淺談城市大型公共建筑能耗與節(jié)能改造決策研究

時間：2021-03-31作者：安科瑞電子商務(wù)（上海）有限公司瀏覽：50

朱鹍
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：本文以公共建筑中酒店類建筑為例，基于酒店的用能現(xiàn)狀數(shù)據(jù)、潛在節(jié)能改造方向、改造投資額等數(shù)據(jù)，通過采用線性規(guī)劃的分析方法，得出在達(dá)到節(jié)能率指標(biāo)的情況下，實(shí)現(xiàn)改造投資的經(jīng)濟(jì)優(yōu)化，為下一步公共建筑節(jié)能改造提供分析方法。
關(guān)鍵詞：公共建筑節(jié)能 投資規(guī)劃分析 節(jié)能改造技術(shù)
1 前言
1.1 研究背景
**以來，中國經(jīng)濟(jì)保持了高速增長，特別是近年來城鎮(zhèn)化步伐加快，中國建筑規(guī)模大幅增加。建筑能耗是繼工業(yè)、交通能耗之后的三大社會能源消耗主體。隨著建筑規(guī)模的擴(kuò)大，建筑節(jié)能成為中國節(jié)能降耗的重要內(nèi)容，特別是公共建筑節(jié)能。根據(jù)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部2017年2月發(fā)布的《建筑節(jié)能與綠色建筑發(fā)展"十三五”規(guī)劃 》要求，"十三五 ”期間公共建筑節(jié)能改造的主要目標(biāo)是：公共建筑節(jié)能改造1億平方米。因此，“十三五"期間公共建筑節(jié)能仍然任重道遠(yuǎn)。
1.2 研究內(nèi)容和方法
本文主要研究上海市公共建筑節(jié)能改造系統(tǒng)的選擇， 以旅游飯店建筑為例，基于該類酒店現(xiàn)有的用能系統(tǒng)數(shù)據(jù)、潛在的節(jié)能改造系統(tǒng)節(jié)能量和相關(guān)投資估算，通過采用規(guī)劃分析的方法，分析在一定節(jié)能率的要求下，投資額低時的改造系統(tǒng)選擇，為下一步企業(yè)投入節(jié)能改造提供經(jīng)濟(jì)有效的分析方法支持。
2 節(jié)能改造經(jīng)濟(jì)性分析
針對大型公共建筑的節(jié)能要求，投資金額往往是業(yè)主方考量的重要因素，本文以上海某五星級酒店為例，通過改造前用能系統(tǒng)能耗、節(jié)能改造方向和相關(guān)投資數(shù)據(jù)，分析在一定節(jié)能率的要求下，投資量低時的改造系統(tǒng)選擇。這是一個資源分配問題，決策目標(biāo)受低節(jié)能率(如，較**年節(jié)能10%)的制約，同時要求在低投資額下**節(jié)能率目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。
2.1 酒店基本情況
本文研究對象為上海某五星級酒店，酒店主要能源利用系統(tǒng)包括：空調(diào)系統(tǒng)、鍋爐供熱系統(tǒng) (冬季采暖、生活熱水、洗衣房消毒、除氧)、照明系統(tǒng)、電梯系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)等。酒店改造前，總能耗如表 1所示，其中：根據(jù)《綜合能耗計(jì)算通則》 (GB/T2589-2008)，電力的折合標(biāo)煤系數(shù)采用電力(等效電)為0.350kgce/ (kW?h)，燃?xì)獾恼酆蠘?biāo)煤系數(shù)采用氣田天然氣為1.2143kgce/m3，水的折合標(biāo)煤系數(shù)為0.0857kgce/m3。
酒店主要用能系統(tǒng)的情況如下 ：
(1) 照明系統(tǒng)：酒店照明光源共21250套，光源類型包括MR16鹵素射燈、螺旋或U型節(jié)能燈、白熾燈、T5 日光燈帶、T8/T5 熒光燈。適合改造的燈具共7229盞。
(2) 空調(diào)系統(tǒng)：酒店冷源系統(tǒng)現(xiàn)有約克離心機(jī)組4臺，制冷量 700RT/臺，額定輸入功率490kW，蒸發(fā)器承壓1.60MPa。
(3) 變配電系統(tǒng)：酒店供電系統(tǒng)為兩路供電，供電總?cè)萘繛?2000kVA，每路供電配備為2臺2500kVA和1臺10OOkVA變壓器，35kV直降0.4kV系統(tǒng)，6臺變壓器皆處于較低負(fù)載工況，尤其是兩臺1000kVA 變壓器的工作效率較低。
