基于多種節(jié)能量模型的供熱后評價研究

王文標，尹冰玉，汪思源

(大連海事大學 信息科學與技術學院，遼寧 大連 116026)

0 引言

建筑能耗約占我國社會總能耗的三分之一，且隨著經濟的發(fā)展，建筑能耗的比重呈增長趨勢［1］。其中北方城鎮(zhèn)采暖能耗約占建筑能耗的50% ～65%，是建筑節(jié)能關鍵環(huán)節(jié)。我國供熱系統能源綜合利用率僅為35%～55%，遠低于80%的世界先進水平［2］。準確掌握供熱整體運行情況、查找能源“短板”、分析節(jié)能潛力，是節(jié)能規(guī)劃工作面臨的首要問題。由于供熱系統的運行效率和供熱單位的管理水平良莠不齊，節(jié)能評價指標體系的設計就成為供熱節(jié)能的核心問題，其合理性直接決定評價結果準確與否。此外，為了保證節(jié)能獎勵政策的實施與合同能源管理的推廣，以及幫助業(yè)主決策節(jié)能項目，營造比學趕幫超的良好氛圍，節(jié)能量的確定舉足輕重。

在對我國供熱現狀的廣泛調研和深入分析的基礎上，明確界定節(jié)能的含義以及節(jié)能量概念;探討三種不同的節(jié)能量評價辦法;分別建立以氣象指標等能耗影響因素為修正的節(jié)能量評價模型［3］和基于度日能耗的節(jié)能量計算方法。幫助用能單位“看到”節(jié)能項目帶來的節(jié)能效果和經濟收益，為項目決策提供理論依據，也是減少節(jié)能服務公司與用能單位爭議的有效手段，促進節(jié)能技術的應用和合同能源管理的推廣。

1 問題的提出

1.1 供熱系統節(jié)能后評價辦法［4］

1.1.1 后評價定義

節(jié)能后評價是指針對系統實際運行情況，依據評價指標，分析節(jié)能工作取得的成效和存在的不足，借助物聯網技術，實現供熱信息有效反饋，從而提高節(jié)能決策水平和運營管理水平，旨在供熱系統的運行優(yōu)化。

1.1.2 對比法

供熱節(jié)能后評價辦法包括Delphi法、層次分析法(AHP)、熵技術法、對比法以及成功度法等。其中對比法是我國項目后評價最常用的方法，分為“前后對比法”和“有無對比法”。“前后對比法”是節(jié)能改造后，比較供熱實際與預測，分析二者偏離程度及產生原因;“有無對比法”是比較節(jié)能項目實施前后系統的實際運行情況，無特殊說明本文采用后者。

指標體系的構建是后評價工作的最重要內容，評價指標選取是否適宜直接決定評價結果的科學性與準確性。

1.2 供熱節(jié)能評價指標體系的構建［5－6］

供熱節(jié)能評價指標體系［7］由一系列衡量供熱各環(huán)能效水平的指標或標準構成，是影響節(jié)能評價結果因素的集合。

評價指標主要分三大類，即安全指標、工藝指標和能效指標。安全指標是前提，工藝指標是保證，能效指標是方向。

1.2.1 安全指標

保證供熱品質是供熱節(jié)能的前提，以國家及行業(yè)相關標準、規(guī)范為約束條件，采取一票否決制。主要包括:

(1)室溫合格率

是衡量供熱品質的重要指標，用戶室溫合格率應在97%以上。

(2)運行事故率［8］

《城鎮(zhèn)供熱系統評價標準》規(guī)定供熱系統完好率應在98%以上;鍋爐房供熱可靠度應在85%以上;設備事故率應在2‰以下。

(3)“三來”上訪率

指反映供熱問題經查屬實的戶數占總用戶的比率，是衡量社會效益的重要指標。

1.2.2 工藝指標

用于評價供熱系統的先進工藝以及保障系統運行的調控手段。

(1)熱源配置合理性

熱源配置的合理性直接影響鍋爐效率。一直存在的“大馬拉小車”現象，就是由于選擇鍋爐的容量及臺數超過實際需求，導致鍋爐長期處于低負荷運行，造成資金和能源的極大浪費。保證主設備工作在設計負荷和工況下是節(jié)能的重要途徑。

