趙樹興 常平

天津城建大學(xué)能源與安全工程學(xué)院

在整個(gè)社會(huì)能耗中，建筑能耗已占到30%左右，而其中空調(diào)能耗占空調(diào)建筑能耗的60%左右[1]。然而，現(xiàn)有中央空調(diào)系統(tǒng)在間歇運(yùn)行中常因缺乏必要的運(yùn)行策略和管理，致使中央空調(diào)系統(tǒng)沒(méi)有充分利用建筑本體蓄能特性，造成能源浪費(fèi)。因此，研究建筑蓄能特性具有節(jié)能意義。因而，考慮建筑本身蓄能特性對(duì)室內(nèi)溫度的影響及其室內(nèi)的熱舒適性，在商場(chǎng)營(yíng)業(yè)開始和結(jié)束時(shí)刻提前啟/停中央空調(diào)系統(tǒng)，保證上、下班時(shí)商場(chǎng)內(nèi)的室溫達(dá)標(biāo)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)節(jié)能。本文以夏季北京某商場(chǎng)建筑中央空調(diào)系統(tǒng)為例，根據(jù)商場(chǎng)營(yíng)業(yè)時(shí)間，結(jié)合北京市的氣象數(shù)據(jù)和商場(chǎng)建筑結(jié)構(gòu)、內(nèi)部電器能耗及人流情況建立仿真模型來(lái)研究商場(chǎng)建筑中央空調(diào)系統(tǒng)提前啟停時(shí)間和系統(tǒng)能耗，并給出相應(yīng)的節(jié)能運(yùn)行策略。

1 商場(chǎng)建筑中央空調(diào)仿真模擬平臺(tái)構(gòu)建

本文的建筑模型是北京某商場(chǎng)建筑，總建筑面積為1820.9 m2，建筑層高為4.2 m，建筑南向?yàn)椴Ａ粔?，建筑一層包?個(gè)空調(diào)區(qū)和一個(gè)非空調(diào)區(qū)，空調(diào)區(qū)的設(shè)備、燈光、人員負(fù)荷以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)參照《北京公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[2]中商業(yè)建筑的規(guī)定值選取?？照{(diào)正常運(yùn)行時(shí)，室內(nèi)溫度設(shè)定為26～28℃。模擬選用第一層的中央空調(diào)系統(tǒng)（其所控制的區(qū)域面積為332.7 m2）為研究對(duì)象。首先構(gòu)建建筑模塊，在TRNSYS[3]_3D中建立三維模型，導(dǎo)入TRNBulid中，在TRNBuild子程序中輸入圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)、人員[4]、室內(nèi)負(fù)荷、內(nèi)熱源和運(yùn)行時(shí)間表等，最終將TRNBuild生成的文件導(dǎo)入TRNSYS中的Multi-zone模塊，形成建筑模塊。然后構(gòu)建商場(chǎng)建筑中央空調(diào)系統(tǒng)仿真平臺(tái)，其中中央空調(diào)系統(tǒng)主要由冷凍水循環(huán)系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)及風(fēng)系統(tǒng)組成，中央空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備模塊與建筑模塊和氣象參數(shù)模塊等構(gòu)成閉環(huán)反饋系統(tǒng)，所搭建的仿真平臺(tái)如圖1所示。

圖1 商場(chǎng)建筑中央空調(diào)系統(tǒng)仿真平臺(tái)

2 仿真模擬與分析

仿真模擬時(shí)間為夏季空調(diào)的運(yùn)行期，即七月的第一個(gè)時(shí)刻至八月最后一個(gè)時(shí)刻，總共為62天。為便于研究商場(chǎng)建筑中央空調(diào)系統(tǒng)提前啟/停時(shí)間，本文引入了商場(chǎng)營(yíng)業(yè)開始時(shí)刻室溫達(dá)標(biāo)率ψ1和結(jié)束時(shí)刻室溫達(dá)標(biāo)率ψ2，其值分別為商場(chǎng)營(yíng)業(yè)開始時(shí)刻和結(jié)束時(shí)刻室內(nèi)溫度tn≤28 ℃的天數(shù)與空調(diào)期總天數(shù)的比值[5-9]。即：

式中：n1為營(yíng)業(yè)開始時(shí)刻室內(nèi)溫度tn≤28 ℃的天數(shù)；n2為營(yíng)業(yè)結(jié)束時(shí)刻室內(nèi)溫度tn≤28 ℃的天數(shù)；N為空調(diào)運(yùn)行的總天數(shù)為62天。

