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经济分析节能技术对于复杂的生产建设

Joseph J.Kim

摘要：节能战略对于长期的生存和在建筑物上的商业成功是至关重要的。如今矿井在美国建筑物中消耗的一次能源占总量的41％。复杂的建筑拥有较高的能源消耗，比一般的写字楼具有更高的能耗，由于其操作要求，本文介绍了一个复杂的制造建筑，对此建筑实施节能技术经济分析。投资回报率是用投资回报分析和生命周期成本分析来确定。结果表明，节能技术实现了节省14％的总能源费用。节能通过采用高效率的HVAC设备和先进的荧光灯照明系统来实现的。当此节能策略应用于类似类型的建筑，会增加业主的经济效益和环境效益的。

关键词：建筑节能；能源效率；节能措施；生命周期成本；制造业建设；经济分析

1 引言

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世界能源消费量预计2010-2030年间增加33%（阿卜杜拉齐兹等，2011）。建筑能耗约占发达国家的能源消费总量的20-40％。例如，在2010年期间，美国，建筑行业消耗占一次能源总量的41％（美国能源部，2011年）。化石燃料在一次能源消费中上升82％（EIA，2011）成为主要来源。这些能源资源是有限的，主要导致了二氧化碳（CO2）的排放量，每年超过2％（DOE，2011）在全球崛起。全球二氧化碳排放量超过3100万公吨，2010年美国的排放量超过500万吨（EIA，2011）。二氧化碳排放量的上升归因于能源消耗和低效率的能源使用的增加（阿卜杜勒 - 阿齐兹等，2011）。

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在一个复杂的环境中，需要更多的能量消耗，其中能量消耗较大的是五到十倍塔纳典型的办公大楼（赖利和沃尔什，2012）。复杂的建筑物被定义为“有特殊或不寻常的功能要求（如健康和安全）和明显影响可持续性发展的标准”的建筑物（马修等，2004）。因此，为降低能耗和相关环境的负面影响可以发挥复杂的建筑能效的巨大潜力。温室气体排放产生的相关负面环境问题已与全球变暖（凯塞尔，2000），自然灾害（范·阿尔斯特，2006年）增加密不可分。此外，节省能源成本在建筑物的长期生存能力显著作用和商业上的成功起到关键作用（Orlitzky等人，2003）。

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建筑节能主要体现在改善能源消耗在空调和照明系统上的努力。供暖，通风和空调（HVAC）系统占近一半建筑物的能源消耗（瓦利等，2009），其次是人工照明消耗占建筑总能耗的五分之一左右（科兹明斯基等，2006）。能源暖通空调和照明系统的节能措施有20％以上的节能潜力。然而，研究迄今还没有一个复杂的生产建筑提供节能策略。因此，本文重点展示生物技术制造的节能建筑，因为这种类型的综合楼需要特殊的健康和安全码法规，这导致能源消耗比典型的商业建筑要高得多。

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这项研究的主要目的是评价节能技术，并且研究成本和实施这种技术的好处。用来实现目标的学习方法包括：确定实施项目的节能技术;计算这些技术的能耗成本作为基线，美国供暖制冷和空调工程师协会（ASHRAE）90.1-2007标准（ASHRAE，2007年）;并确定这些技术基于其能源节约成本的投资回报。

2 背景研究和文献综述

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本节重点介绍的是实验室和医院，这是复杂的建筑物的一个具体例子。一个实验室对健康和安全的设施具有特殊要求，综合楼是一个直接影响能源需求的例子（马修等，2004）。根据各种安全码法规和健康安全原因，根据各种代码规则，因为健康和安全的原因，实验室需要在100%通风的条件下，计算出每小时换气的次数。因此，HVAC系统在实验室的能耗比一个典型的商业建筑（赖利和沃尔什，2012）高。复杂的建筑需要100％的室外空气通风，空调的能源消耗超过50％。通风空气占空调能耗20-40％（瓦利等人，2009）。此外，实验室照明消耗约占总发电量的8-25％（科兹明斯基等，2006）。由于这种能量高消耗率，美国环境保护署和美国能源署联合赞助方案实验室21，为了提高实验室的节能性能（马修等人，2004）。

