近年来，节能改造作为降低建筑能耗的有效手段被广泛实施[1]，改造完成后，需对改造项目进行节能量的核定。国际通用的节能量检测与验证标准有《国际性能节能效果的测量与验证协议》(IPMVP)[2]、Measurement & Verification for Federal Energy Projects (M&V)[3]和ASHRAE Guideline14-2002[4]。这些方法依赖于主观评价，被认为不准确[5]。在中国，节能量为改造前后能耗直接相减[6]。事实上，改造前后建筑所处条件不同，缺乏可比性。目前常见处理方法有两种：一是增加调整项[7]，调整量通过建立回归模型得出[8]，而回归模型的准确性取决于数据的完善程度；另一种方法是动态能耗模拟软件[9]，通过设置使改造前后建筑处于相同的内外部条件下[10]。但模型建筑需要根据实际情况设定，许多参数(如人员密度、设备工作时间等)的获得需要经过长时间的大量调研，且实际情况的随机性很强[11]，软件模拟值的真实性受限。改造建筑很多时，模拟工作量大时间长，因此模拟软件更适合单栋建筑节能改造的设计，不适合大规模改造建筑节能量确定。综上，需要提出更准确、更实用的节能量计算方法。
笔者通过总结建筑能耗的影响因素，提出了一种节能量修正计算方法，使改造前后的建筑处于相同条件下，并以天津市某大型办公建筑为例，论证了该方法的可行性和科学性。
随着建筑能耗的增加，国内外学者对建筑能耗影响因素进行了不懈研究。这些影响因素可以归纳为表 1所示的5个方面，这5个方面的可改造程度及可改造项对建筑能耗的影响程度见表 1。
从表 1可以看出，节能改造项目主要针对围护结构、采暖空调系统及运行管理进行改造。改造完成后要进行节能量的核定，当前通用的节能量计算方法为改造前后能耗相减。实际节能效果除了与改造前后的实际能耗数据直接相关以外，还与外部气象条件、室内热环境、室内人员及设备使用情况、运行管理状况等因素密切相关，由于改造前后情况的不同，使得改造前后的能耗没有处于相同的比较条件下。
采用修正系数的方法，以改造前某年的实际情况为基准，对改造后的能耗进行修正，具体包括以下4个修正系数：气象修正系数、室内热环境修正系数、内部负荷修正系数和运行时间修正系数。
在4个修正系数中，气象修正系数是外界环境决定的，室内热环境修正系数是由改造后建筑的热物理性质和系统运行状况等决定的，这些属于物理因素。内部负荷修正系数和运行时间修正系数由使用者的需求决定，属于人为因素。对于物理因素，不是人力能够改变的，因此必须进行修正。对于人为因素，虽然是由使用者决定的，但建筑是为人服务的，建筑能耗的产生也是由于使用者需求，因此，当实际使用情况改变时，也必须进行修正。
建筑能耗可以分为两个部分：一部分是室内照明、办公设备等的使用，这部分能耗由室内人员需求决定；另一部分是用于去除室内外温湿度不同引起的热湿传递，这部分能耗与室外气象条件相关。由于改造前后所处的年份不同，气象条件不同，因此需要对其进行修正。
国际通用的采暖空调能耗估算方法包括度日数法、温频法等[16]，这些方法都基于一种假设，即采暖空调系统能耗与室外温度成线性关系。笔者采用中国节能设计标准中定义的采暖度日数(HDD)[17]和空调度日数(CDD)[18]对气象条件进行修正。定义气象修正系数ηw：
采暖度日数以18 ℃为界限，对于采暖能耗
式中：HDD18a为当地改造后某年的采暖度日数，℃·d；HDD18b为当地改造前某年的采暖度日数，℃·d。
空调度日数以26℃为界限，对于空调能耗
式中：CDD26a为当地改造后某年的空调度日数，℃·d；CDD26b为当地改造前某年的空调度日数，℃·d。
由于度日数法计算空调能耗误差较大，在有逐时气象数据的情况下，优先采用度小时数(CDH)来对空调能耗进行修正，即
式中：CDH26a为当地改造后某年的空调度小时数，℃·h；CDH26b为当地改造前某年的空调度小时数，℃·h。
