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淺談城市大型公共建筑能耗與節(jié)能改造決策研究

更新時間: 2021-04-02  點擊次數(shù): 913次
  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,得出在達到節(jié)能率指標(biāo)的情況下,實現(xiàn)改造投資的經(jīng)濟優(yōu)化,為下一步公共建筑節(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,中國經(jīng)濟保持了高速增長,特別是近年來城鎮(zhèn)化步伐加快,中國建筑規(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能源消耗主體。隨著建筑規(guī)模的擴大,建筑節(jié)能成為中國節(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 研究內(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,分析在一定節(jié)能率的要求下,投資額低時的改造系統(tǒng)選擇,為下一步企業(yè)投入節(jié)能改造提供經(jīng)濟有效的分析方法支持。
 
  2 節(jié)能改造經(jīng)濟性分析
 
  針對大型公共建筑的節(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),分析在一定節(jié)能率的要求下,投資量低時的改造系統(tǒng)選擇。這是一個資源分配問題,決策目標(biāo)受低節(jié)能率(如,較前一年節(jié)能10%)的制約,同時要求在低投資額下保障節(jié)能率目標(biāo)的實現(xiàn)。
 
  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(tǒng)包括:中央空調(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) 中央空調(diào)系統(tǒng):酒店冷源系統(tǒng)現(xiàn)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(tǒng):酒店供電系統(tǒng)為兩路供電,供電總?cè)萘繛?2000kVA,每路供電配備為2臺2500kVA和1臺10OOkVA變壓器,35kV直降0.4kV系統(tǒng),6臺變壓器皆處于較低負(fù)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(tǒng):鍋爐房內(nèi)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(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(tǒng):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(tǒng)節(jié)能量
 
  從技術(shù)的節(jié)能量、酒店的安全性、系統(tǒng)穩(wěn)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(jié)能改造措施。每個設(shè)備的節(jié)能量是通過以下兩種方式之一或結(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平均運行時間x運行天數(shù)。
 
  (2) 低區(qū)生活熱水改造:擬選擇6臺熱泵熱水器主機 (可滿足66.7%負(fù)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(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臺熱泵熱水器主機(可滿足60%負(fù)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(tǒng)年減少天然氣消耗105174m3,同時系統(tǒng)年增加電量消耗為199831kW•h。
 
  (4) 電梯勢能回饋:擬為電梯增設(shè)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(yù)期年節(jié)能量約113040kW•h。
 
  (5) 變配電系統(tǒng)改造:對兩臺WOOkVA變壓器進行減容改造,減容改造后供電總?cè)萘拷禐?0000kVA。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)測和管理系統(tǒng):酒店建立能耗監(jiān)測管理平臺可以以實際能耗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)對酒店的現(xiàn)有用能狀況進行分析,做出相應(yīng)節(jié)能診斷,得出切實可行的節(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,提高酒店的運行管理水平,預(yù)計節(jié)電量為383523kW•h。
 
  2.3 問題分析和模型建立
 
  2.3.1 問題分析
 
  這是一個混合型的線性規(guī)劃問題,首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)達到643.3噸標(biāo)煤。同時實現(xiàn)投資額低。因此需要決策的是各個系統(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(shù)規(guī)劃來處理。
 
  (3) 低區(qū)生活熱水、泳池生活熱水若進行改造,在減少燃?xì)庥昧康耐瑫r,會增加耗電量。在模型中反映是:將燃?xì)庥昧亢陀秒娏空酆蠟闃?biāo)準(zhǔn)煤,在同一水平上進行比較。
 
  (4) 各項系統(tǒng)在決定是否進行改造后,需對節(jié)能量加總,以達到低節(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)*平均運行時間x運行天數(shù) ( 其中運行天數(shù)按365天計算);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=實際改造數(shù)量x單個燈具投資。
 
  (2) 低區(qū)熱水系統(tǒng)、泳池?zé)崴到y(tǒng)改造
 
  節(jié)能量折合標(biāo)煤=改造后減少的燃?xì)饽芎?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)計后得出工程量清單,估算得出。
 
  (3) 電梯勢能回饋
 
  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)計后得出工程量清單,估算得出。
 
  (5) 能源監(jiān)測和管理系統(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)計后得出工程量清單,估算得出。
 
  建立模型及進行規(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)實現(xiàn)總節(jié)能量要達到低節(jié)能量要求時,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)、電梯勢能回饋、變配電系統(tǒng)改造、能源監(jiān)測和管理系統(tǒng)。改造總投資由各系統(tǒng)單項投資加總,合計:4,914,604 元。
 
