淺談城市大型公共建筑能耗與節能改造決策研究

孟洋

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，基于酒店的用能現狀數據、潛在節能改造方向、改造投資額等數據，通過采用線性規劃的分析方法，得出在達到節能率指標的情況下，實現改造投資的經濟化，為下一步公共建筑節能改造提供分析方法。

關鍵詞：公共建筑節能 投資規劃分析 節能改造技術

1 言

1.1 研究背景

改革開放以來，中經濟保持了高速增長，特別是近年來城鎮化步伐加快，中建筑規模大幅增加。建筑能耗是繼工業、交通能耗之后的三大社會能源消耗主體。隨著建筑規模的擴大，建筑節能成為中節能降耗的重要內容，特別是公共建筑節能。根據住房和城鄉建設部2017年2月發布的《建筑節能與綠色建筑發展"十三五”規劃 》要求，"十三五 ”期間公共建筑節能改造的主要目標是：公共建筑節能改造1億平方米。因此，“十三五"期間公共建筑節能仍然任重道遠。

1.2 研究內容和方法

本文主要研究上海市公共建筑節能改造系統的選擇， 以旅游飯店建筑為例，基于該類酒店現有的用能系統數據、潛在的節能改造系統節能量和相關投資估算，通過采用規劃分析的方法，分析在一定節能率的要求下，投資額低時的改造系統選擇，為下一步企業投入節能改造提供經濟有效的分析方法支持。

2 節能改造經濟性分析

針對大型公共建筑的節能要求，投資金額往往是業主方考量的重要因素，本文以上海某五星級酒店為例，通過改造用能系統能耗、節能改造方向和相關投資數據，分析在一定節能率的要求下，投資量低時的改造系統選擇。這是一個資源分配問題，決策目標受低節能率(如，較一年節能10%)的制約，同時要求在低投資額下保障節能率目標的實現。

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包括：中央空調系統、鍋爐供熱系統 (冬季采暖、生活熱水、洗衣房消毒、除氧)、照明系統、電梯系統、給排水系統等。酒店改造，總能耗如表 1所示，其中：根據《綜合能耗計算通則》 (GB/T2589-2008)，電力的折合標煤系數采用電力(等效電)為0.350kgce/ (kW•h)，燃氣的折合標煤系數采用氣田天然氣為1.2143kgce/m3，水的折合標煤系數為0.0857kgce/m3。

酒店主要用能系統的情況如下 ：

(1) 照明系統：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) 中央空調系統：酒店冷源系統現有約克離心機組4臺，制冷量 700RT/臺，額定輸入功率490kW，蒸發器承壓1.60MPa。

(3) 變配電系統：酒店供電系統為兩路供電，供電總容量為12000kVA，每路供電配備為2臺2500kVA和1臺10OOkVA變壓器，35kV直降0.4kV系統，6臺變壓器皆處于較低負載工況，尤其是兩臺1000kVA 變壓器的工作效率較低。

(4) 蒸汽鍋爐系統：鍋爐房內有蒸汽鍋爐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：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節能量

從技術的節能量、酒店的安全性、系統穩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能改造措施。每個設備的節能量是通過以下兩種方式之一或結合所獲得：

(1) 理論值：將設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,設定改造后的使用環境，然后模擬出節能量。

酒店可以采取的節能措施包括:

(1) 照明系統：采用節能的LED燈具替換原有燈具。照明燈具的節能量 = (原燈具功率-改造后燈具功率) x平均運行時間x運行天數。

(2) 低區生活熱水改造：擬選擇6臺熱泵熱水器主機 (可滿足66.7%負荷、80% 使用工況的需求)。 通過計算采用空氣能熱泵熱水器后，系統年減少天然氣消耗為322930m3 ,系統年增加電量消耗為 613568kW–h。

(3) 游泳池熱水改造：擬選擇3臺熱泵熱水器主機(可滿足60%負荷，75%使用工況的需求)。通過計算采用空氣能熱泵熱水器后，系統年減少天然氣消耗105174m3，同時系統年增加電量消耗為199831kW•h。

(4) 電梯勢能回饋：擬為電梯增設勢能回饋裝置，可將電梯運行中多余的機械能(含勢能、動能)，預期年節能量約113040kW•h。

(5) 變配電系統改造：對兩臺WOOkVA變壓器進行減容改造，減容改造后供電總容量降為10000kVA。變配電系統節能改造的年節能量為131575.2kW•h。

(6) 增加能源監測和管理系統：酒店建立能耗監測管理平臺可以以實際能耗數據為基礎對酒店的現有用能狀況進行分析，做出相應節能診斷，得出切實可行的節能辦法，包括管理節能、技術節能和公示行為節能，降低酒店的能源消耗，提高酒店的運行管理水平，預計節電量為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劃問題，先需要滿足改造后的節能量與改造相比減少10%，即節能量應達到643.3噸標煤。同時實現投資額低。因此需要決策的是各個系統如何投資做節能改造。決策限制條件包括：