(4) 蒸汽鍋爐系統(tǒng)：鍋爐房內(nèi)有蒸汽鍋爐4臺，1用3備，4臺鍋爐來回切換使用。單臺鍋爐的額定產(chǎn)出蒸汽量為6噸，單臺鍋爐額定工作壓力0.78MPa，寒冷日消耗天然氣量1000017。
(5) 電梯系統(tǒng)：酒店電梯共X臺，包括客梯、貨梯和員工梯。
2.2 酒店改造措施及單系統(tǒng)節(jié)能量
從技術(shù)的節(jié)能量、酒店的安全性、系統(tǒng)穩(wěn)定性和減少對酒店的影響等幾個因素考慮，篩選出部分可行的節(jié)能改造措施。每個設(shè)備的節(jié)能量是通過以下兩種方式之一或結(jié)合所獲得：
(1) 理論值：將設(shè)備理論的額定功率定義為改造后的用電功率。
(2) 模擬分析：通過能耗模擬軟件Energy Plus,設(shè)定改造后的使用環(huán)境，然后模擬出節(jié)能量。
酒店可以采取的節(jié)能措施包括:
(1) 照明系統(tǒng)：采用節(jié)能的LED燈具替換原有燈具。照明燈具的節(jié)能量 = (原燈具功率-改造后燈具功率) x平均運(yùn)行時間x運(yùn)行天數(shù)。
(2) 低區(qū)生活熱水改造：擬選擇6臺熱泵熱水器主機(jī) (可滿足66.7%負(fù)荷、80% 使用工況的需求)。 通過計(jì)算采用空氣能熱泵熱水器后，系統(tǒng)年減少天然氣消耗為322930m3 ,系統(tǒng)年增加電量消耗為 613568kW–h。
(3) 游泳池?zé)崴脑欤簲M選擇3臺熱泵熱水器主機(jī)(可滿足60%負(fù)荷，75%使用工況的需求)。通過計(jì)算采用空氣能熱泵熱水器后，系統(tǒng)年減少天然氣消耗105174m3，同時系統(tǒng)年增加電量消耗為199831kW?h。
(4) 電梯勢能回饋：擬為電梯增設(shè)勢能回饋裝置，可將電梯運(yùn)行中多余的機(jī)械能(含勢能、動能)，預(yù)期年節(jié)能量約113040kW?h。
(5) 變配電系統(tǒng)改造：對兩臺WOOkVA變壓器進(jìn)行減容改造，減容改造后供電總?cè)萘拷禐?0000kVA。變配電系統(tǒng)節(jié)能改造的年節(jié)能量為131575.2kW?h。
(6) 增加能源監(jiān)測和管理系統(tǒng)：酒店建立能耗監(jiān)測管理平臺可以以實(shí)際能耗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)對酒店的現(xiàn)有用能狀況進(jìn)行分析，做出相應(yīng)節(jié)能診斷，得出切實(shí)可行的節(jié)能辦法，包括管理節(jié)能、技術(shù)節(jié)能和公示行為節(jié)能，降低酒店的能源消耗，提高酒店的運(yùn)行管理水平，預(yù)計(jì)節(jié)電量為383523kW?h。
2.3 問題分析和模型建立
2.3.1 問題分析
這是一個混合型的線性規(guī)劃問題，首先需要滿足改造后的節(jié)能量與改造前相比減少10%，即節(jié)能量應(yīng)達(dá)到643.3噸標(biāo)煤。同時實(shí)現(xiàn)投資額低。因此需要決策的是各個系統(tǒng)如何投資做節(jié)能改造。決策限制條件包括：
(1) 改造的燈具數(shù)量不能過現(xiàn)有的燈具數(shù)量，并且燈具數(shù)量為整數(shù)。
(2) 低區(qū)生活熱水、泳池生活熱水、電梯勢能回饋、變配電改造是否改造，屬于是非決策，需要運(yùn)用0- 1整數(shù)規(guī)劃來處理。
(3) 低區(qū)生活熱水、泳池生活熱水若進(jìn)行改造，在減少燃?xì)庥昧康耐瑫r，會增加耗電量。在模型中反映是：將燃?xì)庥昧亢陀秒娏空酆蠟闃?biāo)準(zhǔn)煤，在同一水平上進(jìn)行比較。
(4) 各項(xiàng)系統(tǒng)在決定是否進(jìn)行改造后，需對節(jié)能量加總，以達(dá)到低節(jié)能率10%的要求。
2.3.2 模型建立、求解與分析
建立線性規(guī)劃模型，并進(jìn)行求解：
(1) 照明燈具系統(tǒng)
各類型燈具的改造數(shù)量<現(xiàn)有燈具數(shù)量；
節(jié)能量=(原燈具功率-替換燈具功率)*平均運(yùn)行時間x運(yùn)行天數(shù) ( 其中運(yùn)行天數(shù)按365天計(jì)算)；節(jié)能量折合標(biāo)煤=節(jié)能量x電力折合標(biāo)煤系數(shù)；投資=實(shí)際改造數(shù)量x單個燈具投資。
(2) 低區(qū)熱水系統(tǒng)、泳池?zé)崴到y(tǒng)改造
