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1.2
国内外研究现状

1.2.1校园建筑节能研究现状

1)国外研究

国外的高校建筑节能研究是从关注绿色校园建筑开始的。1998年,Kellyn介绍了美国蒙大拿州立大学计划兴建的第一所绿色学院科学馆,主要用当地材料建设,取消下水道系统,污水被处理后用于建设湿地系统,该成为展示现代最低污染建筑技术的窗口。2002年,Bonnet等人以波尔多大学为例,分析了高校校园的水电终端利用情况,评价了图书馆、行政部门、教室、学生宿舍、食堂、实验室、运动场等不同建筑的水电消耗率,指出高校水电利用接近中等规模城市,终端利用消耗比例最大的为科研部门和学生宿舍。2004年,窦强分析了英国诺丁汉大学朱比丽校区应用的可持续发展和生态设计概念,即通过雨水回收、智能照明中央系统统一控制、外遮阳及自然通风辅助机械通风等方式实现高校节能运行管理,并测算得到高校建筑能耗约为85kW·h/(m 2 ·a),与主校园相比节能约60%。

2007年7月,美国绿色建筑委员会正式颁布了《面向学校的绿色设计评估体系》,该评估体系实质上是针对学校特殊情况的绿色建筑评价认证评估体系,这表明国外政府开始重视高校建筑节能运行。国外许多高校都积极进行节约型校园建设实践,从校园整体规划到学校建筑节能等诸多方面提出了大量行之有效的具体措施。目前的研究趋势都体现在削减碳排放方面,主要目的是建设节能降耗的绿色校园。

2)国内研究

国内关于高校建筑节能运行的实践亦起源于绿色校园建筑理念。2006年,顾晓薇等人通过生态足迹成分法基本原理和计算模型研究,表明高校生态足迹主要成分为能源消耗、食品消费和垃圾排放,并从节能、杜绝食品浪费、垃圾处理以及开展有效的生态教育等方面提出了具体的规划措施和建议。2007年,赵纯研究了高校的环境艺术设计,他以理论和实践相结合的研究方法,分析了高校绿色设计的一些主要原则和方法。2010年,徐进分析了同济大学节约型绿色校园的建设方法,即利用学校的学科综合优势从节能技术上进行不断的创新,使在校学生在这些建设实践中切身感受并提高对资源节约、保护环境的意识,改善能源消费习惯,并通过在学生中形成相互监督以提高约束效果,通过建设节约型绿色校园,同济大学每年节约费用高达1 200万元。杨琦分析了绿色大学校园的规划设计理论,从可持续发展的社会、经济和环境3个方面分析、确定了绿色大学校园的四项规划设计原则和相应的规划设计对策,最终提出了绿色大学校园的宏观、中观、微观3个层次的规划设计方法。2011年,游小容通过研究兰州大学的绿色校园建设情况,对绿色校园建设中存在的问题及原因进行了分析,并为推进兰州大学绿色校园建设工作提出了一些对策和建议。林宪徳通过研究表明,台湾第一座“零碳建筑”——台湾成功大学“绿色魔法学校”的最自然、最便宜的吊扇设计与灶窑通风系统让办公室与国际会议厅的空调分别节能76%和27%,并证明其多项建筑设计效益均达到节能65%的超高水平。

2008年,住房和城乡建设部、教育部联合多所高校编制了我国《高等学校节约型校园建设管理与技术导则(试行)》,正式开始全面规范节约型校园的可持续发展建设,并于2009年4月联合全国12所高校进行了校园建筑节能监管平台示范建设,同年组织编制了关于校园建筑节能监管体系建设及管理的技术导则、能耗统计、能源审计、能效公示及评价方法等。至此,以可持续发展为目标,以管理节能为重心,以节能效益为动力,以节电、节水为抓手的高校建筑节能监管体系建设正式拉开序幕,为高校能耗的监控、量化管理、节能潜力挖掘奠定了基础。

从目前的研究情况来看,高校节能运行管理主要侧重于绿色校园建设规划及评价等方面,更多地涉及设计理念,缺乏实际可操作的具体技术方案设计,尤其是针对高校实际能耗特性的具体技术措施和适应性评价内容。本研究将针对高校能耗中的主要环节——空调系统能耗,研究具体可操作技术措施和适应性评价,为高校建筑节能运行管理提供可操作的决策参考。