2.1 提前啟/停必要性探討

本文把商場(chǎng)中央空調(diào)系統(tǒng)不提前啟/停機(jī)方案作為基準(zhǔn)方案，即正常營(yíng)業(yè)時(shí)間（09∶00～21∶00）作為中央空調(diào)系統(tǒng)啟/停時(shí)間。利用仿真平臺(tái)對(duì)基準(zhǔn)方案進(jìn)行仿真模擬，得到基準(zhǔn)方案下開始營(yíng)業(yè)時(shí)刻室溫達(dá)標(biāo)天數(shù)n1與達(dá)標(biāo)率ψ1，詳見表1。

表1 基準(zhǔn)方案開始營(yíng)業(yè)時(shí)刻室溫達(dá)標(biāo)天數(shù)n1和達(dá)標(biāo)率ψ1

從表1可以看出，夏季空調(diào)期內(nèi)采用基準(zhǔn)方案運(yùn)行時(shí)，開機(jī)時(shí)刻（即開始營(yíng)業(yè)時(shí)刻）室內(nèi)溫度的達(dá)標(biāo)率很低，所以有必要提前啟動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)。基準(zhǔn)方案下某幾天的室內(nèi)溫度變化情況如圖2所示。

圖2 基準(zhǔn)方案下室內(nèi)溫度變化

由圖2可以看出，室內(nèi)溫度隨空調(diào)系統(tǒng)啟?？刂菩盘?hào)呈階躍變化。在控制信號(hào)由0→1后，室內(nèi)溫度降低到達(dá)標(biāo)溫度時(shí)存在滯后現(xiàn)象。因此，為使開始營(yíng)業(yè)時(shí)刻室溫能達(dá)到目標(biāo)溫度，需要提前開啟中央空調(diào)系統(tǒng)。同理，在商場(chǎng)結(jié)束營(yíng)業(yè)之前，可以采取提前停機(jī)措施來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

2.2 提前啟/停時(shí)間分析

究竟提前多少時(shí)間開機(jī)和停機(jī)剛好使?fàn)I業(yè)開始和結(jié)束時(shí)刻室溫為28℃，并且在保證室溫達(dá)到目標(biāo)溫度前提下實(shí)現(xiàn)最大限度的節(jié)能？本文針對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行了模擬分析。本文利用仿真平臺(tái)，模擬了基準(zhǔn)方案下室溫變化情況，表2給出了空調(diào)運(yùn)行期中的8月26日開機(jī)后和停機(jī)后一段時(shí)間的室溫變化情況。

表2 某一天開機(jī)和停機(jī)后一段時(shí)間的室溫變化

由表2可知：當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)在營(yíng)業(yè)開始時(shí)刻開機(jī)時(shí)房間溫度為 30.68 ℃，經(jīng)過(guò)18分鐘室溫降低到28.15 ℃（接近28 ℃）；當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)在營(yíng)業(yè)結(jié)束時(shí)刻停機(jī)時(shí)室溫為25.51 ℃，經(jīng)過(guò)24分鐘室溫才升高到27.89 ℃（接近 28 ℃）。

進(jìn)一步分析其他天數(shù)的模擬結(jié)果表明：在整個(gè)空調(diào)期內(nèi)，開機(jī)后能使室溫達(dá)標(biāo)所需要的最長(zhǎng)時(shí)間約為18分鐘；停機(jī)后室溫回升到28度所需要的最長(zhǎng)時(shí)間約為60分鐘。所以，本文預(yù)設(shè)最大提前開機(jī)時(shí)間為18分鐘，最大提前停機(jī)時(shí)間為60分鐘，并以此來(lái)劃分提前啟/停運(yùn)行方案和開展相關(guān)模擬研究分析。

2.3 提前啟/停方案探討

2.3.1 提前開機(jī)運(yùn)行方案

考慮模擬時(shí)間步長(zhǎng)和最大預(yù)設(shè)提前開機(jī)時(shí)間，本文擬定了四種提前開機(jī)運(yùn)行方案，詳見表3。

表3 四種提前開機(jī)運(yùn)行方案

利用仿真平臺(tái)，對(duì)上述四種提前開機(jī)運(yùn)行方案在營(yíng)業(yè)開始時(shí)刻室溫達(dá)標(biāo)天數(shù)n1、達(dá)標(biāo)率ψ1進(jìn)行了模擬分析，結(jié)果見表4。