节能改造前后，由于围护结构、系统等发生变化，一定伴随着室内热环境的变化，因而需要消除由于室内热环境不同对能耗的影响。室内热环境的描述参数有空气温度、湿度、平均辐射强度和空气流速[19]，其中与能耗直接相关的是空气干球温度。定义室内热环境修正系数ηe
对于采暖能耗
式中：tia为改造后的室内平均温度，℃；tib为改造前的室内平均温度，℃；to为当地采暖室外计算温度，℃。
对于空调能耗
式中：tia为改造后的室内平均温度，℃；tib为改造前的室内平均温度，℃；to为当地空调室外计算逐时温度的最高值，℃。
由于室内人员、设备等的变化，会引起采暖空调能耗的变化。室内照明、设备等的使用情况基本由室内人员的工作需求和使用习惯决定。在暖通空调设计时采用面积指标，因而以采暖空调面积为基础修正。由于实际供热空调面积可能产生变化，因此内部负荷修正系数包括三方面：一是采暖空调面积修正，二是平均单位面积人数、照明和设备的散热量，三是工作时间。人员散热量由劳动强度决定，照明和设备的散热量与功率相等。定义内部负荷修正系数
式中：qa为改造后某年的平均单位面积散热量，W/m2；Aa为改造后某年采暖或空调面积，m2；Tla为改造后某年人员、照明、设备的总工作时间，h；qb为改造前某年的平均单位面积散热量，W/m2；Ab为改造前的采暖或空调面积，m2；Tlb为改造前的人员、照明、设备的总工作时间，h。
由于改造前后，不同年份的节假日及工作休息制度不同，暖通空调系统的运行时间可能发生变化，相应产生能耗变化。
若采暖采用市政管网集中供热，则每年24 h运行，且供暖季天数是一定的，则采暖运行时间是不变的。若采暖和空调都采用中央空调，则只在工作日的工作时间开机，非工作日关机。由于每年的工休制度可能不同，每天的工作时间也可能不同，导致系统工作时间可能产生较大的变化。对于分体式空调，使用灵活，运行时间的变化更大。因此定义运行时间修正系数
式中：Ta为改造后某年采暖或空调运行时间，h；Tb为改造前某年采暖或空调运行时间，h；
由于改造前后气象条件、室内热环境、内部负荷情况和设备运行时间4个客观条件的不同，使得直接以改造前后能耗相减的数据作为节能量是不科学的，因而，以改造前的基本情况为基准，对改造后的能耗用上述4个修正系数进行修正，即采暖能耗和空调能耗修正模型的通式为
式中：ΔEC为修正节能量，包括采暖修正节能量ΔECh和空调修正节能量ΔECc，kWh；ECb为改造前的能耗，包括改造前的采暖能耗ECb, h和空调能耗ECb, c，kWh；ECa为改造后的能耗，包括改造后的采暖能耗ECa, h和空调能耗ECa, c，kWh；η为能耗修正系数。
能耗修正系数η由气象修正系数、室内热环境修正系数、内部负荷修正系数和运行时间修正系数4个修正系数组合而成。由于以上4个修正系数都以能耗为基准，且数量级相同，因此对4个参数进行乘除的组合即可。在以上4个修正系数中，室内人员、照明和设备的散热量在空调期需要从室内除去，对于空调能耗不利，但在采暖期，这部分散热量可以提高室内温度，是有利的。因而采暖能耗和空调能耗的修正模型不同，需将采暖能耗和空调能耗分别进行修正。
定义采暖能耗修正系数
式中：ηw, h为采暖气象修正系数；ηe, h为采暖室内热环境修正系数；ηp, h为采暖系统运行修正系数；η1, h为采暖内部负荷修正系数。
空调能耗修正系数
式中：ηw, h为空调气象修正系数；ηe, h为空调室内热环境修正系数；ηp, h为空调系统运行修正系数；η1, h为空调内部负荷修正系数。
建立总的节能量计算方法，即节能量修正模型。
式中：ΔECh为采暖修正节能量，kWh；ECb, h为改造前的采暖能耗，kWh；ECa, h为改造后的采暖能耗，kWh。
式中：ΔECc为空调修正节能量，kWh；ECb, c为改造前的空调能耗，kWh；ECa, c为改造后的空调能耗，kWh。
若不只是一套采暖空调系统，可以将各个系统分别进行修正计算，然后相加，即为修正后的采暖或空调能耗。采暖空调系统的总节能量