1.2.2空调系统节能优化运行研究现状

1)国外研究

空调系统为高校能耗结构中的主要环节,因此,研究空调系统节能运行方式对高校建筑节能具有重要的指导意义。空调系统的优化运行方式包括合理选择制冷/热源机房设备、制订合理的运行方案。国外对空调系统的节能优化运行研究始于1982年。Chun等人通过对某大型纺织厂空调系统部分运行参数进行检测,推导出各可测变量之间的线性关系式,建立冷水机组能耗模型,并运用单目标函数Nelder-Mead优化算法,求出使整个系统运行费用最低的冷冻水供水温度,使冷水机组年运行能耗减少12.5%。Thielman等人提出控制冷冻水供水温度、冷却水进水温度和控制开机顺序等空调系统优化运行方式,并建议采用能源管理与控制系统控制冷水机组运行,以实现对冷水机组优化控制的目的。1984年,Enterline等人对空调水系统各组成部分进行优化控制研究,并将冷水机组和冷冻水泵能耗之和作为目标函数,通过连续计算冷水机组及冷冻水泵能耗相对冷冻水温度的导数,求出冷冻水最优设定温度。1990年,Olson等人对具有多台冷水机组、冷却塔的空调系统进行优化运行研究,考虑冷冻水供水温度、冷却水回水温度、冷水机组启停、冷却塔风机转速等因素,利用反映冷水机组与冷却塔风机能耗模型的经验模型,采用二次规划算法进行优化计算。当时的各项研究并没有从系统的角度考虑冷水机组的能耗与冷冻水、冷却水温度及流量的关系,因此,也难以实现对整个系统的优化控制。

1993年,MacArthur等人采用动态预测模型对空调系统进行优化运行研究,开发出多变量控制预测器,通过自动回归获取模型参数,采取滚动时域控制法寻找最佳变量设定值,并以一组变频热泵COP作为优化目标,研究表明,系统连续运行24 h后,总能耗减少20%。Austin等人对冷水机组和冷却塔在不同运行状态和室外气象条件下的性能进行研究,发现冷却水流量的增加降低了冷水机组能耗,但是增加了冷却水泵能耗;当冷却水温和室外湿球温度的相差较大时,冷却水流量的增加对冷却塔风机能耗影响不大,在此基础上可对不同工况下的冷冻水、冷却水温度及其流量、冷却塔和冷水机组的开启进行优化。1995年,Hartman提出将DDC控制用于空调系统末端,并讨论了VAV系统、照明、房间温度和冷水机组的优化运行。

针对水泵与风机的变速调节,1991年,Rishel提出用压差控制阀的连续信号控制水泵转速,可以实现系统高效运行,以降低能耗。1996年,Hartman提出将冷冻水系统分成相互联系的两个回路。其中,一次回路是通过冷水机组的回路,流量恒定;二次回路是通过末端的回路,可以根据用户负荷的变化实行变流量控制。Redden用模拟方法研究冷水机组在满负荷率与部分负荷率时运行的效率差异。1998年,Larry Tillack对压差控制的位置设置以及计算机与变速水泵信号的连接问题进行了分析。1999年,Harris Bynum对变流量系统中压差控制阀的设置等问题进行了讨论。2000年,Waltz对冷水机组可否变流量以及如何实现变流量进行了分析。2000—2003年,Schwedler分析了冷水机组中蒸发器变流量的问题和可能性。2001年,Avery针对空调系统变流量运行时如何提高冷水机组的效率进行了探讨。2004年,Bahnfleth指出,在设计合理的情况下,一次泵变流量系统是可行的,并能够减少一次投资和运行费用。2005年,Hartman从冷水机组的实际运行效果出发,指出可以对冷水机组进行全变速设计,即压缩机变速、冷冻水泵变速和冷却水泵变速。

2)国内研究

随着空调技术的成熟及普及,国内对空调系统节能优化运行方面的研究逐渐增多。1998年,Shengwei Wang等人建立了离心式冷水机组、热交换器、变速水泵等动态模型,对某海水源热泵系统的能耗、水力和控制等方面进行了动态模拟,提出了空调能源与管理控制系统的在线控制策略。2000年,Shengwei Wang等人采用简化系统物理模型,建立了综合风机、水泵、冷水机组能耗,室内热舒适性和通风效率等因素的目标函数,使用遗传算法对空调设备运行参数进行了在线优化。2004年,Yao建立了冷水机组、水泵和冷却塔等设备的经验模型,并在经验模型的基础上,以系统性能系数为目标函数,对空调冷源进行了优化控制。2005年,Lu等人提出了用改进的遗传算法来解决空调系统的全局优化问题,寻找最佳的运行参数设置值。2006年,孟华等人从中央空调水系统全局出发,建立了基于简单物理特性的数学模型,用来预测控制变量对目标函数的影响,同时采用自适应控制技术进行模型参数的在线辨识,并以基因遗传优化算法获得各控制变量的最优解。

