基于EnergyPlus的某高校供暖系统运行节能优化分析

焦震 姜海洋

济南城投设计有限公司

0 引言

能源是人类一切活动的物质基础。实现能源的高效利用是人类社会进步与发展的重要因素。现如今，能源问题已成为全世界共同关注的问题，与此同时，能源问题也严重影响制约着各个国家的经济发展，实现能源的高效利用，对于实现可持续发展具有重要意义[1]。据相关资料显示，随着我国城市化进程的不断加快，产业结构的不断调整，第三产业占GDP 比例的大幅度增加，我国建筑能源损耗比例将提高至欧美等发达国家的33%[2]。针对于能源的研究与探索发现，实现建筑的节能是各种节能方式中最为有效与直接的方式，对于减缓能源紧张，加快经济社会发展具有决定性意义。

目前高校建筑存在能耗高、用能多的问题，华北地区属于寒冷地区，冬季建筑供暖能源需求大[3]，本文针对华北地区某高校教学楼为例，对该高校供暖系统运行方式进行优化分析。根据建筑实际供暖运行数据，分析建筑供暖效果和运行能耗，并通过能耗软件建立模型对供暖运行调节方案进行优化，为提高高校建筑供暖效果，节能减排提供重要的依据[4]。

1 工程概况

该高校位于华北地区，学校占地面积1500 余亩，建有教学中心、图书馆、科研实验中心、学生宿舍、教师公寓、国际文化交流中心、大学生活动中心、室内综合训练馆等。

本文选取该高校的逸夫教学楼为研究对象，建筑总面积17540.00 m2，地上六层，层高3.9 m，本工程为砖混结构，外墙为240 mm 厚粉煤灰黏土烧结砖，外抹40 mm 厚聚苯颗粒保温抹灰材料，外墙传热系数为0.876 W/(m2K)，屋顶传热系数为0.615 W/(m2K)，窗户传热系数为4.14 W/(m2K)。主要用电设备包括灯具、教学用电脑、教学用投影仪等。该教学楼内主要为教室，各教室主要用途是教师授课和学生自习，均全天开放。图1 为模拟教学楼的平面图。

图1 教学楼平面图

2 模型搭建

对该教学楼搭建如图2 所示的模型图进行模拟分析，模拟参数设置如表1 所示。

图2 Energyplus 软件模型图

表1 模拟参数设置

3 模型验证

本文选取1 月15 日全天24 h 模拟数据与实测数据进行对比，具体结果如图3、4：

图3 1 月15 日教学楼24 小时室内温度模拟与实测温度对比图

图4 1 月15 日教学楼24 小时室内能耗模拟与实测能耗对比图

从图3、4 可以发现，模拟结果与实际测试结果吻合程度较高，在供暖期内的1 月15 日早晨7:00-晚上22:30 室内实测温度比室内设计温度较高，能耗较低。图5 为整个供暖季教学楼累计总能耗模拟值与实测值的对比图。

图5 供暖季教学楼累计总能耗模拟值与实际测试值对比

以电能折算标准煤系数0.1229 kgce/kWh 计算，实际运行的供暖系统消耗标准煤 861123.3 ×0.1229=105832.1 kgce，单位面积年消耗标准煤为6.03 kgce/(m2·a)。模拟累计年供暖消耗标准煤814623.3×0.1229=100117.2 kgce，单位面积年消耗标准煤为5.7 kgce/(m2·a)，模拟与实际测试数据年累计能耗误差Δδ=（6.03-5.7）/6.03×100%=5.4%，模拟数据与实际测试数据误差在8%以内，说明所搭建的模型具有较高的准确性。

4 方案优化对比分析

建筑供暖系统间歇运行可良好的运用建筑物的蓄热性能，合理实现保证建筑室内供暖温度情况下建筑供暖的运行节能，因此建立不同时间间歇运行控制机制如表2：

表2 建筑间歇运行控制机制

4.1 模拟结果

从图6～11 分析可知，3 个方案供暖季除寒假1 月20 日至3 月4 日外，白天室内温度均维持在18 ℃，夜间温度均维持在5 ℃，室内温度满足设计要求，在寒假期间，由于天气较冷，房间内没有人员活动，室内为防冻，将全天室内温度维持在5 ℃，采用低温运行模式。

图6 方案一供暖季室内逐时温度模拟结果

图7 方案一供暖季室内逐时能耗模拟结果

图8 方案二供暖季室内逐时温度模拟结果

图9 方案二供暖季室内逐时能耗模拟结果

图10 方案三室内逐时温度模拟图

图11 方案三室内逐时能耗模拟图

建筑全天均需要建筑供暖，均存在供暖能耗，其中温度设置为18 ℃的室内有人员活动期间，建筑供暖能耗明显较大，夜间采用低温供暖防止室内结冻时建筑供暖能耗较小，夜间室外温度较白天室外温度低，但由于室内温度设置较低为5 ℃，故夜间建筑能耗较低在合理范围内。