(1) 改造的燈具數量不能超過現有的燈具數量，并且燈具數量為整數。

(2) 低區生活熱水、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，需要運用0- 1整數規劃來處理。

(3) 低區生活熱水、泳池生活熱水若進行改造，在減少燃氣用量的同時，會增加耗電量。在模型中反映是：將燃氣用量和用電量折合為標準煤，在同一水平上進行比較。

(4) 各項系統在決定是否進行改造后，需對節能量加總，以達到低節能率10%的要求。

2.3.2 模型建立、求解與分析

建立線性規劃模型，并進行求解：

(1) 照明燈具系統

各類型燈具的改造數量<現有燈具數量；

節能量=(原燈具功率-替換燈具功率)*平均運行時間x運行天數 ( 其中運行天數按365天計算)；節能量折合標煤=節能量x電力折合標煤系數；投資=實際改造數量x單個燈具投資。

(2) 低區熱水系統、泳池熱水系統改造

節能量折合標煤=改造后減少的燃氣能耗(折合標煤)-改造后增加的用電能耗(折合標煤)；

投資：根據初步設計后得出工程量清單，估算得出。

(3) 電梯勢能回饋

節能量折合標煤=改造后減少用電能耗(折合標煤)；

投資：根據初步設計后得出工程量清單，估算得出。

(4) 變配電系統改造

節能量折合標煤=改造后減少用電能耗(折合標煤)；

投資：根據初步設計后得出工程量清單，估算得出。

(5) 能源監測和管理系統

節能量折合標煤=改造后減少用電能耗(折合標煤)；

投資：根據初步設計后得出工程量清單，估算得出。

建立模型及進行規劃求解后得出如表2和表3所示的結果。

規劃求解的結論為：當實現總節能量要達到低節能量要求時，為643.3噸標煤，應改造的系統包括：部分照明燈具系統、低區熱水系統、電梯勢能回饋、變配電系統改造、能源監測和管理系統。改造總投資由各系統單項投資加總，合計：4,914,604 元。

2.3.3 決策方案分析

從求解的解可以看出以下特點 ：

(1) 照明燈具：節能量較大、單項投資較低的燈具是項選擇。而節能量大，但單項投資也較高的燈具，改造時不作為考慮。

(2) 熱水系統改造：節能量較大的泳池熱水改造，在化求解中沒有被采納，主要原因是該項投資較大，與低區熱水改造相比，實際投資量約為低區熱水改造的2/3, 但節能量(折合標煤)為低區熱水改造的 1/3。

(3) 電梯勢能回饋、變配電系統改造和能源監測和管理系統的節能量都非常可觀，同時，投資遠低于熱水改造，因此，可以作為本次改造的考慮范圍

3 安科瑞能耗在線監測系統介紹

3.1 系統概述

Acrel-5000建筑能耗監測系統是用戶端能源管理分析系統，在電能管理系統的基礎上增加了對水、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行細分和統計，以直觀的數據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，便于找出高耗能點或不合理的耗能習慣，有效節約能源，為用戶進一步節能改造或設備升級提供準確的數據支撐。

3.2 應用場所：

（1）辦公建筑（商務辦公、家機關辦公建筑等）；

（2）商業建筑（商場、金融機構建筑等）；

（3）旅游建筑（賓館飯店、娛樂場所等）；

（4）科教文衛建筑（文化、教育、科研、醫療衛生、體育建筑等）；

（5）通信建筑（郵電、通信、廣播、電視、數據中心等）；

（6）交通運輸建筑（機場、車站、碼頭建筑等）。

3.3系統功能

（1）登陸界面

系統可以根據客戶要求定制個性化的系統登錄界面，登錄界面所用的圖片、 Logo等由用戶提供。

（2）綜合能耗展示

系統登陸成功進入主頁面，主頁面顯示該建筑的建筑圖片，建筑基本信息,建筑當月分項用電餅圖和各種能源的消耗量。

（3）支路能耗概況

系統可以根據分類能耗的支路名稱查詢用能情況，顯示當日和當月的用能峰值（電能對應需量值）、當日用能、當月用能、當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

系統可以統計各支路某段時間內逐日、逐周、逐月、逐季、逐年用能。

（5）分項能耗概況

系統可以按照動力、空調、插座等分項進行能耗統計與顯示，支持用能餅圖顯示各分項過去31天的用能占比；堆積圖顯示各分項過去31天的能耗趨勢；分項用能圖顯示被選中分項對應能耗值*位的支路。