国内在水泵和风机变速调节方面也进行了较多的研究。吴延鹏和马伟宪分别在1999年和2004年分析了变频调速技术在空调水系统中的应用和实现方法。2000年,林心关对二次泵系统的变速控制进行了分析。2001年,余宝法等人提出了一种供热自动控制模型,通过对热源和热媒参数及流量的动态控制,实现了热量的动态供应。朱贞涛针对离心泵几种常见的流量调节方法进行了能量损耗对比实验分析。李洪斌讨论了给水工程中并联水泵系统变压变流量的优化调节问题。胡益雄等人针对热水供暖系统进行了调速水泵的能耗分析。2002年,张燕宾综述了目前我国泵与风机变频调速的应用状况和应用技术。狄洪发对开式系统变速泵的节能量计算进行了探讨。王寒栋和罗新梅在2003年和2004年分别从相似理论出发,指出了多数情况下,水泵变速前后并非相似工况,不能直接运用比例定律进行包括功率在内的工况参数换算。2003年,吴捷等人针对空调系统中的水泵和风机如何实现变频控制行了探讨。2004年,黄文厚对一次泵空调水系统在冷水机组变水量运行过程中可能出现的问题给出了不同冷水机组台数组合的控制方案和其他环节的控制策略。杜文学分析指出,空调水系统采用变速调节的一次泵比二次泵更节能。2005年,梁春生等人对中央空调系统实现变速调节的控制理论和方法进行了全面论述。

在变速调节的基础上,针对变流量系统的整体优化设计,2004年,张建东全面论述了变流量水系统的设计问题,包括水泵的选择、旁通管的设计、控制点的位置和压差设定值的大小、冷冻机的选型和运行次序等。孙一坚提出了采用温差控制法来进行一次泵系统变流量运行的设计。阎坤惠讨论了流量动态控制技术在空调系统中的运用。

目前,关于空调系统节能运行的研究都开始考虑水泵变化对冷水机组能效的影响,提出了水泵和冷水机组的全局优化控制方案。然而,关于冷却水系统变频的研究,由于存在冷水机组、冷却水泵和冷却塔三者耦合的问题,因此目前的研究往往抛开冷却塔仅研究冷却水泵与冷水机组的相互影响,或仅通过冷却塔热力性能研究冷却塔的优化运行。本研究将全面研究冷水系统、冷却水系统及空调末端的全局优化运行策略,研究冷却水系统时,综合考虑机组、冷却水泵及冷却塔三者的耦合模型,提出以冷却水系统综合能效最高为目的的最佳冷却塔出水温度控制策略,避免冷却水泵和冷却塔独立研究的片面性。

1.2.3合同能源管理研究现状

1)国外研究

20世纪70年代中期以来,合同能源管理在市场经济国家中逐步发展起来,并开始在全球范围内推广,尤其是在美国、加拿大、欧洲等国家和地区,合同能源管理已发展成一种新兴的节能产业。将合同能源管理模式引入高校校园建筑节能运行管理,对解决高校建筑节能改造及运行管理的资金困难、节能技术及设备缺乏等问题起着积极的作用。

在合同能源管理自身发展理论方面,2005年,Edward Vine从公司数量、项目开展方向、节能服务行业发展障碍、节能服务行业在2001年前完成的总产值及全国节能服务公司总体发展状况等五个方面对38个国家的节能服务公司进行了综合调研,分析了节能服务公司目前的发展情况。Paolo Bartoldi等人从政策支持水平、市场结构规则和合同能源管理项目实施多样性等方面指出了欧盟各国在实施节能活动过程中存在的差异;并基于各国的成功经验以及现有和即将颁布的法律法规,提出了推进欧洲节能服务产业发展的措施。

在合同能源管理促进措施方面,Myung-Kyoon Lee等人指出政府在解决影响投资节能服务公司制度与财政障碍过程中的重要性,根据其在推广过程中遇到的困难,指出仅依靠市场调节不能达到预期效果,需要政府建立适当的促进调节机制,并从经济学角度提出可行的节能方案。Milou Beerepoota等人基于荷兰既有建筑节能改造革新经验研究指出政府颁布政策法规标准等的重要性。

在合同能源管理评价方面,Steve Sorrell提出不同企业环境下合同能源管理可行性分析评价框架,将影响改造费和服务费的各项因素考虑在内,对不同背景下的企业实施合同能源管理给予科学可靠的评估方法,并通过实验研究。Evan Millsa等人就节能项目中资金及项目管理风险问题进行了研究,并综合能效专家和投资决策专家的意见和建议,对节能项目各方面可能存在的风险进行了精确分析和定量化评价;以建筑节能财务风险为例,分析了鉴定、量化及管理风险的技术方案。Konstantinos Patlitzianas等人提出的多维决策支持体系,包含了专家子系统和多标准决策支持子系统,考虑了文化和气候变异等能源市场新参数,并在部分欧盟候选成员国中成功实施,为节能服务产业发展提供了良好的运作环境。Mark Kaiser等人以路易斯安娜能源基金为例,通过建立投入—产出模型,从经济、能源和环境影响等方面对能源合同进行定量评价,并通过对基金支持的能源合同实例分析,表明能源基金对促进节能服务产业发展起着尤为重要的作用。