節(jié)能量折合標(biāo)煤=改造后減少的燃?xì)饽芎?折合標(biāo)煤)-改造后增加的用電能耗(折合標(biāo)煤)；
投資：根據(jù)初步設(shè)計(jì)后得出工程量清單，估算得出。
(3) 電梯勢能回饋
節(jié)能量折合標(biāo)煤=改造后減少用電能耗(折合標(biāo)煤)；
投資：根據(jù)初步設(shè)計(jì)后得出工程量清單，估算得出。
(4) 變配電系統(tǒng)改造
節(jié)能量折合標(biāo)煤=改造后減少用電能耗(折合標(biāo)煤)；
投資：根據(jù)初步設(shè)計(jì)后得出工程量清單，估算得出。
(5) 能源監(jiān)測和管理系統(tǒng)
節(jié)能量折合標(biāo)煤=改造后減少用電能耗(折合標(biāo)煤)；
投資：根據(jù)初步設(shè)計(jì)后得出工程量清單，估算得出。
建立模型及進(jìn)行規(guī)劃求解后得出如表2和表3所示的結(jié)果。
規(guī)劃求解的結(jié)論為：當(dāng)實(shí)現(xiàn)總節(jié)能量要達(dá)到低節(jié)能量要求時，為643.3噸標(biāo)煤，應(yīng)改造的系統(tǒng)包括：部分照明燈具系統(tǒng)、低區(qū)熱水系統(tǒng)、電梯勢能回饋、變配電系統(tǒng)改造、能源監(jiān)測和管理系統(tǒng)。改造總投資由各系統(tǒng)單項(xiàng)投資加總，合計(jì)：4,914,604 元。
表 1 酒店全年能耗值統(tǒng)計(jì)
 
表 2 照明系統(tǒng)決策方案
 
表 3 各系統(tǒng)決策方案
 
2.3.3 優(yōu)決策方案分析
從求解的優(yōu)解可以看出以下特點(diǎn) ：
(1) 照明燈具：節(jié)能量較大、單項(xiàng)投資較低的燈具是首項(xiàng)選擇。而節(jié)能量大，但單項(xiàng)投資也較高的燈具，改造時不作為可以選擇考慮。
(2) 熱水系統(tǒng)改造：節(jié)能量較大的泳池?zé)崴脑?，在?yōu)化求解中沒有被采納，主要原因是該項(xiàng)投資較大，與低區(qū)熱水改造相比，實(shí)際投資量約為低區(qū)熱水改造的2/3, 但節(jié)能量(折合標(biāo)煤)為低區(qū)熱水改造的 1/3。
(3) 電梯勢能回饋、變配電系統(tǒng)改造和能源監(jiān)測和管理系統(tǒng)的節(jié)能量都非常可觀，同時，投資遠(yuǎn)熱水改造，因此，可以作為本次改造的考慮范圍
3 安科瑞能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)介紹
3.1 系統(tǒng)概述
Acrel-5000建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)是用戶端能源管理分析系統(tǒng)，在電能管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了對水、氣、煤、油、熱(冷)量等集中采集與分析，通過對用戶端所有能耗進(jìn)行細(xì)分和統(tǒng)計(jì)，以直觀的數(shù)據(jù)和圖表向管理人員或決策層展示各類能源的使用消耗情況，便于找出高耗能點(diǎn)或不合理的耗能習(xí)慣，有效節(jié)約能源，為用戶進(jìn)一步節(jié)能改造或設(shè)備升級提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。
3.2 應(yīng)用場所：
（1）辦公建筑（商務(wù)辦公、機(jī)關(guān)辦公建筑等）；
（2）商業(yè)建筑（商場、金融機(jī)構(gòu)建筑等）；
（3）旅游建筑（賓館飯店、娛樂場所等）；
（4）科教文衛(wèi)建筑（文化、教育、科研、醫(yī)療衛(wèi)生、體育建筑等）；
（5）通信建筑（郵電、通信、廣播、電視、數(shù)據(jù)中心等）；
（6）交通運(yùn)輸建筑（機(jī)場、車站、碼頭建筑等）。
3.3系統(tǒng)功能
（1）登陸界面
系統(tǒng)可以根據(jù)客戶要求定制個性化的系統(tǒng)登錄界面，登錄界面所用的圖片、 Logo等由用戶提供。
（2）綜合能耗展示
系統(tǒng)登陸成功進(jìn)入主頁面，主頁面顯示該建筑的建筑圖片，建筑基本信息,建筑當(dāng)月分項(xiàng)用電餅圖和各種能源的消耗量。
（3）支路能耗概況