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该指南实验室21提出了减少暖通空调和照明系统能耗几种策略。一个可能的策略，特别是用于减少HVAC能量消耗，能源消耗是一个热回收系统，该回收系统通过使用热量在内部调和空气预热进入外部的空气，从一个空气流并将其转移到另一个空气流的热量。该系统包括管道，热交换器和风机（Mardiana-Idayu和Riffat，2012年）。能量回收系统的其他战略包括焓轮，热管和周围运行循环。此外，围护结构设计和适当的保温有助于加热和冷却负载（Kaynakli，2012）的减少。这个特定的策略具有节省能源，并有可能导致建筑物（赖利和沃尔什，2012）所需要的设备的小型化。能源实验室的第二大用户是照明系统。该实验室21指南建议光系统节能策略;如日光集成到照明计划，高效节能灯具和镇流器，双层照明控制和感应器（科兹明斯基等，2006、Ryckaert等2010）特别提到在照明系统中使用T5或T8荧光灯能源效率。

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除了提供的一般领导性意见，实验室21计划还包括案例研究，详细介绍了实际的实验楼，如在亚特兰大的白石研究大楼，西雅图的佐治亚州和弗雷德哈钦森中心，华盛顿采用了特定的能源战略。这些案例研究提供的实际节能成本的各种指南建议的一体化的完整布局。第一个案例研究评估了位于埃默里大学白石生物医学研究大楼，这已导致22％的节能效果，或$167 300能源成本的整体节能效果，相比于基准建筑会议ASHRAE标准90.1-1999这个建筑采用能源回收措施。安装了四个焓轮子是白石建筑所实施的节能措施。该能量回收系统混合回风背部与供给的空气从100％降低到75％外界空气供给，并减少25％的空调能源成本。此外，来自冷却系统的冷凝物回收并循环到冷却塔。对于日光整合，白石厦的目的是使90％的办公室和实验室空间的窗户，当照明系统的编程关闭时，有充足的自然采光可用以获得自然光。高效节能灯和镇流器也安装在运动传感器上，当区域在没有被占用灯时将关闭（卡莱尔等人，2005）。

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第二个案例研究了节能措施在矿井弗雷德·哈钦森癌症研究中心，这导致了26％的能源节约。该建筑的节能策略包括安装高效设备，如：变速驱动电机（VSD）、冷水机组、水泵和电机。用于HVAC系统，可变容积/可变压力控制器被安装，以允许的能量的1/3的积蓄，相比于恒定压力/恒定体积设计。安装了高效灯具和可编程控制和运动传感器的镇流器，以降低照明能耗，如果该区域是没人住,灯下午9:00自动关闭，此外，温度设置可以摩擦加热和设立冷却占用和UNOC占用小时。作为建筑物的窗玻璃，低辐射玻璃被安装在墙壁空间的20％里面，以节约能源（Walker等人，2001年）。

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医院建筑是复杂建筑物的另一个例子。1994年Santamouris等人在希腊33个医疗机构（24家医院和9家诊所）能源消费进行了一项研究。收集每个建筑的总电和热消耗。单个系统，例如加热和照明能源，基于设备规格和用途的预计使用小时然后计算。计算表明，医院和诊所平均每年的能源消耗分别为407千瓦时/平方米（31.81千瓦时/平方英尺）和274.7千瓦时/平方米（25.52千瓦时/平方英尺）。这种数据的分析表明，大多数的能源消耗的是由于空间加热（在医院73％，在诊所65％），其次是照明（在医院12.8％，在诊所9.4％）。

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1994年，Santamouris等人推荐了几种节能措施，减少在医疗设施加热和照明系统中消耗的能量;如建筑物的适当取向，改进的热绝缘性，和使用更高效率的燃烧系统。对于照明系统的改进，这项研究建议使用更高效率的荧光灯，电子镇流器，感应器，并利用自然采光。这项研究的医疗保健设施的节能措施有20％能耗降低的潜力（Santamouris等，1994）。对实验楼采用相同的节能减排战略的两个顶级终端用户分别是暖通空调和照明系统，作为建筑节能的结论。

3 研究目标和方法

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在关于建筑物的能源消耗，文献综述显示，空调系统占了近一半建筑物的能源消耗，其次是人工照明消耗约占总能量的五分之一。虽然暖通空调和照明系统的节能措施具有潜在的能源节约能力，迄今没有研究提出对于复杂的制造建筑物的节能策略。因此，本文的预期从节能技术评估执行复杂的制造建筑策略的好处。参考的节能减排技术，空气处理机组，冷水机组和照明系统，被选为与从业人员的交流的结果。另外，提出了一种财务分析，以确定是否节能设备的增加成本在经济上是可行的。