表4 四種提前開機(jī)運(yùn)行方案的n1、ψ1值

由表4可知：對(duì)于模擬建筑，當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)在營(yíng)業(yè)開始時(shí)刻（9∶00）開機(jī)，只有11天室溫達(dá)標(biāo)；隨著提前啟動(dòng)的時(shí)間τ1增加，室溫達(dá)標(biāo)天數(shù)n1和達(dá)標(biāo)率ψ1都隨之增大；當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)提前18分鐘開機(jī)時(shí)，在營(yíng)業(yè)開始時(shí)刻，室溫能全部達(dá)標(biāo)（≤28℃）。

對(duì)模擬數(shù)據(jù)做進(jìn)一步分析表明：影響提前開機(jī)時(shí)間的主要因素是開機(jī)時(shí)刻的室內(nèi)溫度，并且對(duì)應(yīng)某一提前開機(jī)時(shí)間存在一個(gè)開機(jī)時(shí)刻允許最高室溫tn.max，也就是能使?fàn)I業(yè)開始時(shí)刻室溫剛好達(dá)標(biāo)的提前開機(jī)時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的最高室溫。四種提前開機(jī)運(yùn)行方案的開機(jī)時(shí)刻允許最高室溫tn.max，見表5。

表5 四種提前開機(jī)運(yùn)行方案的開機(jī)時(shí)刻允許最高室溫tn.max

由表5可以看到：提前開機(jī)時(shí)間隨著開機(jī)時(shí)刻允許最高室溫tn.max升高而增加，兩者近似呈線性關(guān)系，見圖3。

圖3 提前開機(jī)時(shí)間τ1與開機(jī)時(shí)刻允許最高室溫tn.max的關(guān)系

2.3.2 提前停機(jī)運(yùn)行方案

提前停機(jī)運(yùn)行方案的起始時(shí)間設(shè)定為8∶42，以能保證在營(yíng)業(yè)開始時(shí)刻室內(nèi)溫度均能達(dá)標(biāo)?？紤]模擬時(shí)間步長(zhǎng)和最大預(yù)設(shè)提前停機(jī)時(shí)間，本文擬定了十一種停機(jī)運(yùn)行方案，詳見表6。

利用仿真平臺(tái)，對(duì)上述十一種提前停機(jī)運(yùn)行方案的室溫達(dá)標(biāo)天數(shù)n2、達(dá)標(biāo)率ψ2進(jìn)行了模擬分析，結(jié)果見表7。

表6 十一種停機(jī)運(yùn)行方案

表7 提前停機(jī)運(yùn)行方案的n2、ψ2值

由表7可知：對(duì)于模擬建筑，當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)提前6分鐘停機(jī)，整個(gè)空調(diào)期內(nèi)營(yíng)業(yè)結(jié)束時(shí)刻室溫均能達(dá)標(biāo)（≤28℃）；隨著提前停機(jī)時(shí)間的增加，營(yíng)業(yè)結(jié)束時(shí)刻室溫達(dá)標(biāo)天數(shù)n2和達(dá)標(biāo)率ψ2均隨之減小；提前60分鐘停機(jī)時(shí)，只有1天室內(nèi)溫度能達(dá)標(biāo)，達(dá)標(biāo)率僅為1.6%。

對(duì)模擬數(shù)據(jù)做進(jìn)一步分析表明：影響提前停機(jī)時(shí)間的主要因素是停機(jī)時(shí)刻的室外溫度，并且對(duì)應(yīng)某一提前停機(jī)時(shí)間存在一個(gè)停機(jī)時(shí)刻允許最低室外溫度Tout.min也就是能使?fàn)I業(yè)結(jié)束時(shí)刻室溫剛好達(dá)標(biāo)的提前停機(jī)時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的最低室外溫度。十一種提前停機(jī)運(yùn)行方案的停機(jī)時(shí)刻允許最低室外溫度Tout.min，見表8。

表8 十一種提前停機(jī)運(yùn)行方案的停機(jī)時(shí)刻允許室外溫度Tout.min

由表8可以看到：提前停機(jī)時(shí)間隨著停機(jī)時(shí)刻允許最低室外溫度Tout.min增加而降低，兩者近似呈線性關(guān)系，見線圖4。

最低室外溫度Tout.min的關(guān)系

2.4 提前開停機(jī)節(jié)能性分析

2.4.1 提前開機(jī)節(jié)能性分析

利用所搭建的仿真平臺(tái)通過(guò)調(diào)節(jié)提前開機(jī)時(shí)間，對(duì)四種提前開機(jī)運(yùn)行方案的系統(tǒng)能耗進(jìn)行了模擬分析，模擬結(jié)果見表9。

表9 四種提前開機(jī)方案的總能耗

從表9可知，四種提前開機(jī)方案的總能耗隨著提前開機(jī)時(shí)間的增加而增加，當(dāng)按方案A3運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)總能耗最大。

