浅谈城市大型公共建筑能耗与节能改造决策研究

1 前言
1.1 研究背景
改革开放以来，中国经济保持了高速增长，特别是近年来城镇化步伐加快，中国建筑规模大幅增加。建筑能耗是继工业、交通能耗之后的第三大社会能源消耗主体。随着建筑规模的扩大，建筑节能成为中国节能降耗的重要内容，特别是公共建筑节能。根据住房和城乡建设部2017年2月发布的《建筑节能与绿色建筑发展"十三五”规划 》要求，"十三五 ”期间公共建筑节能改造的主要目标是：公共建筑节能改造1亿平方米。因此，“十三五"期间公共建筑节能仍然任重道远。
1.2 研究内容和方法
本文主要研究上海市公共建筑节能改造系统的选择， 以旅游饭店建筑为例，基于该类酒店现有的用能系统数据、潜在的节能改造系统节能量和相关投资估算，通过采用规划分析的方法，分析在一定节能率的要求下，投资额低时的改造系统选择，为下一步企业投入节能改造提供经济有效的分析方法支持。
2 节能改造经济性分析
针对大型公共建筑的节能要求，投资金额往往是业主方考量的重要因素，本文以上海某五星级酒店为例，通过改造前用能系统能耗、节能改造方向和相关投资数据，分析在一定节能率的要求下，投资量低时的改造系统选择。这是一个资源分配问题，决策目标受低节能率(如，较前一年节能10%)的制约，同时要求在低投资额下保障节能率目标的实现。
2.1 酒店基本情况
本文研究对象为上海某五星级酒店，酒店主要能源利用系统包括：中央空调系统、锅炉供热系统 (冬季采暖、生活热水、洗衣房消毒、除氧)、照明系统、电梯系统、给排水系统等。酒店改造前，总能耗如表 1所示，其中：根据《综合能耗计算通则》 (GB/T2589-2008)，电力的折合标煤系数采用电力(等效电)为0.350kgce/ (kWh)，燃气的折合标煤系数采用气田天然气为1.2143kgce/m3，水的折合标煤系数为0.0857kgce/m3。
酒店主要用能系统的情况如下 ：
(1) 照明系统：酒店照明光源共21250套，光源类型包括MR16卤素射灯、螺旋或U型节能灯、白炽灯、T5 日光灯带、T8/T5 荧光灯。适合改造的灯具共7229盏。
(2) 中央空调系统：酒店冷源系统现有约克离心机组4台，制冷量 700RT/台，额定输入功率490kW，蒸发器承压1.60MPa。
(3) 变配电系统：酒店供电系统为两路供电，供电总容量为12000kVA，每路供电配备为2台2500kVA和1台10OOkVA变压器，35kV直降0.4kV系统，6台变压器皆处于较低负载工况，尤其是两台1000kVA 变压器的工作效率较低。
(4) 蒸汽锅炉系统：锅炉房内有蒸汽锅炉4台，1用3备，4台锅炉来回切换使用。单台锅炉的额定产出蒸汽量为6吨，单台锅炉额定工作压力0.78MPa，寒冷日消耗天然气量1000017。
(5) 电梯系统：酒店电梯共X台，包括客梯、货梯和员工梯。
2.2 酒店改造措施及单系统节能量
从技术的节能量、酒店的安全性、系统稳定性和减少对酒店的影响等几个因素考虑，筛选出部分可行的节能改造措施。每个设备的节能量是通过以下两种方式之一或结合所获得：
(1) 理论值：将设备理论的额定功率定义为改造后的用电功率。
(2) 模拟分析：通过能耗模拟软件Energy Plus,设定改造后的使用环境，然后模拟出节能量。
酒店可以采取的节能措施包括:
(1) 照明系统：采用节能的LED灯具替换原有灯具。照明灯具的节能量 = (原灯具功率-改造后灯具功率) x平均运行时间x运行天数。