系統(tǒng)可以根據(jù)分類能耗的支路名稱查詢用能情況，顯示當(dāng)日和當(dāng)月的用能峰值（電能對應(yīng)需量值）、當(dāng)日用能、當(dāng)月用能、當(dāng)年用能以及昨天同期用能、上月同期用能、上年同期用能的比較情況。
（4）支路用能
系統(tǒng)可以統(tǒng)計(jì)各支路某段時間內(nèi)逐日、逐周、逐月、逐季、逐年用能。
（5）分項(xiàng)能耗概況
系統(tǒng)可以按照動力、空調(diào)、插座等分項(xiàng)進(jìn)行能耗統(tǒng)計(jì)與顯示，支持用能餅圖顯示各分項(xiàng)過去31天的用能占比；堆積圖顯示各分項(xiàng)過去31天的能耗趨勢；分項(xiàng)用能排名圖顯示被選中分項(xiàng)對應(yīng)能耗值排名前10位的支路。 
（6）分項(xiàng)用能
系統(tǒng)可以統(tǒng)計(jì)各分項(xiàng)某段時間內(nèi)逐日、逐周、逐月、逐季、逐年用能（這里的支路須通過基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中分類分項(xiàng)的配置。） 
（7）部門能耗概況
系統(tǒng)可以按照部門進(jìn)行能耗統(tǒng)計(jì)與顯示，并進(jìn)行日同比分析圖，餅圖顯示各部門過去31天的用能占比；堆積圖顯示各部門過去31天的能耗趨勢；部門績效考核對比圖顯示實(shí)際用能和用能目標(biāo)值，當(dāng)實(shí)際用能值大于目標(biāo)值時，實(shí)際值標(biāo)為紅色。 
（8）區(qū)域能耗概況
系統(tǒng)可以按照區(qū)域進(jìn)行能耗統(tǒng)計(jì)與顯示，日分項(xiàng)用能同比分析圖顯示不同區(qū)域的當(dāng)日與昨日能耗柱狀圖；餅圖顯示各區(qū)域過去31天的用能占比；堆積圖顯示各區(qū)域過去31天的能耗趨勢；區(qū)域用能排名圖中顯示被選中區(qū)域?qū)?yīng)能耗值排名前10位的支路。
（9）參數(shù)查詢
查詢各回路戓支路某段時間內(nèi)的參數(shù)，以曲線的形式反映趨勢（具體可以查詢的參數(shù)與安裝的儀表有關(guān)，查詢時不能跨月，且繪制曲線時以1分鐘為間隔），電力參數(shù)可以多選。 
（10）數(shù)據(jù)檢查
系統(tǒng)可以統(tǒng)計(jì)某段時間內(nèi)各回路與下級支路的用能差值，過一定百分比后醒目顯示（紅色區(qū)域），確保計(jì)量體系的完整性、準(zhǔn)確性。 
（11）非工作日用能分析
系統(tǒng)可統(tǒng)計(jì)各支路工作日與非工作日的能耗情況。此處的工作日和非工作日是在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中非工作日設(shè)置中配置的非工作日。
（12）能耗數(shù)據(jù)同比環(huán)比分析
系統(tǒng)可將各種類型（電、水、氣）和各主要耗能設(shè)備的能耗與去年同期值和上月值進(jìn)行同比環(huán)比分析，檢驗(yàn)節(jié)能效果，根據(jù)分析結(jié)果執(zhí)行節(jié)能績效考核，以及節(jié)能目標(biāo)的修正。 
（13）分時段用能統(tǒng)計(jì)
在儀表帶有復(fù)費(fèi)率統(tǒng)計(jì)功能的前提下，系統(tǒng)可以采集電表內(nèi)尖、峰、平、谷參數(shù)，并將數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中方便后期查詢。不同時段可以分別設(shè)置用電單價，統(tǒng)計(jì)報表會呈現(xiàn)出分時段電能值與電費(fèi)。 
（14）日月年報表
系統(tǒng)提供方便的日月年報表統(tǒng)計(jì)功能，通過選擇不同回路，報表類型，查詢?nèi)掌冢蓪?yīng)報表。選中報表中的某一行數(shù)據(jù)，會自動顯示對應(yīng)的柱狀圖。
（15）儀表網(wǎng)關(guān)斷線報警
系統(tǒng)通過能耗網(wǎng)關(guān)采集數(shù)據(jù)時，可以獲得儀表的通訊狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)判斷儀表通訊中斷時間大于10分鐘時或網(wǎng)關(guān)通訊中斷時間大于20分鐘時，系統(tǒng)會彈窗或者通過鈴鐺報警，顯示當(dāng)前通訊中斷的儀表或者網(wǎng)關(guān)。 
