基于能耗監(jiān)測系統(tǒng)與建筑分項能耗模型的校園建筑能耗分析

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1.前言

以能源計量為基礎(chǔ)，以能耗實時監(jiān)測為技術(shù)支撐，以能源審計為重要手段，以能效公示為目標(biāo)，硬件搭建平臺，軟件支撐業(yè)務(wù)，軟硬兼?zhèn)錁?gòu)成了節(jié)約型校園建筑能耗監(jiān)控體系。

“十一五”期間國家通過發(fā)布一系列的節(jié)能減排政策、法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)，推動全國節(jié)能工作的有序開展，其中包括建筑能耗實時監(jiān)測與分項計量領(lǐng)域的導(dǎo)則和實施方法，并已經(jīng)在一些國家機關(guān)類和事業(yè)單位類公共機構(gòu)中進行試點和應(yīng)用，同期啟動了一批建筑節(jié)能領(lǐng)域的重點科研項目，并將成果轉(zhuǎn)化，指導(dǎo)節(jié)能實踐，進一步推動了動態(tài)監(jiān)測技術(shù)和分項計量技術(shù)在全國范圍的應(yīng)用，以部級、省級、市級為中心逐步建立能源分級監(jiān)控平臺，在商業(yè)、辦公、賓館、體育、教育等建筑內(nèi)實現(xiàn)了能耗計量與監(jiān)測、審計和公示[1]。截至2011年初，全國范圍內(nèi)已完成的各類型建筑能耗實時監(jiān)測項目有一千多個[2]，普及率正在逐年增加，但實際完成效果還有待檢驗。

如圖1所示，校園建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)由現(xiàn)場計量儀表、采集器、服務(wù)器、顯示終端等設(shè)備與通信線路構(gòu)成的硬件基礎(chǔ)設(shè)施層和通信軟件、平臺軟件、展示軟件、分析軟件等構(gòu)成的軟件應(yīng)用與業(yè)務(wù)層所組成，實現(xiàn)對建筑能源信息的采集、存儲、統(tǒng)計、分析和處理，全過程是動態(tài)的、實時的和長期的。

能耗的分項計量是能耗監(jiān)測系統(tǒng)的基本功能，利用監(jiān)測數(shù)據(jù)評估校園建筑能耗分項情況對建立校園建筑節(jié)能體系至關(guān)重要。為系統(tǒng)和深入地分析校園建筑能耗水平和用能特點，本文以校園建筑能耗分類和分項分析為目的，初步構(gòu)建了能耗分項評價指標(biāo)體系，并通過實際案例利用該模型進行了校園建筑的分項能耗分析。

2.建筑分項能耗模型

如圖2所示，校園建筑分項能耗是指電耗按用電屬性分為照明用電、辦公用電、空調(diào)用電、動力用電和特殊設(shè)備用電等。

建筑分項能耗評價指標(biāo)通常包括動力用電、空調(diào)用電、照明插座用電、特殊區(qū)域用電以及建筑峰期、平期和谷期用電評價指標(biāo)。建筑分項能耗評價指標(biāo)只適用于那些已建立能耗分項計量的建筑，而對尚未建立分項計量的建筑則不適用。對于已執(zhí)行分時電價的建筑可采用峰時、谷時和平時用電指標(biāo)進行分析，對其合理用電和節(jié)省電費具有實際意義。

從校園建筑的能耗結(jié)構(gòu)角度分析，以電耗為主，因此，校園建筑能耗實時監(jiān)測的核心是電力監(jiān)測，基于電力監(jiān)測數(shù)據(jù)進行用電管理和分析評價具有重要意義。建筑用電量評價指標(biāo)按類型可分為總用電指標(biāo)、均值類指標(biāo)、極值類指標(biāo)和用電比例類指標(biāo)等類別；按時間周期，可分為月度、季度和年度指標(biāo)。

（1）建筑總用電指標(biāo)

圖1 校園建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)

建筑總用電指標(biāo)主要包括建筑總用電量、動力、空調(diào)、照明插座、特殊區(qū)域用電等分項用電量以及建筑峰、谷、平分時用電量，如表1所示。表中各指標(biāo)代碼說明如下，E表示建筑用電量，5位的下標(biāo)代碼用來區(qū)分建筑的分項能耗，建筑的分時用電（峰、谷、平）分別用peak、valley、f l at下標(biāo)來劃分，如E01C00表示動力系統(tǒng)的用電量。