  表 1 酒店全年能耗值統(tǒng)計
 
  表 2 照明系統(tǒng)決策方案
 
  表 3 各系統(tǒng)決策方案
 
  2.3.3 優(yōu)決策方案分析
 
  從求解的優(yōu)解可以看出以下特點 :
 
  (1) 照明燈具:節(jié)能量較大、單項投資較低的燈具是首項選擇。而節(jié)能量大,但單項投資也較高的燈具,改造時不作為必要考慮。
 
  (2) 熱水系統(tǒng)改造:節(jié)能量較大的泳池?zé)崴脑?,在?yōu)化求解中沒有被采納,主要原因是該項投資較大,與低區(qū)熱水改造相比,實際投資量約為低區(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) 電梯勢能回饋、變配電系統(tǒng)改造和能源監(jiān)測和管理系統(tǒng)的節(jié)能量都非??捎^,同時,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)測系統(tǒng)介紹
 
  3.1 系統(tǒng)概述
 
  Acrel-5000建筑能耗監(jiān)測系統(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(xì)分和統(tǒng)計,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,便于找出高耗能點或不合理的耗能習(xí)慣,有效節(jié)約能源,為用戶進一步節(jié)能改造或設(shè)備升級提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。
 
  3.2 應(yīng)用場所:
 
  (1)辦公建筑(商務(wù)辦公、國家機關(guān)辦公建筑等);
 
  (2)商業(yè)建筑(商場、金融機構(gòu)建筑等);
 
  (3)旅游建筑(賓館飯店、娛樂場所等);
 
  (4)科教文衛(wèi)建筑(文化、教育、科研、醫(yī)療衛(wèi)生、體育建筑等);
 
  (5)通信建筑(郵電、通信、廣播、電視、數(shù)據(jù)中心等);
 
  (6)交通運輸建筑(機場、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(dāng)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(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)計各支路某段時間內(nèi)逐日、逐周、逐月、逐季、逐年用能。
 
  (5)分項能耗概況
 
  系統(tǒng)可以按照動力、空調(diào)、插座等分項進行能耗統(tǒng)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;分項用能排名圖顯示被選中分項對應(yīng)能耗值排名*位的支路。
 
  (6)分項用能
 
  系統(tǒng)可以統(tǒng)計各分項某段時間內(nèi)逐日、逐周、逐月、逐季、逐年用能(這里的支路須通過基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中分類分項的配置。)
 
  (7)部門能耗概況
 
  系統(tǒng)可以按照部門進行能耗統(tǒng)計與顯示,并進行日同比分析圖,餅圖顯示各部門過去31天的用能占比;堆積圖顯示各部門過去31天的能耗趨勢;部門績效考核對比圖顯示實際用能和用能目標(biāo)值,當(dāng)實際用能值大于目標(biāo)值時,實際值標(biāo)為紅色。
 
  (8)區(qū)域能耗概況
 
  系統(tǒng)可以按照區(qū)域進行能耗統(tǒng)計與顯示,日分項用能同比分析圖顯示不同區(qū)域的當(dāng)日與昨日能耗柱狀圖;餅圖顯示各區(qū)域過去31天的用能占比;堆積圖顯示各區(qū)域過去31天的能耗趨勢;區(qū)域用能排名圖中顯示被選中區(qū)域?qū)?yīng)能耗值排名*位的支路。
 
  (9)參數(shù)查詢
 
  查詢各回路戓支路某段時間內(nèi)的參數(shù),以曲線的形式反映趨勢(具體可以查詢的參數(shù)與安裝的儀表有關(guān),查詢時不能跨月,且繪制曲線時以1分鐘為間隔),電力參數(shù)可以多選。
 
  (10)數(shù)據(jù)檢查
 
  系統(tǒng)可以統(tǒng)計某段時間內(nèi)各回路與下級支路的用能差值,超過一定百分比后醒目顯示(紅色區(qū)域),確保計量體系的完整性、準(zhǔn)確性。
 
  (11)非工作日用能分析
 
  系統(tǒng)可統(tǒng)計各支路工作日與非工作日的能耗情況。此處的工作日和非工作日是在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中非工作日設(shè)置中配置的非工作日。
 
  (12)能耗數(shù)據(jù)同比環(huán)比分析
 
  系統(tǒng)可將各種類型(電、水、氣)和各主要耗能設(shè)備的能耗與去年同期值和上月值進行同比環(huán)比分析,檢驗節(jié)能效果,根據(jù)分析結(jié)果執(zhí)行節(jié)能績效考核,以及節(jié)能目標(biāo)的修正。
 