以天津市某大型办公建筑的节能改造项目为例来分析节能量修正计算方法。该建筑是纯商务办公写字楼，建于1997年，建筑面积约6.0万m2，建筑总高度约为115 m，地下2层，地上29层。该建筑冬季热源由市政外网提供，经地下层及17层换热机组换成60~50 ℃热水供高低区空调系统冬季使用。空调系统为冷水机组采用美国原装DUNHAM－BUSH冷水机组，共3台，总额定制冷量为5 300 kW。水系统采用两管制，共设置7台冷冻水泵，总扬程为229.6 mH2O，流量为2 268 m3/h，共设置5台冷却水泵，总扬程为160 mH2O，流量为1 620 m3/h。高区系统经设备层3台换热器换热，3台55 kW的变频水泵为换热器二次侧提供动力。室内末端为风机盘管系统。
该建筑于2008年10月进行节能改造。根据2007年的能耗帐单，该建筑改造前单位面积耗电量为75.82 kWh/(m2·a)，其中以暖通空调(HVAC)系统能耗占的比例最大，单位面积耗电量为49.68 kWh/(m2·a)，占总耗电量的65.52%。因此将节能诊断重点放在采暖空调系统上。通过节能诊断，发现该建筑能耗偏高的主要问题出现在水泵方面，因而改造时更换全部水泵，并安装变频装置，机组台数调节和水泵变频调节相结合。
节能改造完成后第一年的暖通空调系统运行能耗为1 151 024.60 kWh，直接计算节能量为1 829 507.40 kWh，节能率为61.38%。2008—2009年采暖季的供热能耗采为340 512.30 kWh，直接计算的节能量为481 567.64 kWh，节能率为58.58%。2009年空调季的空调能耗为810 512.30 kWh，直接计算的节能量为1 347 939.96 kWh，节能率为62.45%(表 2)。
根据2007—2009共3 a的实测逐时室外干球温度，在2007年11月15日至2008年3月15日之间，室外日平均温度低于18 ℃的天数为119 d，采暖度日数为2 662.475 ℃·d。同样的方法得到2008—2009年采暖季的采暖度日数为2 712.925 ℃·d，则采暖气象修正系数为
根据2007—2009年共3 a的实测逐时室外干球温度，以26 ℃为同样的方法可以得到2008年和2009年空调季的度小时数分别为3 909.774 ℃·h和4 153.312 ℃·h，则空调气象修正系数为
改造前，采暖季室内平均温度为16.78 ℃，未达到舒适温度，改造后的室内温度约为21.91 ℃，比改造前提高了5.12 ℃。图 1所示为采暖季某工作日某办公室改造前后室内温度对比，可以发现改造后比改造前室内温度提高了大约5 ℃，改造后的室内最低温度为19.79 ℃，而改造前室内最高温度为19.51 ℃，热舒适性有了明显提高，且全天温度波动变小。天津地区采暖室外设计温度为-7 ℃[20]，则采暖室内热环境修正系数为
改造前，空调季的室内平均温度约为27.09 ℃，略高于舒适温度，改造后空调区平均温度降低到25.22 ℃，平均降低了1.87 ℃。图 2所示为空调季正常工作日的某房间改造前后空调季室内温度对比，从图中可以看出，即使没有改变室内空调的末端和控制方式，改造后比改造前温度有了约2 ℃稳定的降低。天津地区空调室外计算温度最高值为33.9 ℃[20]，则空调室内热环境修正系数为
由于使用者行为习惯、工作要求等原因，室内人数、劳动强度、对设备和灯具的使用情况会产生变化。但由于改造前后该建筑的使用者及工作性质没有发生变化，各房间使用性质也没有发生变化，而且2007—2009年共3 a都处于正常工作状态，因此，从全年的角度来看，采暖空调面积不变，单位面积上的人数、照明和设备的散热量基本不变，工作时间也没有变化。因此，内部负荷修正系数${\eta _{{\rm{1, h}}}} = {\eta _{1, c}} = \frac{{{q_{\rm{a}}} \cdot {A_{\rm{a}}} \cdot {T_{{\rm{1a}}}}}}{{{q_{\rm{b}}} \cdot {A_{\rm{b}}} \cdot {T_{{\rm{1b}}}}}} = 1.00$。