（2）用電比例類指標(biāo)

建筑分項用電比例類指標(biāo)用以衡量各子系統(tǒng)（單元）用電量占比的大小，利用這些指標(biāo)可分析出建筑物的用電結(jié)構(gòu)，通常分為兩大類，即分項用電比例指標(biāo)和峰谷平分時用電比例指標(biāo)。計算方法是各分項用電量與建筑總用電量的比值，詳細計算公式如表2所示。表中各指標(biāo)代碼說明如下，代碼命名規(guī)則與表1基本一致，區(qū)別在5位下標(biāo)代碼值中最后1位下標(biāo)P表示用電比例，如E01C00P表示動力分項用電占建筑總用電的比例。

3.校園建筑分項能耗評價案例分析

3.1 案例簡介

本案例是位于大連市的某理工類大學(xué)，校園總建筑面積約為100萬平米，建筑數(shù)量有180棟，校內(nèi)總?cè)藬?shù)約為35500人。該校園內(nèi)建筑類別主要是教學(xué)樓、科研樓、辦公樓、體育館、圖書館、醫(yī)院、宿舍和食堂。校園內(nèi)建筑冬季由集中供熱系統(tǒng)進行采暖，夏季采用空調(diào)系統(tǒng)進行制冷，其空調(diào)系統(tǒng)形式多為分體式空調(diào)，少數(shù)建筑采用中央空調(diào)系統(tǒng)。該校園從2008年開始逐步建立了建筑能耗實時監(jiān)測平臺，部分建筑可實現(xiàn)能耗的實時采集、分項計量和動態(tài)分析。

表1 建筑總用電指標(biāo)

表2 分項用電比例類指標(biāo)

圖2 建筑分項能耗模型

3.2 校園典型建筑能耗分項分析

圖3 2010年建筑分項用電指標(biāo)

校園某科研樓建筑面積約為36600m2，師生人數(shù)約為3060人，建筑的用電分項包括動力用電、空調(diào)用電、照明插座用電、特殊用電及其他用電。如圖3所示，圖中列出每一分項年度能耗數(shù)據(jù)均包含兩組數(shù)據(jù)，分別是分項用電量（單位萬kWh）和分項用電比例。對2010年建筑能耗統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行深度分析，動力用電單位面積指標(biāo)為2.42kWh/(m2·a)，人均用電指標(biāo)為28.75kWh/(人·a)。空調(diào)用電單位面積指標(biāo)為10.54kWh/(m2·a)，人均用電指標(biāo)為125.84kWh/(人·a)。照明插座用電單位面積指標(biāo)為35.7kWh/(m2·a)，人均用電指標(biāo)為426.8kWh/(人·a)。特殊用電單位面積指標(biāo)為0.06kWh/(m2·a)，人均用電指標(biāo)為0.07kWh/(人 ·a)。

從上述該建筑2010年分項用電指標(biāo)分析可知，建筑電力主要被照明插座系統(tǒng)和暖通空調(diào)系統(tǒng)所消耗，兩個系統(tǒng)分項用電合計占比高達90%，均為重大用能點。為分析原因，借助表1的總用電量指標(biāo)和表2的分項用電比例類指標(biāo)，重點分析各系統(tǒng)每月的用電量及分類分項比例指標(biāo)，特別是照明插座、空調(diào)和動力系統(tǒng)。

圖4和圖5中可以看到，暖通空調(diào)用電量全年隨季節(jié)變化顯著，主要是受室外環(huán)境的影響，而動力用電量和照明插座用電量則相對穩(wěn)定。照明插座用電量平均約為11.3萬kWh/月，占總用電的比例隨季節(jié)而變化，在供暖季約為77%，過渡季達到最大，約為90%，制冷季最小，約為50%。動力用電量平均約為0.8萬kWh/月，占總用電比例約為4.7%。暖通空調(diào)用電量隨季節(jié)而變化，在供冷季平均約為8.9萬kWh/月，占總用電比例約為45%，主要是冷源設(shè)備、空氣處理機組和空調(diào)末端等設(shè)備運行；在供暖季平均約為2.8萬kWh/月，占總用電比例約為18.7%，主要是熱水循環(huán)泵運行。