由前面的表5可知，在整個(gè)空調(diào)運(yùn)行期內(nèi)，不是每天都需要提前18分鐘啟動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)，若在運(yùn)行期62天內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)采用組合提前開機(jī)運(yùn)行方案，即按方案A0至A3分別運(yùn)行11天、21天、27天和3天，則組合運(yùn)行方案能耗測(cè)算結(jié)果見表10。

表10 按組合提前開機(jī)運(yùn)行方案的總能耗測(cè)算

表10表明，在運(yùn)行期62天內(nèi)，按上述四種運(yùn)行方案組合運(yùn)行要比單純按方案A3（均提前18分鐘）運(yùn)行節(jié)能4.39%。在模擬中，由于時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為6分鐘，因此，上述運(yùn)行方案提前開機(jī)時(shí)間的間隔均是6分鐘。在實(shí)際運(yùn)行中，如果每天都按實(shí)際情況適時(shí)確定合理的提前開機(jī)時(shí)間，其節(jié)能效果會(huì)更好。

2.4.2 提前停機(jī)節(jié)能性分析

利用所搭建的仿真平臺(tái)，通過(guò)調(diào)節(jié)提前停機(jī)時(shí)間對(duì)十一種提前停機(jī)運(yùn)行方案的系統(tǒng)總能耗進(jìn)行了模擬研究，其模擬結(jié)果見表11。

表11 十一種提前停機(jī)運(yùn)行方案總能耗

由表11可知，隨著提前停機(jī)時(shí)間的增加，系統(tǒng)總能耗呈遞減趨勢(shì)。當(dāng)提前60分鐘停機(jī)時(shí)，空調(diào)系統(tǒng)能耗最低。

由前面表6可知，在空調(diào)運(yùn)行期內(nèi)，不是每天都能提前60分鐘停機(jī)運(yùn)行，若在運(yùn)行期62天內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)采取組合提前停機(jī)運(yùn)行方案，即按方案B1至B10分別運(yùn)行 1天、8天、10天、21天、9天、7天、3天、1天、1天和1天，則其組合運(yùn)行方案的能耗測(cè)算結(jié)果見表12。

表12 按組合提前停機(jī)運(yùn)行方案的總能耗測(cè)算

表12表明，在運(yùn)行期62天內(nèi)，系統(tǒng)按上述組合提前停機(jī)運(yùn)行方案比不提前停機(jī)運(yùn)行方案（方案B0）要節(jié)能3.67%左右。在模擬中，由于時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為6分鐘，因此，上述運(yùn)行方案提前停機(jī)時(shí)間的間隔均為6分鐘。在實(shí)際運(yùn)行中，如果每天都按實(shí)際情況適時(shí)確定合理的提前開機(jī)時(shí)間，其節(jié)能效果會(huì)更好。

3 結(jié)論

1）對(duì)于商場(chǎng)建筑中央空調(diào)系統(tǒng)，合理確定提前啟/停機(jī)時(shí)間，能在保證營(yíng)業(yè)時(shí)間室溫達(dá)標(biāo)的前提下實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

2）提前開機(jī)時(shí)間主要取決于室內(nèi)溫度，并隨開機(jī)時(shí)刻的室內(nèi)溫度的升高而增加，對(duì)應(yīng)于某一提前開機(jī)時(shí)間存在一個(gè)提前開機(jī)時(shí)刻允許最高室內(nèi)溫度，兩者之間近似呈線性變化關(guān)系。

3）提前停機(jī)時(shí)間主要取決于室外溫度，并隨停機(jī)時(shí)刻的室外溫度的升高而減小，對(duì)應(yīng)于某一提前停機(jī)時(shí)間存在一個(gè)提前停機(jī)時(shí)刻允許最低室外溫度，兩者之間近似呈線性變化關(guān)系。

4）就具體的商場(chǎng)建筑中央空調(diào)系統(tǒng)而言，由于每個(gè)建筑的蓄熱特性不同，其提前啟/停時(shí)間隨室內(nèi)溫度和室外溫度的變化規(guī)律也有所不同。對(duì)于具體的空調(diào)系統(tǒng)可根據(jù)運(yùn)行期內(nèi)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)或人工逐時(shí)記錄的室內(nèi)外溫度獲得具體提前啟/停時(shí)間與室內(nèi)溫度和室外溫度的變化規(guī)律，進(jìn)而利用此變化規(guī)律快速預(yù)測(cè)提前啟/停時(shí)間，指導(dǎo)實(shí)際運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。