合同能源管理模式下图书馆空调节能性分析

刘英博 刘泽华 张舒涵 底 彬 朱鹏飞

南华大学土木工程学院

0 引言

合同能源管理（EMC）自上世纪90 年代引入我国以来发展迅速，截至2020 年底，我国从事节能服务的企业数量超7 000 家[1］。该模式也从原来仅限于节能改造项目推广至新建项目，减少了一些绿色建筑重设计、轻运行导致节能效果不明显的现象[2］。影响空调运行能耗的主要因素有人员行为、空调系统性能、围护结构性能、天气因素、运行策略等[3-4］。在实际运营阶段，节能服务公司保证了空调系统高效运行，且围护结构热工性能已经确定，因此采用EMC 模式的空调系统节能潜力应重点分析人员使用情况与运行策略对能耗的影响。刘如意等[5］分析了办公楼内人员行为因素对空调能耗的影响，结果表明室内设定温度与通风习惯对空调能耗影响最大。于晓谕等[6］分析了某高校建筑不同室内设计温度对能耗的影响情况，并计算了根据人员作息对空调间歇运行的节能量。杨建荣等[7］分析了上海市绿色办公建筑人员作息、人员密度和开关灯行为等因素对能耗的影响情况，得到了不同情景下的能耗差异。赵德印等[8］对某办公建筑空调运行能耗影响因素进行了敏感性分析，结果表明人员密度对空调制冷能耗的影响最大，气象数据对制热能耗的影响最大。国内学者对绿色建筑运行阶段的能耗影响因素研究多为办公建筑，对高校图书馆建筑的研究较少。本文以湖南某高校新建绿色图书馆为例，利用能耗模拟软件EnergyPlus 分析各设计参数对空调负荷的影响程度，在此基础上提出相应的节能策略。

1 合同能源管理模式

1.1 工程概况及合同模式

该工程为某高校新建图书馆，位于湖南省衡阳市，地下两层，地上十层，建筑总面积39 552.2 m2，建筑高度47.50 m，按照《湖南省绿色建筑评价标准》属于1 星级绿色建筑。考虑寒暑假及学生作息与办公作息有所不同，九至十层图书馆办公人员设置独立的空调系统，ESCO 的服务对象为一至八层，空调面积26 021.81 m2,总冷负荷3 340 kW,总热负荷2 400 kW。学校与节能服务公司签订托管型能源管理合同，ESCO 负责空调机房的投资建设与合同期内的运营维护，学校每月支付托管费用，合同期限为十年，合同结束后设备归学校所有。

1.2 运营服务与节能要求

供暖期为11 月15 日至次年3 月15 日，供冷期为5 月15 日至10 月15 日（剔除寒暑假及其他因素无需空调时间，约定实际供冷70 天、供热70 天），空调开启时间为8:00 至21:30，室内温度标准：供冷26 ± 2 ℃，供热20 ± 2 ℃。运营期间空调系统全年综合能效（制冷系统全年累计供冷量/制冷系统全年累计用电量）不低于5.4。

1.3 用能费用的调整

具体费用结算按照年度托管费用(中标价/合同期的期限)12 个月均摊，该费用包括空调期内的能源费用。双方约定当能源价格上涨时，能源费用差额由学校承担，价格下降时，学校相应减少托管费用。如因天气原因、设备故障、学校管理要求等原因，全年超过或减少使用天数，按照全年的平均能源费用进行核减或核增托管费用。如每天开放时间有调整，也应按照全年的小时能耗平均值增加或减少托管费用。

2 空调负荷影响因素

影响负荷的主要变量包括：建筑本体的热工性能、使用者相关信息（人员密度、运行时间、室内设计温度、灯光及设备开启情况等）、气象参数、自然通风换气等。该项目建筑设计建设已经完成，因此将围护结构热工性能、灯光及设备散热视为固定变量，主要考虑的变量为室外气象参数、室内温度、人员密度、人均新风量、自然通风对空调负荷的影响。在利用EnergyPlus 分析不确定性变量对空调负荷的影响时，以设计工况为基点每次只改变一个变量，其他变量固定，分析该变量对空调负荷的影响程度。