该建筑采暖热源为市政热网，经板换换热后通过夏季的冷冻水系统向室内供热，在采暖季，室内只把风机盘管关闭，但冷冻水泵和高区循环泵24 h连续运行，由于风机盘管能耗仅占总能耗的2%~3%，因此忽略这部分运行时间的变化，认为采暖季24 h运行，即采暖运行时间修正系数ηp, h=1.00。
对于空调系统，2008年空调季和2009年空调季运行时间如图 3所示。在2007年6月至9月共运行1 340 h，2009年空调季共运行1 121 h，所以空调运行时间修正系数为
根据以上4个修正系数的计算，据式(7)可分别得到该办公建筑的采暖修正系数为
据式(8)可得空调修正系数为
该建筑改造前后的采暖能耗分别为822 079.94和340 512.30 kWh，空调能耗分别为2 158 452.26和810 512.30 kWh。据式(9)，可得修正采暖能耗为
据式(10)，可得修正空调能耗为
据式(11)，可得修正总节能量为
根据1.2节所述修正节能量计算模型，得修正节能量如表 2所示。总修正节能量为1 642 418.05 kWh，节能率为55.10%，修正采暖空调节能量较直接计算采暖空调节能量小10.23%。其中，修正采暖节能率为48.64%，修正采暖节能量比直接计算采暖节能量小16.97%，修正空调节能率为57.57%，修正空调节能量较直接计算空调节能量小7.82%。
通过计算发现，由修正模型计算出的节能量比直接计算的节能量小，且总能耗差别在10%以上，是不容忽视的，说明节能量计算时，通过修正的方法来消除改造前后比较条件的不同是十分必要的。
为说明节能量修正模型的准确性和可信度，需对其进行验证。中国现行的《节能量测量和验证技术通则》(GB/T 28750-2012)[21]中提出了3种节能量测量、计算和验证方法，分别为“基期能耗影响因素”模型法、直接比较法和模拟软件法。笔者提出的节能量修正模型与“基期能耗影响因素”模型法思想基本一致，且上文已经论证了直接比较法的不科学性，因此用软件模拟法分别对其进行验证。
由于案例建筑主要通过改换水泵并增加变频装置，因此选用TRNSYS进行模拟。TRNSYS的全称为Transient System Simulation Program，即瞬时系统模拟程序，该系统的最大的特色在于其模块化的分析方式，只要调用实现特定功能的模块，给定输入条件，这些模块程序就可以对某种特定热传输现象进行模拟，最后汇总就可对整个系统进行瞬时模拟分析，特别适合用于系统的动态能耗模拟。首先根据建筑基本信息进行建模，室内环境参数为设计情况下的参数，外部气象条件通过实测室外温湿度，利用气象模块、太阳辐射模块、焓湿图模块和有效温度模块得到天空有效温度以及不同朝向和水平面上的太阳辐射强度，并将上述气象参数导入建筑模块，从而建立冷热负荷计算模型。由于改造后加装了变频装置，因此需要编写变频水泵模型，模型输入参数为管网特性曲线、厂家提供的水泵工频下的H-Q曲线、η-Q曲线和水泵实际运行频率，输出参数为水泵瞬时输入功率[22]。从而建立改造前后建筑采暖空调能耗计算模型。