圖4 建筑逐月分項用電總量指標(biāo)

圖5 建筑逐月分項用電比例指標(biāo)

為便于分析建筑內(nèi)空調(diào)和動力系統(tǒng)的各分項子系統(tǒng)用電情況，現(xiàn)將該建筑2010年8月的空調(diào)和動力系統(tǒng)用電量按設(shè)備進行分類拆分，借助表2的分項用電比例類指標(biāo)對各設(shè)備進行分類核算，如圖6和圖7所示。

圖6 建筑8月份空調(diào)分項用電

圖7 建筑8月份動力分項用電

3.3 評價結(jié)果

圖8 空調(diào)冷源設(shè)備用電量指標(biāo)

圖9 空調(diào)冷源設(shè)備用電比例指標(biāo)

此科研樓暖通空調(diào)系統(tǒng)由空調(diào)冷熱源和末端系統(tǒng)組成，已建立的能耗監(jiān)測系統(tǒng)只覆蓋了冷熱源系統(tǒng)，即只監(jiān)測了制冷機組、冷水泵、熱水泵和冷卻塔風(fēng)機的能耗，因客觀條件所限，末端系統(tǒng)設(shè)備能耗無法監(jiān)測，此部分主要是新風(fēng)機組和風(fēng)機盤管能耗。就整體用電情況來看，暖通空調(diào)系統(tǒng)用電主要被冷熱源系統(tǒng)所消耗，末端系統(tǒng)電耗較少，因此本文在分析暖通空調(diào)系統(tǒng)用電時，主要以各設(shè)備用電比例類指標(biāo)作為依據(jù)，參見表2。如圖8所示，該建筑空調(diào)用電的高峰出現(xiàn)在 制冷季，即大連市室外平均溫度最高的7、8月份，說明該建筑空調(diào)負荷的影響因素中，室外環(huán)境變化是主要影響因素。如圖9所示，制冷機組用電量在制冷季占空調(diào)總用電量的比重基本維持在50%上下，只是在6月份略有下降；冷凍泵約占21%，冷卻泵約占24%，冷卻塔風(fēng)機約占5%；此外，對比7-9月和6月的比例變化情況，我們不難發(fā)現(xiàn)，在制冷機組用電比例隨室外溫度和空調(diào)負荷下降而降低的過程中，冷凍水泵和冷卻水泵用電比例不降反升，說明水泵負荷適應(yīng)性較差，從現(xiàn)場勘察的情況來看，其水泵都沒有做變頻控制，均處于工頻運行，存在較大的節(jié)能空間。從空調(diào)冷源系統(tǒng)用電結(jié)構(gòu)來看，制冷機組是空調(diào)系統(tǒng)中的重大用能點，確保其高效穩(wěn)定運行是降低空調(diào)能耗的關(guān)鍵，同時需要對水泵、風(fēng)機的運行效率給予關(guān)注，提高其負荷適應(yīng)性。

4.結(jié)論

（1）本文建立的建筑能耗分項評價模型既概括了常規(guī)的綜合能耗指標(biāo)，又總結(jié)了分項能耗比例類指標(biāo)，為實現(xiàn)建筑能耗分類分項的量化評價、節(jié)能診斷和系統(tǒng)分析提供了依據(jù)。

（2）本文以某校園科研建筑為例，闡述了利用建筑能耗分項評價指標(biāo)分析各類建筑能耗的方法和過程。結(jié)果表明本文提出的評價模型可實現(xiàn)對建筑能耗結(jié)構(gòu)、變化規(guī)律和分項能耗比重的準(zhǔn)確分析，確定重大用能點，為節(jié)能措施的制定提供了保證。

（3）本文以能耗監(jiān)測平臺為依托，以獲取的長期能耗數(shù)據(jù)為依據(jù)，經(jīng)客觀分析發(fā)現(xiàn)：照明插座和動力用電為穩(wěn)定電耗，受室外環(huán)境影響小，與設(shè)備開啟時間和數(shù)量有關(guān)；空調(diào)用電是可變電耗，與室內(nèi)外環(huán)境和設(shè)備效率關(guān)系緊密，是節(jié)能管理關(guān)注的重點。