基于合同能源管理模式的既有公共建筑用能系統(tǒng)節(jié)能改造與評估

常儇宇

（昆山市建設(shè)工程質(zhì)量檢測中心，江蘇 昆山 215337）

能源緊缺是目前國際臨的首要問題。“十三五”建筑節(jié)能和綠色建筑發(fā)展專項規(guī)劃提出要深入開展既有公共建筑能效提升。清華大學(xué)建筑節(jié)能研究中心發(fā)布的《中國建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報告 2020》顯示，2018年我國建筑面積總量約601億 m2，其中公共建筑面積128億 m2，民用建筑建造能耗為 0.177 億 GJ，約占全國能耗的 11%，建筑運行的化石能源消耗相關(guān)的 CO2排放為21億 t，公共建筑碳排放占比為 30%。由此可見，隨著公共建筑規(guī)模的增長及平均能耗強度的增長，公共建筑的能耗已經(jīng)成為中國建筑能耗中占比最高的一部分。相對于居住建筑而言，公共建筑體量大、用能系統(tǒng)復(fù)雜且管理難度較大，故而公共建筑能耗是關(guān)系整個國家節(jié)能減排順利實施的重要因素[1-3]，公共建筑節(jié)能改造大有可為。

在傳統(tǒng)的節(jié)能投資方式下，節(jié)能改造的投資風(fēng)險和所有收益都由實施節(jié)能投資的用戶承擔(dān)，但在合同能源管理方式中，用戶自身對節(jié)能項目無須大量投入，由此，用戶的接受程度較高。合同能源管理模式起源于發(fā)達國家，在國外應(yīng)用較為廣泛。其是由節(jié)能服務(wù)公司與用戶簽訂能源管理服務(wù)合同，為用戶實施和管理節(jié)能項目，通過節(jié)能效益回收投資、獲得合理利潤，并在合同完成后將節(jié)能項目無償交付給用戶使用的服務(wù)方式，也是目前政府大力提倡和推廣的一種既有建筑節(jié)能改造市場化模式[4]。

相比發(fā)達國家，我國現(xiàn)階段合同能源管理仍處于起步階段。本文以實際改造工程為例，對采用合同能源管理方式的既有公共建筑用能系統(tǒng)節(jié)能改造案例進行分析和評估，以期為公共建筑改造模式和改造方案的選擇提供參考。

1 改造項目簡介

項目為酒店建筑，總體建筑面積為10800 m2，建造于2010年，為框架剪力墻結(jié)構(gòu)，擁有1個宴會大廳、9個大小包間、2個會議室、147 間客房。其中，地上 1～2 F 為酒店宴會廳、包廂等，3～7 F 為酒店客房，地下1F 為車庫。項目節(jié)能改造于2018年11月開始正式實施，于2018年12月完成相關(guān)改造項目。

1.1 外圍護結(jié)構(gòu)

外墻采用30mm 厚 EPS 外墻外保溫系統(tǒng)，屋面保溫材料采用65mm 厚 XPS 板，外窗采用6LOW-e +9A +6斷橋隔熱鋁合金窗。

1.2 空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)

酒店空調(diào)系統(tǒng)冷熱源采用2臺風(fēng)冷冷水（熱泵）機組，置于酒店屋頂，型號為 KCA1130AR，制冷量 451.1 kW，制冷功率 142.3 kW；制熱量 523.3 kW，制熱功率 138.6 kW。平時開啟1臺即可滿足要求，高峰期間需開啟2臺主機?？照{(diào)系統(tǒng)共采用3臺冷凍水泵，流量為 91.2 m3/h，揚程 28.8 m，功率 11.0 kW。

1.3 生活熱水系統(tǒng)

酒店生活熱水由2臺常壓熱水鍋爐制取，鍋爐供熱量分別為 233.0 kW、348.0 kW。鍋爐配有4臺熱水泵，功率為410W，另配1個15t 熱水箱。

1.4 照明系統(tǒng)

酒店大堂、餐廳、客房、走廊及地下車庫等主要采用筒燈、T8熒光燈、白熾燭泡燈、螺口節(jié)能燈、鹵素射燈等大量高能耗燈具。

1.5 供配電系統(tǒng)

酒店供配電系統(tǒng)的三相電壓偏差、三相不平衡率、電壓諧波奇次畸變率等均未超過 DGJ 32/TJ 127—2011 《既有建筑節(jié)能改造技術(shù)規(guī)程》標(biāo)準(zhǔn)中的限定值，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求。酒店雖然安裝了部分電表用于日常管理，但其均為老式電表，需采用人工抄表的方式進行數(shù)據(jù)記錄，不支持?jǐn)?shù)據(jù)遠(yuǎn)傳。且酒店未按照空調(diào)、照明、特殊、動力的用電類型進行分項計量，未進行電量監(jiān)測與控制。