（16）圖表導(dǎo)出
系統(tǒng)可將分析統(tǒng)計(jì)的曲線、棒圖、報表導(dǎo)出到Excel格式文件，以便于用戶數(shù)據(jù)二次利用。
（17）用戶管理
系統(tǒng)用戶權(quán)限管理采用分級模式，為系統(tǒng)管理員、后勤管理人員、設(shè)備維護(hù)人員三級，進(jìn)行訪問權(quán)限管理，防止未授權(quán)的訪問，并對所有操作自動進(jìn)行帶時標(biāo)事件記錄，可建立良好的反事故措施。
（18）基礎(chǔ)信息配置與維護(hù)
系統(tǒng)可根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況配置每塊智能儀表所屬的能耗類型和分項(xiàng)、歸屬區(qū)域、設(shè)備類型，這些數(shù)據(jù)將作為用能分析的基礎(chǔ)信息。
（19）人工錄入數(shù)據(jù)
系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)手工錄入功能，可錄入儀表每天的抄表值與每天的用能值，用于后期報表統(tǒng)計(jì)。
（20）遠(yuǎn)程訪問功能(C/S模式) 
系統(tǒng)采用C/S架構(gòu)設(shè)計(jì)，在任意一臺連接廣域網(wǎng)的計(jì)算機(jī)上安裝Acrel-5000建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)客戶端軟件即可實(shí)時訪問該能耗監(jiān)測系統(tǒng)。
3.4 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
AcrelCloud-5000能耗管理云平臺采用分層組網(wǎng)架構(gòu)，將系統(tǒng)分為設(shè)備層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層。
設(shè)備層：設(shè)備層作為平臺數(shù)據(jù)來源的基礎(chǔ)，通過儀表與傳感器對參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測和計(jì)量。
網(wǎng)絡(luò)層：網(wǎng)絡(luò)層通過強(qiáng)大的協(xié)議轉(zhuǎn)換功能將采集到的設(shè)備層的數(shù)據(jù)傳遞到應(yīng)用層，起到承上啟下的作用。
應(yīng)用層：應(yīng)用層對設(shè)備層的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、存儲、統(tǒng)計(jì)分析，通過友好的人機(jī)界面為用戶提供優(yōu)質(zhì)的體驗(yàn)。
 
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
3.5 能耗監(jiān)測系統(tǒng)產(chǎn)品選型
4 結(jié)論
根據(jù)以上的規(guī)劃求解分析，就上海市大型公共建筑能耗與節(jié)能改造研究得出如下結(jié)論：
(1)通過采用數(shù)模模型方式進(jìn)行節(jié)能改造的決策，可以在較低的投資額的情況下獲得高的回報(節(jié)能量)，這對于建筑業(yè)主來說是非常有必要的。
(2)根據(jù)節(jié)能率目標(biāo) ，對每項(xiàng)節(jié)能技術(shù)進(jìn)行節(jié)能量、投資額分析，通過設(shè)定邊界條件，在達(dá)到低節(jié)能率的情況下，規(guī)劃分析求解得出應(yīng)改造的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化。
【參考文獻(xiàn)】
[1]徐強(qiáng),莊智,朱偉峰等.上海市大型公共建筑能耗統(tǒng)計(jì)分析.七屆**綠色建筑與建筑節(jié)能大會論文集,2011
[2]蔡伊秋.城市大型公共建筑能耗與節(jié)能改造決策研究.
[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊.2020.06版.
 
作者簡介：
朱鹍，女，就職于安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向?yàn)槠髽I(yè)能源管控


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