表1.建筑功能和AHU

为了实现本研究的目标进行三个任务。首先，笔者通过跨视图与项目经理收集节能设备和设备的成本的能源需求的数据。对一个复杂的制造建筑实施的节能技术进行鉴定并获得一个设备成本报告。与机械，电气和给排水工程师（MEP）的另一次采访中，从设施经理处获得了收集装备送审的能源需求数据和站点的利用率。

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第二，根据ASHRAE90.1-2007基线建筑物的能耗计算节能设备的能耗。计算每平方英尺瓦每个系统的能源需求，然后，该数据被转换为每平方英尺千瓦小时能量消耗。然后计算每平方英尺能源成本。最后，由于节能技术的实施进行投资回报（ROI）的返回。两种方法用于计算在节能设备的投资回报，包括回报分析和寿命周期成本分析。在矿井第一方法中，计算的以实现初期投资所需年数。在第二种方法中，净现值和内部收益率都由节能技术的附加成本来决定。

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用于该研究的复杂的制造建筑是用于治疗人类产生自人血浆的分馏用途的衍生可注射蛋白制造工厂的一部分。该项目最新建设在11.6英亩（46943.58平方米）的网站，建筑面积145450平方英尺（13512.74平方米），包括两个层次，其中包括一个地下室和两个间质性水平。制造业建筑的空间主要包括：洁净室，控制的支撑位和实用的空间。干净的房间和支撑位位于一楼和二楼。地下室，一楼间质和二楼间是公用空间。表1是归纳用于每个功能的系统，一共包括有18个安装空气处理机组（AHU）。

4 节能减排技术

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4.1 空气处理机组

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洁净室空间必须符合食品和药品管理局要求，包括特定的温度，湿度和颗粒条件（FDA，2012）。为了满足特定的温度的要求，需要在建筑物的空调系统，以达到最低限度的洁净室为每小时换气20（ISO，1999年）。由于温度只有一个范围，再循环的空气处理机组供气80％。空气处理机组由多个（不同的2-6个）小风扇排列，而不是典型的一个或两个大风扇。这些风扇是由具有90％的效率和集成变频驱动高效电机驱动。空气处理单元的控制系统，根据其需求自动配置活性风扇的数量和速度。单位的总马力是通过将个别系统风扇马力来确定。总马力然后由746 W /马力乘以换算成瓦（阿卜杜勒 - 阿齐兹等，2011）。对于AHU的总空气流是通过个别每分钟（CFM）所有的立方英尺空气流决定。每立方英尺的能量需求（DE）是由CFM乘以总功率（瓦）除以总气流计算，并表示为：

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要计算每平方英尺的能源需求，在每平方英尺的瓦功率除以总建筑面积为：

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每平方英尺每年的能耗估计为AHU是由每年的总小时数估计百分比乘以千瓦的总功率来确定，这个和随后除以总建筑面积。假设AHU在年度基础上可以进行百分数操作。该方程可写为:

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每平方英尺每年的能源成本估算（CE）是由实用率和每年的能源估计消耗量相乘来计算：

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对于AHU，基线能量需求是基于所述ASHRAE90.1-2007（ASHRAE，2007）1.6 W /立方英尺。

4.2 冷水机组

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冷水机组冷却系统包括四个离心式冷水机组拥有1264吨总容量。冷却器具有在满负荷每吨制冷（千瓦/ TR）0.561千瓦的效率等级，并且被设计为最大的效率。该机组是与适应能力控制变频驱动指定。该冷却系统允许温度被设定为。此外，控制系统连续地学习并保存最佳速度为各种负载参数运行优化。其他功能还包括高效换热器和压缩机的叶轮。要计算每平方英尺冷水机组能源需求（DE），冷水机组满评级每吨千瓦负荷由吨冷水机组总容量和机组比例年度经营估计相乘。这是随后通过由1000相乘然后转换为瓦特，结果再除以总建筑面积，假设冷却器在年度基础上运作的50％。

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每平方英尺估计每年的能源消耗是通过在吨冷水机组总容量和每年的总小时冷却器的百分比的适龄年度经营估计冷水机组满评级

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