严寒地区公共建筑能耗模拟及冷热源比较分析

发布时间：2016-09-21 07:24

第1章绪论

1.1课题的提出
能源是一个国家的经济命脉，随着经济的高速发展全球能源局势发展越来越严峻。如何合理的应用有限的能源，减少环境污染，提高能源利用效率成为亟待解决的问题。能源问题是全世界各国关注的焦点，我国已然成为一个能源消耗大国，其中建筑能耗占据的很大比重，建筑能耗的过度消耗及产生的环境问题日益凸显，使得我国在建筑节能上倍加关注[1]。近20年来，我国建筑业进入了高速发展的阶段，2000年至今，年建筑面积翻了一倍多，年平均增长了13.3亿m2，增速为11.3%，远快于上个世纪90年代的增速，其中在“十一五”期间，我国的建筑面积累计增长了85亿m2，至2010年底总建筑面积高达453亿m2[2]，目前已经成为世界上最大的建筑市场。数据表明，在众多新建建筑中节能建筑占据比例很低，仅占3%~5%，其他建筑都存在着能源的浪费。经过国内外学者的研究表明，在众多节能方式中建筑节能是缓解当前全球能源紧张最有效的节能方式，通过合理的建筑节能方式解决经济高速发展与能源供应紧缺之间的矛盾[3]。建筑能耗是指建筑物从建造开始到建筑物正常运行阶段所消耗的能量总和，包括：空调能耗、采暖能耗、照明能耗、热水能耗、餐饮能耗、电器能耗等。通过分析研究现有公共建筑的总能耗，可以得知现今建筑空调系统能耗占据建筑总能耗相当高的比重。因此，寻求解决采暖空调能耗过高问题的方法得到了暖通相关专业人员的大量关注。暖通相关专业的技术人员从本专业的特点出发，对采暖空调在建筑中的能耗进行了大量的研究工作，研究表明，采暖空调系统主要分为三部分：空调冷热源机组的能耗、机组配套辅助设备的能耗和空调末端设备的能耗。其中，冷热源能耗占采暖空调总能耗的一半左右，且这一比重还在不断增加[4]。空调冷热源方案的选择，直接影响到整个空调方案的能耗。因此，如何有效的减少采暖空调系统的能耗，或者说如何减少采暖空调冷热源的能耗成为一个非常重要的课题。
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1.2国外研究现状
国外学者对空调冷热源的研究起步较早，已经取得诸多显著成效。各种建筑冷热源系统相继开始投入应用，欧美地区对海水源热泵进行了深入的研究，目前在奥地利、瑞典、丹麦等国已经将海水源热泵系统成熟的运用在区域集中供冷供热上，并取得了良好的使用效果。美国本着节能环保的目的在国内大力推广地源热泵系统，并颁布了相关的法规细则，使得美国地源热泵系统占据整个空调系统很大的比例，节能效果显著。世界各国投入大量物力人力在计算机模拟软件开发上，开发出众多能耗模拟软件，通过建立建筑模型及空调系统模型进行能耗模拟，开发出的有代表性的软件为:DOE-2、V-DOE、EnergyPlus、TRNSYS、BLAST、HASP、ENERGY2等。此类软件可以完成目标建筑空调系统的动态能耗模拟分析，但由于模拟软件自身计算过程繁琐操作复杂，因此该方法难以被应用[10]。
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第 2 章 各种能耗模拟软件的介绍

