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现有建筑能耗评估
摘要
建筑行业普遍认为，建筑物实际使用的能量与建筑设计师估算使用的能量 之间存在差异。这种现象被称为“性能差距”，通常与新的建筑有关。然而，现有的建筑和较旧的建筑产生了更多的活性炭。为了应对“性能差距”，CIBSE开发了TM54流程，旨在改善建筑设计阶段时的能源估算。本文主要研究TM54流程是如何用于开发现有建筑的可发展能源的管理程序。文中以大学中的厂房为实验对象，其中将设计能耗、实际建筑能耗，标准基准进行了比较。此外，根据建筑物/设备的运行时间，锅炉效率和气候变化的影响，在不同的情景下进行敏感性评估。对于这些数据结果的分析可以看出，能源消耗的估算存在着很大的不确定性。如果要应对碳挑战，那么改进的能源管理技术将需要更系统的方法，这个方法可以使设施管理人员更加方便的去识别能源流并查明问题，尤其在需要他们承担现有建筑物的责任时，这些现有的建筑物通常具有许多能量消耗计算值不足的问题。
关键词：基准；DSM；TM54；能源消耗。
1.介绍
英国建筑物使用的能源非常重要。非住宅建筑的温室气体排放量占英国温室气体排放量的约35％。这些排放的规模代表着相当大的能源使用量，这些能源的使用量会导致国家成本上升。因此，令人担忧的是，在许多情况下，建筑专业人员没有数据或工具来在设计阶段准确的去预测建筑物将使用多少能量。预测和实际建筑能耗之间的差距被称为“性能差距”。造成这种差距的因素包括设计问题以及与安装，调试和数据反馈相关的问题。
消除“性能差距”所需要的技能、知识和改进的管理系统可以使建筑专业人员去移交建筑物，这些建筑物可以按照设计中的方式运行，他们还可以设置建筑物用户运行和维护建筑物的条件，以便他们可以设法提供最佳性能。“软着陆”倡议鼓励施工队伍提供后续服务，后续服务可以处理一些入住后的问题，这些问题在建设移交阶段可能不明显。无论如何，对于已经在使用的建筑，其运营和管理都将成为设施管理员的责任。
建筑物在其运行阶段使用的生命周期能量占其总生命周期能量80％至90％。所以，在运行阶段，管理能源的使用对建筑物的碳排放具有至关重要的影响。管理建筑物能源的过程的复杂性，可以从简单地确保公用事业账单的准确到操作一个系统，这个系统可以监控和控制各种能源使用的服务。CIBSE建议，通过“监测消耗量并将其与历史数据和基准进行比较”，能源使用的监测和目标可以控制能源使用。CIBSE发布一系列建筑类型的基准并且易于访问，而有效的历史数据需要编译和编目。
针对“性能差距”的问题，CIBSE开发了TM54 ，这是一本技术手册，它在设计阶段为建筑运营时的使用估算提供指导。TM54方法识别动力软件的值，可以模拟加热和冷却负载。它建议使用比实际值偏大的方法来评估负荷，那些负荷值可能受到建筑使用者行为的影响。它还建议让能源评估员确定建筑物的运营方式和时间。这可以通过访问大量记录的数据和对建筑用户的访谈来实现。
应用TM54的两种方法可以看作：如何用于预测新的空中救护作战基地的能源使用以及英国土地如何利用这一过程来评估已建成楼宇的能源使用情况。在东安格利亚空中救护车的情况下，人们认为能源建模的信心提高使客户能够在设计进展时做出明智的决策，并避免设计师过于乐观的“自然”倾向。尽管如此，仍然有必要通过一系列预测来探索不同的情景，这些预测需要与实际的性能数据进行比较。对于英国土地项目，伦敦金融城最近完工的建筑的能源性能是一个考验。在这种情况下，实际使用的占用数据应用于TM54过程。结果发现，TM54提供了“强大的性能基准和目标，以及设计团队对其设计影响的反馈”。而且，这次检查还认识到，为了使建模有意义，它就需要“通过设计过程重新审视建筑物的运行阶段”。