2.1 模型的建立

利用SketchUp建立图书馆物理模型，如图1所示，将该模型导入EnergyPlus，在Energyplus 中设置围护结构热工参数，其数值来源于建筑设计图纸，具体信息见表1。灯光和设备最大散热功率分别为9 W/m2和15 W/m2，室内蓄热体主要为书、书架及桌椅，书的比热容为1.8 kJ/(kg·K)、密度为800 kg/m3，书架比热容为1.72 kJ/(kg·K)、密度为540 kg/m3。一楼为大厅，二至八楼座位分别为254、456、424、400、336、460、296 个。室内设计温度：夏季26 ℃、冬季20 ℃、人均新风量30 m3/（h·人），寒假日期为1 月15 日至3 月1 日，暑假日期为7 月15 日至8 月31 日。人员与设备、灯光作息如图2 和图3所示。

表1 主要围护结构及厚度

图1 图书馆模型

图2 人员及设备作息

图3 灯光作息

2.2 气象数据

目前模拟软件最常用的气象数据为CSWD（中国标准气象年），CSWD 数据是基于1971-2003 年实测气象数据开发，与目前真实气象数据已有一定差异。邵涛涛[9］对一栋夏热冬冷地区办公建筑的研究表明，不同年份的气象数据导致的能耗变化幅度为-9%～11%。因此在分析气象数据对空调负荷的影响时，采用CSWD、2012-2021 年共计11 个气象数据进行计算。计算结果如图4 所示，在典型气象年下空调冷负荷为80.3 kWh/(m2·a)、热负荷为38.59 kWh/(m2·a)。历年真实气象数据下冷负荷呈现大幅度增加趋势，热负荷呈现略微下降趋势。与典型年相比，冷负荷最大值增加了28%，热负荷最小值下降了16%。2012-2021 年间冷负荷最大值较平均值高15.32%，热负荷最小值较平均值低10.40%。2014 年空调负荷最接近近十年平均值，在分析其他参数对空调能耗的影响时，以2014 年的气象数据作为输入参数。历年空调冷/热负荷见图4。

图4 历年空调冷/热负荷

2.3 渗透风与自然通风

渗透风量与建筑气密性密切相关，该建筑窗户气密性等级为7 级，根据GB/T 31433-2015《建筑幕墙、门窗通用技术条件》的性能分级方法，理论计算得出该建筑渗透换气次数在0.05～0.1 次/h 之间，模拟计算得出在该范围内空调全年累计耗冷量变化率为0.25%，全年累计耗热量变化率为2.3%，对空调冷热负荷影响较小，且空调系统新风的引入会使室内相对于室外为正压，减少了室外空气渗透对室内负荷的影响，因此将渗透换气次数设定为0.1次/h，不再考虑渗透换气次数变化对负荷的影响。自然通风量受门窗开启面积、室内外风压和热压等多种因素影响。该建筑窗户最大可开启面积为10%，设定过渡季节窗户可开启时间为4 月1 日-6 月30日、9月1日-10 月31 日，可开启条件为室外温度低于室内温度，窗户开启面积为0～10%。模拟计算不同开启面积下空调冷负荷变化，结果图如图5所示。

由图5 可知，在过渡季节随着窗户开启面积比例的增大，自然通风能力加强，全年累计耗冷量逐渐下降，但下降趋势明显减小，窗户开启面积达到50%后，加大开窗面积节能效果已不再明显。

2.4 室内环境与入馆人数

在合同中双方仅商定了室内温度与开放时间，对入馆人数及人均新风量没有作具体要求，实际上入馆人数及人均新风量对空调负荷的影响是不可忽略的。《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》（以下简称为《规范》）规定公共建筑主要功能房间人均新风量为30 m3/（h·人），按此标准计算得出高密人群建筑新风负荷占比可达20%～40%，结合建筑人员流动特性与节能需求，《规范》对该条文进行了解释说明，将人员密度（人数/面积）≤0.4 的图书馆类建筑最小新风量指标放宽至17 m3/（h·人），因此本文将新风指标范围设定为17～30 m3/（h·人）。