2.1 各类能耗软件的发展历程
建筑冷热源能耗占据了空调系统能耗相当大的比例，为了进行建筑冷热源能耗的分析研究，首先要对目标建筑进行全年逐时动态负荷的计算，通过不同的冷热负荷特点选择出不同的冷热源组合方式。全年动态负荷的计算需要依靠计算机软件的模拟来实现。因此，世界各国相继对建筑能耗模拟软件进行研发，并取得了显著成果。BLAST 和 DOE-2 是最先发开的建筑能耗模拟软件，欧美各国又相继开发了 ESP-r、TRNSYS、HVACSCIM+等软件。亚洲各国同样进行了建筑能耗模拟软件的开发，比较有代表性的软件为：日本的 HASP 和中国清华大学的 De ST。
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2.2 各类能耗软件的介绍
下面进行各种软件的介绍[11~19]：DOE-2 特点：适用于住宅建筑和商业建筑，对目标建筑进行逐时能耗分析。计算能力强大，可模拟分析较为复杂的建筑，输出结果种类较多。操作软件需要在 DOS 程序下进行，对专业知识的要求程度较高，需要进行专门培训。BLAST 特点：适用于工业设施供热，供冷负荷的分析计算，建筑中电力设备和空气处理系统的能耗模拟，建筑热舒适度的分析及辐射换热及变传热系数状况下的能耗分析。Energy Plus 特点：适用于建筑物热性能、太阳能适用方案研究及多区域气流的相关分析。通过输入建筑的高度朝向、建筑围护结构相关信息、各类热绕等进行模拟，可以对所需的若干结果进行输出。TRNSYS 特点：适用于空调相关系统的控制研究，太阳能相关研究。采用模块搭接的形式连接系统，可以按照使用需求自定义编辑模块。可对空调系统进行分时段的模拟，通过 Sim CAD 对建筑物进行详细描述。SPARK 特点：适用于房间功能多样、建筑空间关系复杂的公共建筑的能耗模拟。对计算机操作技巧要求较高，需要进行较复杂的建筑模型的建立，复杂的空调系统模型的建立。ESP-r 特点：适用于建筑能耗特性和相关环境特性的深入研究。软件可以通过 CAD 软件将建筑信息进行导入，对建筑布局和空调的详细信息进行描述。可以把上述各能耗模拟软件归纳为以下两大类：（1）空调系统仿真软件。在进行空调系统中各设备部件的仿真模拟时，通常采用 TRNSYS，SPARK 和 HVACSIM+等软件，此类软件相对比较灵活，可以通过各种可编辑的模块搭接组成系统。软件是通过复杂的系统模型和简单的建筑模型组成的，操作者可以灵活地通过模块连接成系统并对其进行相关的控制，常用于系统的高频动态特性系统的模拟与分析。（2）建筑能耗模拟。在进行立足于建筑本身的能耗模拟时，通常用DOE-2、Energy Plus 和 ESP-r 等软件。此类软件适合模拟目标建筑及其系统的长周期的动态热特性，软件是通过简单的控制系统模型和相对完善的房间模型进行控制模拟的，常用于建筑模拟与分析。
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第3章建筑的空调冷热负荷分析.........13
3.1长春市气候特点.......13
3.2建筑概况.....14
3.3全年动态空调负荷的计算....15
3.3.1模型的建立.......16
3.3.2围护结构参数的设定....17
3.3.3空调参数的设定......18
3.4模拟计算结果及分析......22
3.5本章小结.....28
第4章冷热源方案的选择及能耗计算........29
4.1建筑用空调冷热源简介........29
4.1.1空调热源设备..........29
4.1.2空调冷源设备..........30
4.1.3兼做冷热源设备......31
4.2空调冷热源方案选择......32
4.2.1空调冷热源方案选择原则..........32
4.2.2空调冷热源方案的确定.......34
4.3建筑冷热源能耗计算......42
4.4本章小结.....60
第5章冷热源方案的经济性比较.........61
5.1冷热源方案经济性评价方法.......61
5.2冷热源方案经济性分析........63
5.3本章小结.....76

第 5 章 冷热源方案的经济性比较

5.1 冷热源方案经济性评价方法

经济性评价是进行投资项目或方案评价的核心过程，采用不同方案的经济性是不一样的，可以用一个项目产生的经济效果作为这个项目的经济评价指标。采用最适宜所评价项目的经济评价方法来评价出经济性最优的方案。经济评价方案按照考虑时间价值与否可以分成两大类：静态分析法及动态分析法。静态分析法在对资金时间价值不进行考虑的前提下，对建设项目在分析期内的收支进行分析计算的一种传统方法。静态分析法的优点是计算简便，工作量少。但分析比较粗略，计算结果与实际存在一定误差，适用于投资金额相对较小、分析期较短的中小型项目。经济性评价中常用的静态分析法为：投资回收期限法和投资收益率法[48]。静态分析法计算简单，但它没有考虑资金时间价值因素，以及其它可变因素，如银行利息率、价格变化、通货膨胀率等。对于分析期较长、投资金额较大的项目就会使经济分析所得的结果产生一定误差，不能正确的反映方案的真实效益，因此，本项目采用动态分析法。

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结论

本文在研究严寒地区公共建筑的发展、能源使用特点的基础上，以长春市一大型商业办公综合体为研究对象，运用 De ST 软件进行建模，通过输入各热特性参数进行全年逐时动态负荷计算，结合目标建筑的特点提出五种有代表性的空调冷热源组合方案，对五种空调冷热源方案进行经济技术评价，可以得出以下结论：
（1）从初投资方面来看，方案二＞方案四＞方案三＞方案一＞方案五。得益于直燃机可以冬夏两用，减少了设备的数量，方案五的初投资最低；采用冷水机组+城市热网的方案二和方案四初投资较高，这是因为城市热网中的热力增容费较高，导致总的初投资高于其他方案。
（2）从年运行费用方面来看，方案五＞方案二＞方案四＞方案一＞方案三。方案三和方案一年运行费用最低，得益于高性能的电动式冷水机组及长春市较低的商业电价。方案二和方案四的年运行费用大于方案三和方案一，这是因为集中供热比用燃气热水锅炉供热略贵一些；方案五的年运行费用最高，主要是因为天然气价格较高及直燃机能效比较低。
（3）从净年值来看，方案五＞方案二＞方案四＞方案一＞方案三。方案三净年值最低，方案二次之，可以看出电动冷水机组+燃气锅炉方案较其他方案更经济；电动冷水机组+城市热网方案净年值略高，可以得出城市热网供热要比燃气锅炉供热花费更多，这是因为城市热网供热初投资有较高的热力增容费，且每年供热资费也较燃气锅炉供热要高，，可见降低热力整容费，降低一、二次网热损失，提高制热效率，从而降低供热资费，对提高城市热网供热方案经济性有很大的促进作用；方案五的净年值最高，经济性较其他四中方案差。通过上述分析可知，从净年值的角度分析，方案三为最优方案。
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参考文献(略)

本文编号：119151