将建筑供暖不同运行机制情况下的整个供暖季建筑供暖累计能耗对比，如图12 所示。

图12 三种供暖间歇运行控制机制方案建筑累计能耗对比图

由图12 分析，方案一在中午太阳辐射较强的11点和12 点对室内供暖进行关闭，由于室内供暖关闭后室内供暖设备中仍有部分余热可以向室内散发以及通过透明围护结构进入房间的热量，可满足室内供暖需要。方案二在下午墙体等建筑围护结构吸收太阳辐射蓄热较多时的15 点和16 点对室内供暖进行关闭，首先由于室内供暖关闭后室内供暖设备中仍有部分余热可以向室内散发。其次，建筑围护结构此时蓄热较多，温度相对较高，室内需热量较小，故方案二室内得热较方案一多，因此方案一能耗较方案二高。方案三兼顾方案一和方案二特点，故方案三能耗最低。

综合图6～12 分析得出，建筑供暖采用间歇运行可在保证建筑供暖温度的情况下降低室内供暖能耗，采用不同的间歇控制机制可做到满足室内舒适性的前提下能耗节省最大化。同时，方案三较方案一和方案二更具节能潜力。

5 实际供暖能耗分析

5.1 实际供暖能耗分析

根据对该高校供暖能耗测试结果，选取12 月29日对该高校教学楼室内温度及供暖能耗进行分析，同时与通过能耗模型模拟的间歇优化方案三的供暖温度和能耗进行了对比，分析优化方案的节能量及环境效益。

图13 为实际测试供暖室内温度及优化方案模拟温度值，在供暖期内的12 月29 日早晨7:00-晚上22:30 室内实际测试温度要比室内设计温度高一些，优化方案模拟的室内逐时温度为18 ℃，与室内设计温度相同。室内实际测试温度比设计温度高的原因为该日教室学生上课较多，教室上座率较大，室内热源较大，室内散热量较大，因此这是供暖季的一个有利因素，室内温度较设计温度18 ℃高一些。

图13 12 月29 日24 小时实际测试室内温度值

图14 为12 月29 日教学楼实际测试能耗及优化方案模拟能耗值对比，从上图可以了解得到，间歇时间段建筑供暖能耗为0，在间歇过后刚开始供暖的一个小时内，建筑供暖能耗有一个突增趋势，然后逐渐降低，原因为在建筑停止供暖的两个小时内，建筑围护结构向室内和室外散热，温度降低，蓄热量变小，建筑开始供暖时，建筑围护结构吸热量较大，因此此时所需供暖能耗较大，相比连续供暖时有突增趋势。

图14 12 月29 日24 小时实际测试教学楼供暖能耗值

通过图15 可知，整个供暖季实际测试累计供暖能耗为861123.3 kWh，优化方案间歇供暖方式整个供暖季供暖能耗为779921.6 kWh，相较于连续运行模式整个供暖季节能81201.7 kWh 电能。

图15 供暖季教学楼实际测试与优化方案供暖能耗对比

5.2 优化方案节能量分析

根据上述对优化方案和实际测试结果的分析，供暖季采用间歇运行方案时较为节能，对间歇运行优化方案与实际运行测试的节能量研究[6]如下：

年供暖能耗面积指标

式中：q 为年供热能耗面积指标，kWh/(m2·a)；Q 为年累计供暖能耗，kWh；F 为供暖面积，m2。

根据式（2）计算出实际运行年供暖能耗面积指标：qs=Q1/F=861123.3/17540=49.09 kWh/(m2·a)。间歇运行优化方案年供暖能耗面积指标：qm=Q2/F=779921.6/17540=44.47 kWh/(m2·a)。则年供暖能耗单位面积节能量为4.63 kWh/(m2·a)。

以电能折算标准煤系数0.1229 kgce/kWh 计算，实际运行的供暖系统消耗标准煤861123.3×0.1229=105832.1 kgce，单位面积年消耗标准煤为6.03 kgce/(m2·a)。间歇运行优化方案年供暖消耗标准煤779921.6×0.1229=95852.36 kgce，单位面积年消耗标准煤为5.46 kgce/(m2·a)。优化方案较实际运行年节约标准煤9979.69 kgce。单位面积年节约标准煤0.57 kgce/(m2·a)。

6 结论

本文通过对华北地区某高校供暖系统的研究,得出以下结论：

1）根据对某高校实际供暖系统的测试对比分析得出，模拟与实际测试数据年累计能耗误差为5.4%，模拟数据与实际测试数据误差在8%以内，证明所搭建的模型具有较高的准确性。

2）通过对建筑供暖系统间歇运行时间的三个方案的比较分析，发现该高校某教学楼在采用11:00 至13:00 和15:00-17:00 间歇运行控制机制时可满足室内舒适度要求，并且能耗最低为779921.6 kWh。

3）通过最佳间歇优化方案能耗模拟数据与实际测试能耗模拟数据进行对比发现，间歇运行优化方案较实际供暖运行节能81201.7 kWh，年供暖能耗单位面积节能量为5.46 kWh/(m2·a)；折算节约标准煤9979.69 kgce，单位面积年节约的标准煤0.57 kgce/(m2·a)。