采集的大量数据能作出分析，以优化能耗。 当气候等因素对热负荷产生干扰时，应能及时作出调整。 数据采集间隔在 15 分钟左右。 系统对功率、温度、湿度等测量精度有一定的要求。对恒定负荷或工作 周期固定负荷只需短时间监测即能满足要求，以节省费用。 具有灵活接受数据手段，如电力线载波，光学传输，串行口电话线通讯 等。 具有抗入侵能

16、力。 采用工程算法和统计算法能将整幢建筑物数据分解给每个用户。 除完成现场数据采集外，还能进行价目管理，负荷预测及规划，负荷控 制、监视供电质量，计算最大值，最小值任务，并能向用户提供信息。Clark.G 在“集成楼宇管理系统中的人工智能和联网“（注 5）一文中提出在 中央建筑管理系统中建立一个人工智能知识库，可对能量使用问题进行诊断， 提出最优解。用人工智能技术强化对 HVAC 系统的控制，为居住者提供热舒适， 并在居住人数预测基础上有效地降低运行价格。专家系统同时进行负荷控制和 负荷平衡。根据每天各个时间段的使用区域，居住者流动情况，真实的环境条 件确立控制策略。用智能技术监控并优化能量使用涉及大量公式。K.A.Baker 在“用建筑集成 自动化系统确定实验室能耗方法“一文中指出：建筑物能耗涉及 31 个公式。公 式 115 出自基本能量守恒定律、湿度定理，其余为不同设施的能耗公式，式 17、18 热回收盘管方程。本文列出主要公式 118：1. 公式 14：关于流动能量每小时损耗率公式 2.