大学建筑内能源使用的重要性和相关性已被证实，显示能源认证和其他法定要求等举措所认可。在教育建筑方面，这不仅提高了意识，增强了研究人员的积极性，而且对房地产和企业管理者也具有实际意义。减少排放和相关燃料成本的目标需要对教育建筑能源的使用进行评估，以便开发解决方案。Fathi和Srinivasan已经探索了如何应用建模/模拟和统计来识别特定建筑物的特征，以评估建筑性能和节能措施的有效性。虽然本报告的结论是能源和财务节约都是可行的，但它与TM54流程的不同之处在于更多的分析基于动态建模。分析建筑能源的另一种方法是的检查基础，其中对电力，燃气和水的使用进行审核，结合基于网络的调查，旨在“吸引整个学术界”，以便调查行为方式。行为对能源使用的影响也是TM54过程的一部分，尽管其评估方法表明经审计的数据与面对面的利益相关者之间的观点相结合。Laurence，Robinson等人，Blight和Coley，Menezes等人和Bordass等人使用CIBSETM54来评估能量预测和性能差距，以便提出关于在设计阶段做出的决定的重要问题，这些决策会对建筑物的生命 周期中的能源性能产生影响。
虽然TM54文件已经准备好供设计人员使用，但本文考虑了TM54中规定的方法如何在没有有效历史信息的情况下，或者数据存在但仅仅是年度气体的情况下，如何协助运营建筑的能源管理和电力总计。这种方法背后的原因是TM54方法识别能源使用并将其分配给建筑物的各种能量流。本文还考虑了不同的情景，以便通过建设运营和全球变暖以及系统有效地解决不确定性问题。本文表明，虽然能源估算值得到了改善，但工程师仍然认为有必要应用判断并将这些预测作为改进设计的可靠依据。可以说，TM54过程明显增加了当前案例研究的价值，以识别能源流，从而有助于增强能源核算体系。
2.案例分析
使用TM54过程进行的能源调查是针对大学街区进行的，该大学街区包括工程研讨会和研究/学习区域。单层门式框架 结构位于校园区内，包括4个车间，相邻的两层办公区/研究区。这些研讨会为特定的学生调查提供专业设备。在该设施内还有典型的工程车间机床，包括车床，铣床，电锯和柱钻。办公区/研究区摆放的大多数设备——电脑，打印机，复印机，电脑也可以在车间区域使用。虽然小区内的小厨房配有水槽，烤面包机，微波炉和水壶，但没有食堂设施。 建筑物由荧光灯照明，内部环境条件由车间内的单元加热器和一些区域内的散热器维持。电气安装包括小的功率，用于插座回路和一些实验室设备。大型机床和测试设备还有三相电源。办公区域由分体式系统单元进行空调，也具有热泵容量。
3.方法
调查此研讨会的能源使用涉及四个过程：
bull; 调查，包括编制电气和机械设备的时间表，以及（重要的）获取占用时间和设备使用情况（附录A和B中的调查信息）
bull; TM54评估
bull; 建筑物加热和冷却特性的动态仿真建模。包括操作时间表在内的所有设备的长期计算。这是关于使用时间的现场调查信息至关重要的地方
bull; 与历史能源账单比较
bull; 与基准数据比较（实际上是TM54评估的一部分）
bull; 灵敏度分析，以解决能源消耗的不确定性
3.1.调查
视觉调查的开展是用来观察建筑布局，建筑结构的条件，维修策略以及用电设备的尺寸和位置（附录A和B）。建立楼层区域也是很重要的。对于能源调查，在计算中使用的建筑楼层区域反映了建筑物服务工厂消耗能源的建筑物区域，这是很重要的。
此外，在调查中，与建筑用户进行了非正式访谈，以评估建筑物占用时间和设备使用频率。该信息是用于估计设备的电能使用所必需的，该设备是根据用户需求来操作，而不是根据响应天气或时间表来操作。这些数据也是DSM的重输入，它可以帮助使负载和调度模板尽可能真实，并使软件能够将设备热量增益分解为内部条件的环境分析。不同于织物和空间之间复杂的、热动力学动态性质，能量使用与用户的行为有着联系，如果用户行为特征不太难以量化，那这就是相对比较简单的运算。关于小功率，Menezes等人已开发出可用于估算小功率使用的模型。Menezes开发的技术认识到简单基准标记的局限性，并结合了行为方面和不同类型的设备的可变功率输入。TM54过程采用了这种方 法。但是，居住阶段和设备运行时间可能会产生显著的影响，如果这些数据没有自动记录，那么就必须调查用户的知识和经验。用于为移动设备充电的能源是另一个不受监控的领域，这或许值得进一步研究。然而，在这种情况下，对 用户的走访可以推算出用户对这些设施的总体能源的使用的影响可以忽略不计。实验室设备能耗估算也依赖于用户行为。在这种特殊情况下，一些设备是旧的，并且大多数设备比批量生产的产品更具“一种”性质，因此不存在基准标 记。这更加复杂，因为在最近的过去，学术运营部门优先于监测或测量能源使用的任何需求。对该设备的能源使用进 行估算需要对各个项目的电力规格进行调查，并结合使用时间信息。电源功率可以从机器铭牌等看到，但时间段取决于实验室工作人员的判断和存储。