(2)變頻節(jié)電技術

風機、水泵作為鍋爐房的主要耗能設備，其耗電量占鍋爐房用電量的80%以上。利用變頻調速技術，當轉速下降20%，耗電量減少48.8%，節(jié)電效果非常明顯。

(3)建筑物的熱工特性

建筑圍護結構狀況及其所在地區(qū)氣候和采暖條件決定了建筑采暖耗熱量指標。提高墻體保溫性能以及門窗氣密性能可以極大降低建筑采暖能耗。

(4)熱力、水力平衡工藝保障

水力失調嚴重影響供熱效果，冷熱不均造成能源的巨大浪費。《城鎮(zhèn)供熱系統評價標準》規(guī)定管網水力平衡度應介于0.9～1.2。

1.2.3 能效指標

(1)鍋爐熱效率

供熱節(jié)能效果必須最終落實到熱源處能源的節(jié)省量上，因此鍋爐效率的高低決定節(jié)能目標能否實現?！冻擎?zhèn)供熱系統評價標準》對各類型鍋爐能效作出明確規(guī)定。

(2)管網輸送效率

主要受管道保溫材料、敷設方式、供熱半徑、泄漏等影響?！冻擎?zhèn)供熱系統評價標準》規(guī)定室外管網輸送效率不應小于90%。

(3)采暖耗煤量

反映供熱系統整體效率，是衡量系統是否節(jié)能的重要指標。

(4)供熱系統綜合效率

是指建筑物自身用熱量與供熱系統總能耗之比。考慮各環(huán)節(jié)熱損失，是能夠描述供熱系統整體運行情況的指標。

(5)單位面積(熱量)綜合能耗

綜合單耗全面地反映了供熱系統的總體能耗水平，具有良好的可比性。供熱節(jié)能評價須以確保社會效益和環(huán)境效益為前提，以降低能耗為目標，以綜合單耗評價為重點，以節(jié)能措施為加分項。

1.3 相關概念

1.3.1 明確節(jié)能的定義

必須走出“減少能耗就是節(jié)能”的誤區(qū)。節(jié)能是一個相對的概念，是指在不影響生產發(fā)展和生活質量前提下的用能管理;主要包括工藝節(jié)能、技術節(jié)能和管理節(jié)能。本文主要是指技術措施節(jié)能。

1.3.2 節(jié)能量概念

“節(jié)能量”是指滿足同等需要或達到相同目的條件下，一定時期內能源消費減少的數量。需選定基準指標，通過對比得出［9］。

本文將其界定為立足現有規(guī)模設備，剔除氣象等因素影響的供熱系統實際節(jié)能量。

2 供熱系統節(jié)能量評價模型

節(jié)能量是節(jié)能改造項目最重要的產出，是合同能源管理的核心產品，也是政府落實節(jié)能獎勵政策的主要依據。但節(jié)能量不屬于直觀的產出，必須通過實際監(jiān)測或計算得到。下文將詳細探討節(jié)能量評價辦法。

2.1 節(jié)能量基準模型［10］

式中 Eb/Ea——節(jié)能改造前/后系統能耗/ tce。本文以改造前后能耗偏差為基準模型，以理論實踐為支撐，對該結果進行修正。

2.2 “國標”節(jié)能量模型［11－12］

式中 eb/ea為節(jié)能改造前/后建筑端單位熱量能耗;

Pa——節(jié)能技改后采暖建筑用熱量。值得注意的是，為衡量供熱系統整體能效，須考慮熱源及熱網效率，故計算單位熱量能耗e時，分子選取熱源側總能耗量，分母選取建筑實際用熱量。

2.3 基于能耗修正系數的節(jié)能量模型

節(jié)能效果主要取決于供熱系統能效，同時受諸多外界因素約束。缺乏消除擾動量影響的有效措施，極大地制約了合同能源管理在供熱領域的應用。為準確評價真實節(jié)能量，必須將供熱能耗修正到基準條件下，這直接決定了節(jié)能量評價結果的準確性。

2.3.1 室內熱環(huán)境修正系數ηe

首先，必須構造相同的熱環(huán)境條件。修正公式如下

式中 to——室外計算溫度;

tb/ta——節(jié)能改造前/后室內平均溫度。

2.3.2 室外氣象修正系數ηw

供熱能耗受室外氣象環(huán)境的影響較大。采用基于采暖度日數的氣象修正辦法，構造相同室外環(huán)境。修正公式如下

式中 HDDd——當地設計采暖度日數/℃·d;

HDDr——當年實際采暖度日數/℃·d。

2.3.3 系統運行時間修正系數ηr

系統運行時間也是導致能耗差異的重要因素。修正公式如下

式中 tb/ta——節(jié)能改造前/后運行時間/h。

必須注意，同一地區(qū)暖/寒差異引起采暖天數的調整，納入公式(2)的氣象修正更為合理。

2.3.4 供熱負荷修正系數ηl

供熱面積變化容易導致供熱能耗的大幅增減。修正公式如下

式中 Ad/Ar——系統設計/實際供熱面積/m2。

2.3.5 節(jié)能量修正模型

以設計條件或節(jié)能技改前為基準，對氣象條件等四個主要影響因素進行修正，構建了節(jié)能量評價的修正模型

公式(7)改變了目前供熱節(jié)能評價多為定性評價的局面，推動企業(yè)節(jié)能改造項目的開展以及節(jié)能量獎勵機制的完善，也為合同能源管理提供了節(jié)能量認定方法［13］。

