淺談城市大型公共建筑能耗與節(jié)能改造決策研究

周穎

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)化，為下步公共建筑節(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

改革開放以來，中經(jīng)濟(jì)保持了高速增長(zhǎng)，特別是近年來城鎮(zhèn)化步伐加快，中建筑規(guī)模大幅增加。建筑能耗是繼工業(yè)、交通能耗之后的第三大社會(huì)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?jī)?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，分析在定節(jié)能率的要求下，投資額低時(shí)的改造系統(tǒng)選擇，為下步企業(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(duì)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(jí)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)，分析在定節(jié)能率的要求下，投資量低時(shí)的改造系統(tǒng)選擇。這是個(gè)資源分配問題，決策目標(biāo)受低節(jié)能率(如，較前年節(jié)能10%)的制約，同時(shí)要求在低投資額下保障節(jié)能率目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

2.1 酒店基本情況

本文研究對(duì)象為上海某五星級(jí)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(tái)，制冷量 700RT/臺(tái)，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?/font>12000kVA，每路供電配備為2臺(tái)2500kVA和1臺(tái)10OOkVA變壓器，35kV直降0.4kV系統(tǒng)，6臺(tái)變壓器皆處于較低負(fù)載工況，尤其是兩臺(tái)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(tái)，1用3備，4臺(tái)鍋爐來回切換使用。單臺(tái)鍋爐的額定產(chǎn)出蒸汽量為6噸，單臺(tái)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(tái)，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、酒店的性、系統(tǒng)穩(wěn)定性和減少對(duì)酒店的影響等幾個(gè)因素考慮，篩選出部分可行的節(jié)能改造措施。每個(gè)設(shè)備的節(jié)能量是通過以下兩種方式之或結(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(shí)間x運(yùn)行天數(shù)。

(2) 低區(qū)生活熱水改造：擬選擇6臺(tái)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(tái)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(shí)系統(tǒng)年增加電量消耗為199831kW•h。

(4) 電梯勢(shì)能回饋：擬為電梯增設(shè)勢(shì)能回饋裝置，可將電梯運(yùn)行中多余的機(jī)械能(含勢(shì)能、動(dòng)能)，預(yù)期年節(jié)能量約113040kW•h。

(5) 變配電系統(tǒng)改造：對(duì)兩臺(tái)WOOkVA變壓器進(jìn)行減容改造，減容改造后供電總?cè)萘拷禐?/font>10000kVA。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(cè)和管理系統(tǒng)：酒店建立能耗監(jiān)測(cè)管理平臺(tái)可以以實(shí)際能耗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)對(duì)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

這是個(gè)混合型的線性規(guī)劃問題，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(shí)實(shí)現(xiàn)投資額低。因此需要決策的是各個(gè)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)量不能超過現(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(shì)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?/span>量的同時(shí)，會(huì)增加耗電量。在模型中反映是：將燃?xì)庥昧亢陀秒娏?/span>折合為標(biāo)準(zhǔn)煤，在同水平上進(jìn)行比較。

(4) 各項(xiàng)系統(tǒng)在決定是否進(jìn)行改造后，需對(duì)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(shí)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(gè)燈具投資。

(2) 低區(qū)熱水系統(tǒng)、泳池?zé)?/span>水系統(tǒng)改造

節(jié)能量折合標(biāo)煤=改造后減少的燃?xì)饽芎?/span>(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(shì)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(cè)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(shí)，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(shì)能回饋、變配電系統(tǒng)改造、能源監(jiān)測(cè)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 決策方案分析

從求解的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(shí)不作為xuan考慮。

(2) 熱水系統(tǒng)改造：節(jié)能量較大的泳池?zé)崴脑?/span>，在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(shì)能回饋、變配電系統(tǒng)改造和能源監(jiān)測(cè)和管理系統(tǒng)的節(jié)能量都非?？捎^，同時(shí)，投資遠(yuǎn)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(jiān)測(cè)系統(tǒng)介紹

3.1 系統(tǒng)概述

Acrel-5000建筑能耗監(jiān)測(cè)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(duì)水、氣、煤、油、熱(冷)量等集中采集與分析，通過對(duì)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)步節(jié)能改造或設(shè)備升級(jí)提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。

3.2 應(yīng)用場(chǎng)所：

（1）辦公建筑（商務(wù)辦公、家辦公建筑等）；

（2）商業(yè)建筑（商場(chǎng)、金融機(jī)構(gòu)建筑等）；

（3）旅游建筑（賓館飯店、娛le場(chǎng)所等）；

（4）科教文衛(wèi)建筑（文化、教育、科研、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)等）；

（6）交通運(yùn)輸建筑（機(jī)場(chǎng)、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(gè)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(yè)面，主頁(yè)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(duì)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(shí)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(dòng)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(shì)；分項(xiàng)用能前圖顯示被選中分項(xiàng)對(duì)應(yīng)能耗值前*位的支路。

（6）分項(xiàng)用能