能源车间被认为是公共建筑，因此需要显示能源证书（DEC），对于这种规模的建筑物，必须每年更新一次。DEC基于年度能源使用，因此提供能源使用的历史记录。虽然这非常有用，但DEC的仅仅记录了一年的电力和化石燃料总量。 这些不分为小标题，因此尽管它们可以表明总体趋势，但它们在针对特定能源使用区域方面的帮助较小。
3.2.TM54评估
TM54过程涉及动态模拟软件（DSM）的应用，以及受乘员行为影响较大的负载的打字/电子表格评估。这种方法背后的逻辑是，DSM背后的运算能力适用于动态和不断变化的建筑物供暖和制冷负荷，而其他负荷则通过检查其使用方式得到更准确的评估。在这种情况下，例如实验室机床不使用功率来响应天气或温度，但是它们的操作能量往往与使用相 关联。
图1总结了评估能源使用的方法，包括每个步骤所需活动的摘要。
图1. 2013年Cheshire等人使用TM54估算设计中使用的能量的方法
3.3.在DSM之外进行计算
第1步
建立楼面面积：处理过的区域用作该方法中能量计算的基础。这种方法的逻辑在于它仅包括由工厂和设备提供服务的建筑物区域。根据CIBSE指南F（2012）的建议，案例研究的处理面积占总面积的95％，总处理面积为1594.19平方米。
第2步
估算营业时间和占用因素所有关于工厂和设备运行时间的信息都是通过结构化访谈直接从设施管理团队收集的。该建筑每天开放12小时，从上午 7点至晚上7点，不同的居住阶段和工厂运营期（见附录A）。
第3步
评估室内照明能源。以下等式适用于年负荷的计算。
(1)年能耗（KW.h / 年）= 用于照明的能源（w1） 附加能量（wp）
(2)
(3)
其中：
Pn = 房间的总安装功率（W）
Fc = 恒定照度因子（1为没有恒定的照度控制）
Fo =占用依赖因子（采用0.9自动控制gt;连接负载的60％）
Fd =日光相关因子（采用日光感应的0.9光电管调光）
td =夏令时使用小时数（小时）（48周后每周5天，每周5小时）
Wpc =寄生控制年度能耗（5KW.h / m2）
Wem =寄生应急年度能耗（1 kW.h / m2）
第4步
评估Lift的能源使用情况
大楼内只有一部电梯。已经安装，供残疾人使用。不经常使用。年度能源使用从CIBSE指南D中引用的方法获得，该方法源自BS ISO / DIS 25745-1（BSI，2012）。
（4）
其中：
EL是一年内单台电梯使用的能量（KW.h）
S是每年的起动次数
P是驱动电机的额定值（kW）
TH是从门关闭到开始打开的那一刻（hrs）之间在主要入口和最高服务范围之间行进的时间
Estandby是一年内单台电梯使用的备用能源（KW.h）
第5步
评估小功率的能耗。这包括餐饮设备和餐饮的其他小功率要求（微波炉，烤面包机，水壶，咖啡/饮料，干手器 和冰箱）。
现代小型电力设备在工作电源和“睡眠”状态下运行。每年的能源使用量是根据电力条件和运行时间的评估确定的。
(5)年能耗（KW·h）=（运行期间的平均耗电量times;运行时间） （睡眠模式消耗times;（8760-小时运行））
有关设备的功耗和运行小时数的详细信息，请参见附录。
第6步
除了步骤5中的小功率列出的物品外，该建筑物没有餐饮设施。
第7步
服务器机房使用的能源是根据功率和运行时间的乘积确定的;
(6)年能耗（KW.h）/ 房间数times;额定电力需求times;与运行电力需求相关的比率times;运行小时数
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