2.4 基于度日能耗的節(jié)能量模型

2.4.1 采暖度日值

是指采暖期室內溫度與室外溫度差值的和。計算公式如下

式中 Tn——室內基準溫度/℃一般取18℃;

Ti——室外日平均溫度/℃; z——冬季Ti＜18℃的天數。

2.4.2 單位面積度日能耗概念［14］

單位面積度日能耗，下文簡稱度日能耗，是指采暖期單位面積建筑室內溫度每提升1℃的綜合能源消耗量。計算公式如下

式中 ∑E——采暖季綜合能源消耗量/tce;

HDD——當年采暖度日值/℃·d;

A——熱源帶暖面積/m2。

2.4.3 基于度日能耗的節(jié)能量模型

將采暖季同期能耗數據進行比較，計算度日能耗差值Δqhdd，得到單位采暖周期內供熱系統節(jié)能量ΔE。計算公式如下

由于消除了氣象條件干擾，節(jié)能量ΔE主要取決于供熱系統效率和節(jié)能管理能力，作為供熱節(jié)能量評價指標具有普遍適用性。

3 某高校應用實例分析

某高校建立了基于物聯網的供熱節(jié)能監(jiān)管系統(如圖1)，通過對能耗的實時監(jiān)控、數據的統計分析，使節(jié)能管理更加科學、細致，實現供熱系統優(yōu)化升級。

圖1 供熱節(jié)能監(jiān)管系統結構圖Fig.1 Heating system block diagram

該校供熱系統于2011年10月和2012年10月進行了兩次節(jié)能改造，改造前后供熱數據如表1所示。

采用上文所述三種模型確定該校采暖節(jié)能量，模型中各參數計算結果如表2所示。

表1 改造前后供熱數據Tab.1 Heating data before and after reformation

表2 節(jié)能量計算模型中的參數Tab.2 The parameters in energy－saving quantity models

容易看出:利用三種不同模型得到的節(jié)能量指標存在一定差異。其中“國標法”得到的節(jié)能量最少。分析其產生原因，發(fā)現“國標法”在保證建筑側用熱量基本不變時，評價結果準確可靠;而當技術措施實施前后有較大變化時，其計算值存在一定誤差，導致節(jié)能量核查結果的虛增或低估［15］。而由于帶暖面積和氣候條件等因素影響，這種情況往往普遍存在。這也是“國標法”的主要不足。

三個采暖季的單位面積度日能耗如表2所示，度日能耗指標呈下降趨勢，主要源于工藝技術的優(yōu)化和節(jié)能監(jiān)管力度的加強。其中2012～2013年采暖季度日能耗指標下降幅度較大，這要歸功于節(jié)能監(jiān)管系統的可靠運行和績效考評體系的合理構建。

值得注意的是，表1中2012～2013年采暖季的綜合能耗最高，主要是因為采暖季供熱負荷面積的擴充以及采暖期氣候較往年偏冷，此外，為改善師生工作、學習環(huán)境延長供暖5天。利用方法二的節(jié)能量修正模型，消除采暖能耗影響因素的干擾，得到相對公平準確的評價結果。

該高校2012～2013年采暖季完成環(huán)比節(jié)能1 552.7 tce。累計節(jié)約能源成本240多萬，約減少排放CO26 000 t，SO240 t，實現經濟效益、社會效益和環(huán)境效益三方共贏。

4 結論與展望

從影響能耗的主要影響因素入手，建立基于外因修正的節(jié)能量模型，得到供熱系統真實節(jié)能量，實現供熱系統節(jié)能成效量化評比;而度日能耗指標，剔除了氣象環(huán)境的干擾，客觀描述建筑物的用熱需求，直接反映供熱系統能效，作為節(jié)能后評價指標具有普遍適用性。

借助新興物聯網技術，輔以適當供熱計量，最終實現節(jié)能管理“由粗到細，由表及里”。本文節(jié)能量修正模型中的部分參數有待細化修正;采暖度日值僅是基于溫度計算而得，其準確性尚待提高。選用恰當的節(jié)能量確定方法是保證供熱節(jié)能后評價準確性和公正性的前提，也是發(fā)揮合同能源管理先進性的重要條件。

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