(2) 低区生活热水改造：拟选择6台热泵热水器主机 (可满足66.7%负荷、80% 使用工况的需求)。 通过计算采用空气能热泵热水器后，系统年减少天然气消耗为322930m3 ,系统年增加电量消耗为 613568kW–h。
(3) 游泳池热水改造：拟选择3台热泵热水器主机(可满足60%负荷，75%使用工况的需求)。通过计算采用空气能热泵热水器后，系统年减少天然气消耗105174m3，同时系统年增加电量消耗为199831kWh。
(4) 电梯势能回馈：拟为电梯增设势能回馈装置，可将电梯运行中多余的机械能(含势能、动能)，预期年节能量约113040kWh。
(5) 变配电系统改造：对两台WOOkVA变压器进行减容改造，减容改造后供电总容量降为10000kVA。变配电系统节能改造的年节能量为131575.2kWh。
(6) 增加能源监测和管理系统：酒店建立能耗监测管理平台可以以实际能耗数据为基础对酒店的现有用能状况进行分析，做出相应节能诊断，得出切实可行的节能办法，包括管理节能、技术节能和公示行为节能，降低酒店的能源消耗，提高酒店的运行管理水平，预计节电量为383523kWh。
2.3 问题分析和模型建立
2.3.1 问题分析
这是一个混合型的线性规划问题，首先需要满足改造后的节能量与改造前相比减少10%，即节能量应达到643.3吨标煤。同时实现投资额低。因此需要决策的是各个系统如何投资做节能改造。决策限制条件包括：
(1) 改造的灯具数量不能超过现有的灯具数量，并且灯具数量为整数。
(2) 低区生活热水、泳池生活热水、电梯势能回馈、变配电改造是否改造，属于是非决策，需要运用0- 1整数规划来处理。
(3) 低区生活热水、泳池生活热水若进行改造，在减少燃气用量的同时，会增加耗电量。在模型中反映是：将燃气用量和用电量折合为标准煤，在同一水平上进行比较。
(4) 各项系统在决定是否进行改造后，需对节能量加总，以达到低节能率10%的要求。
2.3.2 模型建立、求解与分析
建立线性规划模型，并进行求解：
(1) 照明灯具系统
各类型灯具的改造数量<现有灯具数量；
节能量=(原灯具功率-替换灯具功率)*平均运行时间x运行天数 ( 其中运行天数按365天计算)；节能量折合标煤=节能量x电力折合标煤系数；投资=实际改造数量x单个灯具投资。
(2) 低区热水系统、泳池热水系统改造
节能量折合标煤=改造后减少的燃气能耗(折合标煤)-改造后增加的用电能耗(折合标煤)；
投资：根据初步设计后得出工程量清单，估算得出。
(3) 电梯势能回馈
节能量折合标煤=改造后减少用电能耗(折合标煤)；
投资：根据初步设计后得出工程量清单，估算得出。
(4) 变配电系统改造
节能量折合标煤=改造后减少用电能耗(折合标煤)；
投资：根据初步设计后得出工程量清单，估算得出。
(5) 能源监测和管理系统
节能量折合标煤=改造后减少用电能耗(折合标煤)；
投资：根据初步设计后得出工程量清单，估算得出。
建立模型及进行规划求解后得出如表2和表3所示的结果。
规划求解的结论为：当实现总节能量要达到低节能量要求时，为643.3吨标煤，应改造的系统包括：部分照明灯具系统、低区热水系统、电梯势能回馈、变配电系统改造、能源监测和管理系统。改造总投资由各系统单项投资加总，合计：4,914,604 元。
表 1 酒店全年能耗值统计
 