为验证提出的节能量修正计算模型的可信度，分别对改造后的建筑模型在实际情况下和修正情况下进行模拟，模拟结果见表 3。假设系统最优化运行，输入2008-2009年采暖季和2009年空调季的气象参数、人员、照明、设备等的实际使用情况和系统运行时间，得到改造前后实际情况下的模拟能耗分别为3 095 637.60kWh(合51.59 kWh/m2)和1 076 244.48 kWh(合17.99 kWh/m2)，与实测能耗差异分别为3.86%和6.24%，差别在10%以内，即可认为模型可靠[3]。将2008-2009年采暖季和2009年空调季的气象参数改为2007-2008年采暖季和2008年空调季的气象参数，将改造后的运行时间改变为改造前的运行时间，由于改造前后内部负荷基本没有变化，从而得到修正气象条件、内部负荷和运行时间后的采暖空调系统能耗为1 501 534.69 kWh(合26.61 kWh/m2)，模拟修正节能量为1 594 102.91 kWh(合26.57 kWh/m2)，其中采暖和空调系统单位面积节能量分别为6.92 kWh/m2，19.65 kWh/m2，见表 3。与提出的节能量计算方法计算得到的总节能量差别为3.03%，采暖和空调系统节能量差别分别为3.72%和5.41%，均在10%以内，从而验证了提出的节能量修正计算方法是准确的。
从表 3还可以看出，采用模拟软件法得到的模拟计算修正节能量与直接计算节能量有12.87%的差别，其中采暖系统为13.76%，空调系统为12.55%，再次说明，改造前后内外部条件不同引起的节能量的差别是不可忽视的，计算节能量时，需将建筑放在相同的内外部条件下。
利用软件模拟的方法得到的节能量，无法消除室内热环境变化引起的能耗差别。从上述计算过程可以看出，两种方法的共同点在于，若要结果真实可靠，在计算前都需要进行调研和测试，获得建筑基本信息、使用情况、能耗状况等数据，不同之处在于，提出的节能量修正计算模型是根据公式直接计算的，而软件模拟法需要进行建模、模型有效性验证等复杂的过程。综上所述，所提出的节能量修正计算模型不仅保证了准确性，而且应用方便，若要进行大量建筑的节能量修正计算，可以提高效率，节省大量人力物力。
值得注意的是，节能量修正模型是以改造前的建筑为基准，对改造后的能耗数据进行修正。事实上，为了达到将改造前后的建筑放在相同的比较条件下的目的，也可以以改造后的建筑为基准，对改造前的建筑能耗进行修正。但是两种修正方法得到的修正节能量是不同的，所以一定要统一规定基准建筑。对于没有改造前能耗数据的建筑，《公共建筑节能设计标准》 (GB 50189-2005)中提供了基准建筑，即以20世纪80年代改革开放初期的公共建筑为比较基准[19]。因此，笔者认为节能量的计算应该是向前比较，即以改造前的建筑为基准，对改造后的建筑能耗进行修正。
通过分析公共建筑节能改造项目及能耗影响因素，提出了一种新的节能量修正计算方法，即节能量修正模型，包括4个修正系数和3个计算式，4个修正系数分别为气象修正系数、室内热环境修正系数、内部负荷修正系数和运行时间修正系数，3个计算式为采暖节能量计算、空调节能量计算和总节能量计算。以天津市某大型办公建筑为例，通过节能量的计算说明了该修正模型的适用性，并验证了方法的可靠性。根据以上分析，得出如下结论：
1) 能耗修正系数是根据改造前后建筑所处的内外部条件的不同提出的，通过修正可以消除比较前后所处条件不一致而带来的节能量的误差。由于采暖和空调系统不同的特点，需要分别对采暖和空调系统能耗进行修正。同时，在使用修正模型时，一定要先确定基准能耗，建议采用改造前能耗为基准。
2) 在案例建筑中，修正采暖节能量比改造前后采暖能耗直接相减的节能量小16.97%，修正空调节能量比改造前后空调能耗直接相减的节能量小7.82%，修正总能耗比改造前后总能耗直接相减的节能量小10.23%，可见修正引起的节能量的差异显著的，改造前后不同的内外部条件引起的节能量差异不可忽视。因此，对节能量进行气象、室内热环境、内部负荷和运行时间的修正十分必要。
3) 通过与软件模拟法进行比较，能量修正计算方法与软件动态模拟结果相差3.03%(小于10%)，说明提出的节能量修正计算方法是可信的，将该方法用于计算大量建筑的节能量时，可在保证准确性的同时提高效率。
2014, Vol. 36 Issue (5): 81-88
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