2)国内研究

国内的合同能源管理研究起步较晚,尤其是在实践推广方面,与发达国家差距较大。从1997年引入合同能源管理以来,各界人士开始重视这方面的研究,从整体来看,合同能源管理在我国的应用还不完善。

2006年,吴玉萍等人通过总结我国建筑节能发展存在的政策制度障碍,提出了进一步推进我国建筑节能发展的政策建议。一是完善国家建筑节能法规以及技术标准体系;二是建立相应的权威协调管理机构;三是建立中央财政预算建筑节能政府基金,制订经济鼓励政策;四是推进城市供热收费体制改革,制订合理的热价和收费办法,使供暖收费货币化;五是建立国家建筑能耗评估体系以及建筑节能技术产品的评估认证制度;六是进一步加强建筑节能监督管理。

2007年,李菁等人对既有建筑节能改造的资金供需现状和融资障碍进行了分析,指出政府应对市场失灵等问题进行及时协调,创造良好的外部促进环境和条件,特别需要改革和创新经济政策,将僵化的政府直接主导型融资方式有序地转化为政府引导下的市场化运作方式,最后从确立合理的成本分担机制、实施有针对性的财税政策、发展节能服务市场、制订积极的能源消费价格、发展和完善节能信息平台五个方面提出对策建议。孙金颖等人分析了西南地区公共建筑节能改造投、融资机制存在的问题,结合国家政策发展方向、节能改造特点和地区经济技术发展水平,根据不同公共建筑类型,设计了政府融资、政策性融资和市场融资相结合的投、融资机制。梁境等人根据国外先进经验,结合我国公共建筑节能管理与改造工作存在的主要问题进行了制度设计,主要体现在四个方面:一是用能定额制度和能源审计制度的效果管理;二是政府办公建筑率先改造的改造示范;三是罚劣奖优机制的改造激励;四是推行合同能源管理等模式的市场引导。最后指出,公共建筑节能的长远发展不能仅依靠国际组织的赠款,也不能只依靠国家和政府部门的行政指令,它必须符合市场经济的规律。

2007年,王李平将风险度量的多维功效函数模型与风险效用理论相结合,完善了多维功效函数模型,为节能服务公司的风险度量提供了更为科学、合理的方法。王婷运用层次分析法和灰色系统理论,通过定量分析识别项目风险,进行风险管理,提高收益。尚天成针对合同能源管理项目在企业的实施状况,以合同能源管理项目为研究对象,运用模糊综合评价理论对其风险进行定量评价,给出合同能源管理项目风险控制的指导思想和模型。

张晓萍在原有商业模式的基础上,通过对我国合同能源管理的SWOT分析,提出两种新型复合商业模式,并得出一个我国节能服务公司的发展战略,有助于合同能源管理的发展以及节能工作的开展。占松林提出应制订相应的奖励制度,以提高科技研发人员、建筑节能改造实践者,以及建筑节能相关环节推广人员等主体的主动节能积极性。吴施勤研究了政府机构与节能服务公司进行节能合作时,合同能源管理实现的双赢效果,并针对目前的财务制度,提出了非固定资产及固定资产改造两种对策。王广斌通过分析我国政府机构能耗状况和节能潜力,论证了合同能源管理模式的运作机制及其对政府机构节能的适应性,并提出了在政府机构中实施合同能源管理的相关政策性建议。尹波在分析了大型公共建筑节能管理模式的特点之后,提出在行政手段和市场机制相结合时,应把引入合同能源管理与市场机制挂钩;丰艳萍对我国大型公共建筑监管进行讨论后指出,实现节能管理分两步走,一是监管,二是引入市场化节能改造,即合同能源管理。

目前,关于合同能源管理的研究大多是从管理学角度,集中于自身机制,脱离实际的可操作性技术方案。本研究将结合具体的节能技术措施和合同能源管理模式,提出相应的适应性研究,为发挥合同能源管理对高校建筑节能运行的促进作用提供有价值的决策参考。 D3FV5UEFE0Kor9sabFGDf+qSSXte7GHv9bO3TxdYFEFOPt5FFhrSvW3uQGDICsvS

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