表 2 照明系统决策方案
 
表 3 各系统决策方案
 
2.3.3 优决策方案分析
从求解的优解可以看出以下特点 ：
(1) 照明灯具：节能量较大、单项投资较低的灯具是首项选择。而节能量大，但单项投资也较高的灯具，改造时不作为首选考虑。
(2) 热水系统改造：节能量较大的泳池热水改造，在优化求解中没有被采纳，主要原因是该项投资较大，与低区热水改造相比，实际投资量约为低区热水改造的2/3, 但节能量(折合标煤)为低区热水改造的 1/3。
(3) 电梯势能回馈、变配电系统改造和能源监测和管理系统的节能量都非常可观，同时，投资远低于热水改造，因此，可以作为本次改造的考虑范围
3 安科瑞能耗在线监测系统介绍
3.1 系统概述
Acrel-5000建筑能耗监测系统是用户端能源管理分析系统，在电能管理系统的基础上增加了对水、气、煤、油、热(冷)量等集中采集与分析，通过对用户端所有能耗进行细分和统计，以直观的数据和图表向管理人员或决策层展示各类能源的使用消耗情况，便于找出高耗能点或不合理的耗能习惯，有效节约能源，为用户进一步节能改造或设备升级提供准确的数据支撑。
3.2 应用场所：
（1）办公建筑（商务办公、国家机关办公建筑等）；
（2）商业建筑（商场、金融机构建筑等）；
（3）旅游建筑（宾馆饭店、娱乐场所等）；
（4）科教文卫建筑（文化、教育、科研、医疗卫生、体育建筑等）；
（5）通信建筑（邮电、通信、广播、电视、数据中心等）；
（6）交通运输建筑（机场、车站、码头建筑等）。
3.3系统功能
（1）登陆界面
系统可以根据客户要求定制个性化的系统登录界面，登录界面所用的图片、 Logo等由用户提供。
（2）综合能耗展示
系统登陆成功进入主页面，主页面显示该建筑的建筑图片，建筑基本信息,建筑当月分项用电饼图和各种能源的消耗量。
（3）支路能耗概况
系统可以根据分类能耗的支路名称查询用能情况，显示当日和当月的用能峰值（电能对应需量值）、当日用能、当月用能、当年用能以及昨天同期用能、上月同期用能、上年同期用能的比较情况。
（4）支路用能
系统可以统计各支路某段时间内逐日、逐周、逐月、逐季、逐年用能。
（5）分项能耗概况
系统可以按照动力、空调、插座等分项进行能耗统计与显示，支持用能饼图显示各分项过去31天的用能占比；堆积图显示各分项过去31天的能耗趋势；分项用能排名图显示被选中分项对应能耗值排名前10位的支路。 
（6）分项用能
系统可以统计各分项某段时间内逐日、逐周、逐月、逐季、逐年用能（这里的支路须通过基础数据中分类分项的配置。） 
（7）部门能耗概况
系统可以按照部门进行能耗统计与显示，并进行日同比分析图，饼图显示各部门过去31天的用能占比；堆积图显示各部门过去31天的能耗趋势；部门绩效考核对比图显示实际用能和用能目标值，当实际用能值大于目标值时，实际值标为红色。 
（8）区域能耗概况
系统可以按照区域进行能耗统计与显示，日分项用能同比分析图显示不同区域的当日与昨日能耗柱状图；饼图显示各区域过去31天的用能占比；堆积图显示各区域过去31天的能耗趋势；区域用能排名图中显示被选中区域对应能耗值排名前10位的支路。
（9）参数查询
查询各回路戓支路某段时间内的参数，以曲线的形式反映趋势（具体可以查询的参数与安装的仪表有关，查询时不能跨月，且绘制曲线时以1分钟为间隔），电力参数可以多选。 
（10）数据检查
系统可以统计某段时间内各回路与下级支路的用能差值，超过一定百分比后醒目显示（红色区域），确保计量体系的完整性、准确性。 
（11）非工作日用能分析
系统可统计各支路工作日与非工作日的能耗情况。此处的工作日和非工作日是在基础数据中非工作日设置中配置的非工作日。
（12）能耗数据同比环比分析
系统可将各种类型（电、水、气）和各主要耗能设备的能耗与去年同期值和上月值进行同比环比分析，检验节能效果，根据分析结果执行节能绩效考核，以及节能目标的修正。 
（13）分时段用能统计
在仪表带有复费率统计功能的前提下，系统可以采集电表内尖、峰、平、谷参数，并将数据存储到数据库中方便后期查询。不同时段可以分别设置用电单价，统计报表会呈现出分时段电能值与电费。 
（14）日月年报表
系统提供方便的日月年报表统计功能，通过选择不同回路，报表类型，查询日期，生成对应报表。选中报表中的某一行数据，会自动显示对应的柱状图。
（15）仪表网关断线报警
系统通过能耗网关采集数据时，可以获得仪表的通讯状态。当系统判断仪表通讯中断时间大于10分钟时或网关通讯中断时间大于20分钟时，系统会弹窗或者通过铃铛报警，显示当前通讯中断的仪表或者网关。 
（16）图表导出
系统可将分析统计的曲线、棒图、报表导出到Excel格式文件，以便于用户数据二次利用。
（17）用户管理
系统用户权限管理采用分级模式，为系统管理员、后勤管理人员、设备维护人员三级，进行访问权限管理，防止未授权的访问，并对所有操作自动进行带时标事件记录，可建立良好的反事故措施。
（18）基础信息配置与维护
系统可根据项目实际情况配置每块智能仪表所属的能耗类型和分项、归属区域、设备类型，这些数据将作为用能分析的基础信息。
（19）人工录入数据
系统提供数据手工录入功能，可录入仪表每天的抄表值与每天的用能值，用于后期报表统计。
（20）远程访问功能(C/S模式) 
系统采用C/S架构设计，在任意一台连接广域网的计算机上安装Acrel-5000建筑能耗监测系统客户端软件即可实时访问该能耗监测系统。
3.4 系统网络结构
AcrelCloud-5000能耗管理云平台采用分层组网架构，将系统分为设备层、网络层、应用层。
设备层：设备层作为平台数据来源的基础，通过仪表与传感器对参数进行监测和计量。
网络层：网络层通过强大的协议转换功能将采集到的设备层的数据传递到应用层，起到承上启下的作用。
应用层：应用层对设备层的数据进行分类、存储、统计分析，通过友好的人机界面为用户提供优质的体验。
 
图1 系统结构
3.5 能耗监测系统产品选型

4 结论
根据以上的规划求解分析，就上海市大型公共建筑能耗与节能改造研究得出如下结论：
(1)通过采用数模模型方式进行节能改造的决策，可以在较低的投资额的情况下获得更高的回报(节能量)，这对于建筑业主来说是非常有必要的。
(2)根据节能率目标 ，对每项节能技术进行节能量、投资额分析，通过设定边界条件，在达到低节能率的情况下，规划分析求解得出应改造的系统，实现经济性优化。
【参考文献】
[1]徐强,庄智,朱伟峰等.上海市大型公共建筑能耗统计分析.第七届国际绿色建筑与建筑节能大会论文集,2011
[2]蔡伊秋.城市大型公共建筑能耗与节能改造决策研究.
[3]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2020.06版.
 
作者简介：王蒙蒙，女，本科，现就职于安科瑞电气股份有限公司，主要研究方向为重点用能单位能耗在线监测。