量化未充分利用的空气侧节能器所错失的能源与通风相关CO2机会：一项基于EnergyPlus/OpenStudio的校准模拟研究

《Developments in the Built Environment》：Quantifying Missed Energy and Ventilation Opportunities from Underutilized Air-Side Economizers: A Calibrated Simulation Study

　　

空气侧节能器在适宜条件下可减少机械冷却需求并增加室外空气摄入，然而，由于保守的控制设置，许多系统未能充分利用这一机会。本研究利用大型联邦商业建筑的校准EnergyPlus/OpenStudio模型，量化了节能器利用不足对能源和通风相关CO₂的影响。该模型在评估跨越九个ASHRAE气候区的扩展节能器运行和控制增强措施之前，已根据实测的整栋建筑能耗、空气处理机组（Air Handling Unit, AHU）回风CO₂浓度以及建筑自动化系统（Building Automation System, BAS）运行数据进行了校准。校准后的模型满足ASHRAE指南14（ASHRAE Guideline 14）的指标。与无节能器参考情形相比，扩展节能器运行将占用期利用率提高到43%–96%，并将年冷却能耗降低了16%–68%。通风导向型控制进一步将冷却能耗降低了25%–84%，将节能器利用率提高到60%–99%，并将每日AHU回风CO₂增幅的中位数降低了85–103 ppm（p < 0.001）。这些发现量化了错失的能源和通风机会，并识别出可回收这些机会的BAS控制策略。

人们约90%的时间在室内，建筑能耗占全球总能耗和碳排放的30%以上。新冠肺炎疫情后，室内空气质量和通风运行受到空前关注。空气侧节能器能够在室外条件适宜时增加室外空气摄入并减少机械冷却需求，是同时改善能源效率和通风潜力的重要策略。然而，许多实际运行中的系统因保守的控制设置——例如限制性设定点、有限运行时段或传感器问题——而未充分利用已有节能器硬件。以往研究主要将节能器视为节能措施，较少定量评估其在通风相关CO₂方面的作用。因此，本研究旨在量化节能器利用不足造成的能源与通风机会损失，并评估通过BAS控制调整回收这些机会的可行性。

研究人员以俄亥俄州阿克伦市一座大型联邦商业办公楼为案例，基于实测的整栋建筑能耗、AHU回风CO₂浓度和BAS运行数据，建立并校准了EnergyPlus/OpenStudio模型。在确认模型满足ASHRAE指南14的校准要求后，进一步在九个ASHRAE气候区（3A–5C）下模拟了扩展节能器运行、替代传感器控制逻辑、通道混合器运行、送风温度升高/重置及组合优化策略。结果发现，扩大节能器运行范围能够显著提高占用期室外空气利用率并降低冷却能耗；通风导向型优化策略在保持与能源导向策略相近节能效果的同时，进一步降低AHU回风CO₂增幅。这一贡献在于将能源和通风相关CO₂同时纳入评价框架，并证明无需更换主要暖通空调设备即可通过控制逻辑优化回收大部分未实现性能。

**主要技术方法**：研究使用EnergyPlus 25.1.0和OpenStudio 1.10.0建立模型。案例建筑位于俄亥俄州阿克伦市（ASHRAE气候区5A），主要服务三个变风量（VAV）空气处理机组，使用2019年全年15分钟间隔的实测整栋电耗、天然气耗和AHU回风CO₂数据。采用三阶段校准（默认、一般、调谐）将模拟与实测匹配，并用ASHRAE指南14的NMBE和CVRMSE指标评估。为隔离气候影响，保持建筑几何、围护结构、HVAC系统、人员时间表和内热恒定，仅改变天气文件及ASHRAE推荐的节能器设定点，测试无节能器、基线节能器、扩展节能器、不同传感器控制、通道混合器、送风温度重置及组合策略共七类场景。

**4.1 能源与CO₂校准结果**：三阶段校准后，逐时电耗的NMBE降至3.7%，CVRMSE降至28.6%；月天然气NMBE为0.7%，CVRMSE为11.6%；两台主要AHU的日回风CO₂校准CVRMSE分别降至6.1%和5.4%，NMBE均低于1.5%。表明校准模型能够较好地复现实际能耗和人员通风行为。

**4.2 ASHRAE推荐控制策略下的节能器利用率和能源性能**：与无节能器参考相比，即使基线节能器（固定干球、无冷机辅助）也能提高利用率和降低冷却能耗；扩展节能器将占用期利用率提高到43%–96%，年冷却能耗降低16%–68%。不同传感器控制逻辑在多数气候区影响较小，简单干球控制可能与焓控制效果相近。

**4.3 通过通道混合器和送风温度重置扩展节能器**：通道混合器将节能器低温限制从35°F降至15°F，在寒冷气候（如5A、5B）增加2%–20%的利用率；送风温度重置（从55°F提高至60–65°F）扩大了高温侧经济运行范围，在海洋性和干燥气候产生额外冷却节能7%–23%。

**4.4 能源节约与通风性能的联合优化**：组合策略同时涵盖扩展运行、传感器控制、通道混合器和送风温度重置。通风导向优化与能源导向优化在大部分气候区的年冷却节能差异小于1%，但通风导向使经济器利用率额外提高1%–17%。最终优化配置下冷却能耗降低25%–84%，经济器运行达到占用时间的60%–99%；风机能耗虽增加3%–32%，但HVAC和整栋建筑仍分别节约20%–50%和4%–17%。

**4.5 通过通风导向节能器策略降低AHU回风CO₂**：通风导向经济器策略使中位日回风CO₂增幅从约180–200 ppm降至80–120 ppm，减少85–103 ppm，所有气候区的差异均具有统计学显著性（Wilcoxon符号秩检验，p < 0.001）。这表明增加经济器运行可显著改善集合通风相关CO₂性能。

**讨论部分总结**：讨论指出，节能器利用不足是实际运营中普遍存在的问题。现场数据表明，许多联邦建筑采用的节能器设定点比ASHRAE推荐值更保守，可能源于传感器漂移、风阀故障、防冻保护或维护习惯。因此，实现模拟收益需要结合调试、传感器校验、风阀检查和适当的BAS实施。湿度控制方面，在高湿气候区应采用固定焓或差分焓控制以避免潜热负荷增加。简单控制逻辑（固定干球、固定焓）在多数气候区与更依赖传感器的差分焓策略节能相当，且传感器更少，有助于提高长期可靠性。此外，风机能耗增加并未抵消系统级节能收益。这些结果支持通过控制序列调整而非设备更换来同时改善能源和通风性能。

**研究结论**：本研究开发了经过校准的EnergyPlus/OpenStudio模拟模型，利用实测整栋建筑能耗和AHU回风CO₂数据，评估了扩展节能器运行、替代控制逻辑、通道混合器运行和送风温度重置。由于保持建筑特征恒定，结果应视为该建筑和HVAC系统的受控气候敏感性分析。主要贡献是量化了因保守节能器运行而损失的能源和通风机会，并表明通过实用BAS操作改进可回收大部分未实现性能，而无需大规模更换设备。校准模型满足ASHRAE指南14的逐时和月度能耗阈值。扩展经济器运行将占用期利用率提高到43%–96%，冷却能耗降低16%–68%；组合优化进一步使冷却能耗降低25%–84%，经济器运行占60%–99%占用小时，并将每日AHU回风CO₂增幅中位数降至约80–120 ppm。更简单的控制逻辑常能达到与传感器密集型策略相当的性能，但实际实施需考虑传感器校准、风阀运行、防冻保护、湿度控制、热舒适和完整BAS控制逻辑。