  (13)分時段用能統(tǒng)計
 
  在儀表帶有復(fù)費率統(tǒng)計功能的前提下,系統(tǒng)可以采集電表內(nèi)尖、峰、平、谷參數(shù),并將數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中方便后期查詢。不同時段可以分別設(shè)置用電單價,統(tǒng)計報表會呈現(xiàn)出分時段電能值與電費。
 
  (14)日月年報表
 
  系統(tǒng)提供方便的日月年報表統(tǒng)計功能,通過選擇不同回路,報表類型,查詢?nèi)掌?,生成對?yīng)報表。選中報表中的某一行數(shù)據(jù),會自動顯示對應(yīng)的柱狀圖。
 
  (15)儀表網(wǎng)關(guān)斷線報警
 
  系統(tǒng)通過能耗網(wǎng)關(guān)采集數(shù)據(jù)時,可以獲得儀表的通訊狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)判斷儀表通訊中斷時間大于10分鐘時或網(wǎng)關(guān)通訊中斷時間大于20分鐘時,系統(tǒng)會彈窗或者通過鈴鐺報警,顯示當(dāng)前通訊中斷的儀表或者網(wǎng)關(guān)。
 
  (16)圖表導(dǎo)出
 
  系統(tǒng)可將分析統(tǒng)計的曲線、棒圖、報表導(dǎo)出到Excel格式文件,以便于用戶數(shù)據(jù)二次利用。
 
  (17)用戶管理
 
  系統(tǒng)用戶權(quán)限管理采用分級模式,為系統(tǒng)管理員、后勤管理人員、設(shè)備維護人員三級,進行訪問權(quán)限管理,防止未授權(quán)的訪問,并對所有操作自動進行帶時標(biāo)事件記錄,可建立良好的反事故措施。
 
  (18)基礎(chǔ)信息配置與維護
 
  系統(tǒng)可根據(jù)項目實際情況配置每塊智能儀表所屬的能耗類型和分項、歸屬區(qū)域、設(shè)備類型,這些數(shù)據(jù)將作為用能分析的基礎(chǔ)信息。
 
  (19)人工錄入數(shù)據(jù)
 
  系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)手工錄入功能,可錄入儀表每天的抄表值與每天的用能值,用于后期報表統(tǒng)計。
 
  (20)遠(yuǎn)程訪問功能(C/S模式)
 
  系統(tǒng)采用C/S架構(gòu)設(shè)計,在任意一臺連接廣域網(wǎng)的計算機上安裝Acrel-5000建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)客戶端軟件即可實時訪問該能耗監(jiān)測系統(tǒng)。
 
  3.4 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
 
  AcrelCloud-5000能耗管理云平臺采用分層組網(wǎng)架構(gòu),將系統(tǒng)分為設(shè)備層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層。
 
  設(shè)備層:設(shè)備層作為平臺數(shù)據(jù)來源的基礎(chǔ),通過儀表與傳感器對參數(shù)進行監(jiān)測和計量。
 
  網(wǎng)絡(luò)層:網(wǎng)絡(luò)層通過強大的協(xié)議轉(zhuǎn)換功能將采集到的設(shè)備層的數(shù)據(jù)傳遞到應(yīng)用層,起到承上啟下的作用。
 
  應(yīng)用層:應(yīng)用層對設(shè)備層的數(shù)據(jù)進行分類、存儲、統(tǒng)計分析,通過友好的人機界面為用戶提供高品質(zhì)的體驗。
 
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
 
  3.5 能耗監(jiān)測系統(tǒng)產(chǎn)品選型
 
4 結(jié)論
 
  根據(jù)以上的規(guī)劃求解分析,就上海市大型公共建筑能耗與節(jié)能改造研究得出如下結(jié)論:
 
  (1)通過采用數(shù)模模型方式進行節(jié)能改造的決策,可以在較低的投資額的情況下獲得更高的回報(節(jié)能量),這對于建筑業(yè)主來說是非常有必要的。
 
  (2)根據(jù)節(jié)能率目標(biāo) ,對每項節(jié)能技術(shù)進行節(jié)能量、投資額分析,通過設(shè)定邊界條件,在達到低節(jié)能率的情況下,規(guī)劃分析求解得出應(yīng)改造的系統(tǒng),實現(xiàn)經(jīng)濟性優(yōu)化。
 
  【參考文獻】
 
  [1]徐強,莊智,朱偉峰等.上海市大型公共建筑能耗統(tǒng)計分析.第七屆GUOJI綠色建筑與建筑節(jié)能大會論文集,2011
 
  [2]蔡伊秋.城市大型公共建筑能耗與節(jié)能改造決策研究.
 
  [3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊.2020.06版.
 
  作者簡介王榮蕊,女,本科,現(xiàn)就職于安科瑞電氣股份有限公司,主要研究方向為重點用能單位能

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