阅览室入馆人数受在校人数、学生学习习惯等多种因素影响，本文将入馆人数范围设定为实际座位数的50%～100%，且假设人员均匀分布在各个楼层，人员作息按照图2 所示。计算结果如图6～图8 所示。由图可知：夏季室内温度每降低1 ℃，全年累计冷负荷约增加12.5 kWh/(a·m2)，冬季室内温度每增加1 ℃,全年累计热负荷约增4.5 kWh/(a·m2)。最大新风量和最小新风量指标下全年冷负荷相差9.33 kWh/(a·m2)，热负荷相 差6.53 kWh/(a·m2)。 人 均 新 风 量 每 增 加3.25 m3/（h·人），冷负荷增加2.33 kWh/(a·m2)，热负荷增加1.63 kWh/(a·m2)。入馆人数每降低10%，空调年耗冷量降低3.87 kWh/(a·m2)，空调年耗热量降低1.55 kWh/(a·m2)。由此可知对冷热负荷影响程度最大的均是室内温度，其次是入馆率。因此根据入馆人数对室内温度进行分区控制，以此可达到节能目的。不同室内温度下冷/热负荷见图6，不同新风指标下冷/热负荷见图7，不同入馆率下冷/热负荷见图8。

图6 不同室内温度下冷/热负荷

图7 不同新风指标下冷/热负荷

图8 不同入馆率下冷/热负荷

3 节能运行策略

由上文可知影响空调负荷最大的变量为室内温度与入馆人数，根据《规范》第3.0.2 条说明，图书馆开架书库可视为短期逗留区，其设计温度可比长期逗留区放宽1～2 ℃，适当降低舒适度要求（夏季室温放宽至28 ℃、冬季放宽至16 ℃）。该图书馆属于大开间，开架书库与预览区之间没有隔断，温度分区难以实现，但可根据实际入馆人数对室内温度进行分楼层控制或者根据馆内人员作息对部分楼层进行间歇控制，以此降低空调耗冷/热量。

3.1 分层控制

以实际入馆人数为1 890 人为例，其人员可均匀分布在一至八层，也可集中分布在一至六层，七至八层只有在借还图书时有短暂停留，将其视为短期逗留区。内部设备及灯光开启率设为正常作息的三分之一，在降低空调能耗的同时也可降低设备及灯光电耗，不同入馆人数下的分层控制策略见表2。

表2 分层控制策略

模拟计算五种入馆人数两种控制策略下的全年冷/热负荷，模式一假设馆内人员均匀分布在各个楼层，模式二假设人员集中分布在部分楼层。图9为入馆人数为1 890 时分层控制模式下七层阅览室空调季的逐时自然室温，冷/热负荷计算结果如图10～11 所示。由室内逐时温度可知分层控制降低了部分楼层空调开启时长和所需制冷量。入馆人数越低，节能效果越明显，各入馆人数下耗冷量节能率依次为34.48%、25.75%、18.68%、12.47%、6.34%，耗热量节能率依次为27.74%、20.61%、14.5%、9.6%、4.43%。

图9 七层预览室全年逐时气温

图10 两种模式下累计冷负荷

图11 两种模式下累计热负荷

由图2 作息表可知各时段入馆人数变化规律，部分时间段入馆人数比例较少，因此可在分层控制的基础上根据人员作息对部分楼层进行间歇控制，即假设入馆人数比例较低的时段人员也可集中至某些楼层，其他楼层降低舒适度要求。以设计最大入馆人数为例，将各楼层高舒适度要求（冬季20 ℃、夏季26 ℃）时间段与人员作息设定如图12所示。计算结果如表3 所示，在设计入馆人数下间歇控制可节约14.89%的冷负荷和19.14%的热负荷。

表3 间歇控制冷热负荷

图12 各层阅览室人员作息

3.2 间歇控制

4 结论

1）对影响目标建筑空调负荷的输入变量进行了辨析，模拟计算了输入变量在取值区间内空调负荷的变化情况。

2）通过敏感性分析表明，空调负荷最敏感的变量是室内温度，其次是人员密度。天气因素对冷负荷的影响程度大于热负荷。

3)在实际入馆人数低于设计入馆人数时对室内温度分楼层控制具有较大节能潜力，在入馆人数达到设计标准时，空调间歇运行在夏季有14.89%的节能潜力，冬季有19.14%的节能潜力。