浅谈城市大型公共建筑能耗与节能改造决策研究

杨馨

安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：本文以公共建筑中酒店类建筑为例，基于酒店的用能现状数据、潜在节能改造方向、改造投资额等数据，通过采用线性规划的分析方法，得出在达到节能率指标的情况下，实现改造投资的经济优化，为下一步公共建筑节能改造提供分析方法。

关键词：公共建筑节能 投资规划分析 节能改造技术

1 前言

1.1 研究背景

**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，较年节能10%)的制约，同时要求在低投资额下**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：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/ (kW•h)，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) 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199831kW•h。

(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113040kW•h。

(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131575.2kW•h。

(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383523kW•h。

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，改造时不作为可以选择考虑。

(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、国家安科瑞办公建筑等）；

（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