淺談城市大型公共建筑能耗與節能改造決策研究

摘要：本文以公共建筑中酒店類(lèi)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(guò)采用線(xiàn)性規劃的分析方法，得出在達到節能率指標的情況下，實(shí)現改造投資的經(jīng)濟化，為下一步公共建筑節能改造提供分析方法。

關(guān)鍵詞：公共建筑節能 投資規劃分析 節能改造技術(shù)

1 言

1.1 研究背景

改革開(kāi)放以來(lái)，中國經(jīng)濟保持了高速增長(cháng)，特別是近年來(lái)城鎮化步伐加快，中國建筑規模大幅增加。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(zhù)建筑規模的擴大，建筑節能成為中國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(fā)布的《建筑節能與綠色建筑發(fā)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?jì)热莺头椒?/span>

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(lèi)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(guān)投資估算，通過(guò)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(shí)的改造系統選擇，為下一步企業(yè)投入節能改造提供經(jīng)濟有效的分析方法支持。

2 節能改造經(jīng)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(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(guò)改造用能系統能耗、節能改造方向和相關(guān)投資數據，分析在一定節能率的要求下，投資量低時(shí)的改造系統選擇。這是一個(gè)資源分配問(wèn)題，決策目標受低節能率(如，較一年節能10%)的制約，同時(shí)要求在低投資額下保障節能率目標的實(shí)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(lèi)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(fā)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(lái)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：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(shù)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(gè)因素考慮，篩選出部分可行的節能改造措施。每個(gè)設備的節能量是通過(guò)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(guò)能耗模擬軟件Energy Plus,設定改造后的使用環(huán)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(shí)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(mǎn)足66.7%負荷、80% 使用工況的需求)。 通過(guò)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(mǎn)足60%負荷，75%使用工況的需求)。通過(guò)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(shí)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(dòng)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(jìn)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(shí)際能耗數據為基礎對酒店的現有用能狀況進(jìn)行分析，做出相應節能診斷，得出切實(shí)可行的節能辦法，包括管理節能、技術(shù)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(wèn)題分析和模型建立

2.3.1 問(wèn)題分析

這是一個(gè)混合型的線(xiàn)性規劃問(wèn)題，首先需要滿(mǎn)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(shí)實(shí)現投資額低。因此需要決策的是各個(gè)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(guò)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(lái)處理。

(3) 低區生活熱水、泳池生活熱水若進(jìn)行改造，在減少燃氣用量的同時(shí)，會(huì )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(jìn)行比較。

(4) 各項系統在決定是否進(jìn)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(xiàn)性規劃模型，并進(jìn)行求解：

(1) 照明燈具系統

各類(lèi)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(shí)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(shí)際改造數量x單個(gè)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(jìn)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(shí)現總節能量要達到低節能量要求時(shí)，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。

表 1 酒店全年能耗值統計

表 2 照明系統決策方案

表 3 各系統決策方案

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：節能量較大、單項投資較低的燈具是首項選擇。而節能量大，但單項投資也較高的燈具，改造時(shí)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(méi)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(shí)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?？捎^(guān)，同時(shí)，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(xiàn)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(hù)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(guò)對用戶(hù)端所有能耗進(jìn)行細分和統計，以直觀(guān)的數據和圖表向管理人員或決策層展示各類(lèi)能源的使用消耗情況，便于找出高耗能點(diǎn)或不合理的耗能習慣，有效節約能源，為用戶(hù)進(jìn)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(chǎng)所：

（1）辦公建筑（商務(wù)辦公、辦公建筑等）；

（2）商業(yè)建筑（商場(chǎng)、金融機構建筑等）；

（3）旅游建筑（賓館飯店、娛樂(lè )場(chǎng)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(chǎng)、車(chē)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(hù)要求定制個(gè)性化的系統登錄界面，登錄界面所用的圖片、 Logo等由用戶(hù)提供。

（2）綜合能耗展示

系統登陸成功進(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(lèi)能耗的支路名稱(chēng)查詢(xún)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(shí)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(dòng)力、空調、插座等分項進(jìn)行能耗統計與顯示，支持用能餅圖顯示各分項過(guò)去31天的用能占比；堆積圖顯示各分項過(guò)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。

（6）分項用能