2 改造方案

建筑在圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計時參照 GB 50189—2005《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》，按照節(jié)能率為 50% 設(shè)計，外保溫系統(tǒng)及門窗構(gòu)造均維護完好，且滿足節(jié)能要求。因此此次改造不考慮圍護結(jié)構(gòu)。沈旸等對常見節(jié)能技術(shù)進行了統(tǒng)計，并選取了來自不同氣候區(qū)的三座典型城市（上海、北京、廣州），通過能耗模擬軟件建立基準(zhǔn)模型，與實測數(shù)據(jù)相差不到 10%，可信度較高，模擬結(jié)果給出建議。若建筑圍護結(jié)構(gòu)的熱工性能已滿足節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，則改造潛力微乎其微[5]。

此次改造中，空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)是主要目標(biāo)。商宇軒研究發(fā)現(xiàn)賓館建筑的單位面積能耗指標(biāo)分別達到 134.0 kWh/(m2·a)，其中空調(diào)系統(tǒng)能耗分別占 50.6%，無論指標(biāo)還是空調(diào)系統(tǒng)占比均處于較高能耗水平。對于節(jié)能改造效果而言，總體上空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)于生活熱水供應(yīng)系統(tǒng)、優(yōu)于外圍護結(jié)構(gòu)[6]。空調(diào)系統(tǒng)主要影響因素有主機 COP、冷水進出口溫度、水泵效率等。楊美林選取夏熱冬冷地區(qū)商業(yè)綜合體建筑進行研究，提出若干節(jié)能措施，如水系統(tǒng)大溫差運行技術(shù)、變風(fēng)量送風(fēng)技術(shù)、排風(fēng)熱回收技術(shù)、冷卻塔免費供冷技術(shù)以及集中冷熱源技術(shù)等[7]。唐浩等以100余棟實際公共建筑的節(jié)能改造項目為基礎(chǔ)，總結(jié)了各項節(jié)能改造技術(shù)并分析各自的節(jié)能改造效果，在改造進程中，將照明插座系統(tǒng)以及空調(diào)制冷系統(tǒng)置于首位，供配電系統(tǒng)以及動力系統(tǒng)次之[8]。

考慮項目自身特點和改造效益比，項目的節(jié)能改造主要包含空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造、生活熱水系統(tǒng)節(jié)能改造、照明系統(tǒng)節(jié)能改造、可再生能源利用節(jié)能技術(shù)改造及能耗監(jiān)測與節(jié)能物管。此次改造前后能源節(jié)約比例目標(biāo)為 24%，全年節(jié)約能耗為 6.142 GJ。

2.1 空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造

2.1.1 風(fēng)冷熱泵主機霧化降溫節(jié)能技術(shù)

酒店空調(diào)系統(tǒng)采用2臺風(fēng)冷冷水（熱泵）機組，配備3臺循環(huán)水泵，水泵與主機可根據(jù)負(fù)荷情況自由組合。酒店供冷期為5月至10月，年平均運行152d；供暖期為11月至次年3月初，年平均運行121d。風(fēng)冷冷水（熱泵）機組制冷時，冷凝器散熱存在以下問題。① 在高溫天氣運行時，為了向環(huán)境中散熱，壓縮機不得不提高排氣溫度與壓力，導(dǎo)致壓縮機耗電量增加、風(fēng)冷機組能效下降。② 多臺散熱器同時運行時，易形成“熱島”效應(yīng)，進一步惡化機組運行工況。

改造方案為對酒店原有空調(diào)機組翅片換熱器進行清潔、保養(yǎng)和維護，主機增加霧化降溫節(jié)能系統(tǒng)。其優(yōu)勢主要如下。① 高速電機使得噴口產(chǎn)生“微霧”，擴大散熱面積，增強相變散熱能力。② 降低并穩(wěn)定冷凝溫度，恢復(fù)并提高空調(diào)室外機，特別是高溫工況下的散熱能力，節(jié)能效果顯著。③ 徹底解決壓縮機高壓保護，確保空調(diào)主機安全運行，并可以延長使用壽命。④ 整個安裝過程不會對現(xiàn)有設(shè)備和機房造成任何影響與破壞，而且當(dāng)霧化節(jié)能設(shè)備出現(xiàn)故障時，空調(diào)系統(tǒng)仍然能夠按照改造前的狀態(tài)運行。⑤ 對風(fēng)冷熱泵機組的翅片進行定期清潔和保養(yǎng)，可以延長機組使用壽命。⑥ 以明顯減少風(fēng)冷機組的維護及維修成本，經(jīng)濟效益顯著。

2.1.2 增設(shè)基于負(fù)荷隨動的循環(huán)水泵變流量控制系統(tǒng)

酒店共有3臺空調(diào)循環(huán)水泵。經(jīng)過現(xiàn)場檢測和診斷，酒店冷熱負(fù)荷隨季節(jié)或使用情況變化較大，而循環(huán)水泵無變流量控制功能，無法隨系統(tǒng)負(fù)荷以及外界溫濕度的變化而進行自動調(diào)節(jié)，導(dǎo)致系統(tǒng)長期處于“大流量、小溫差”的運行狀態(tài)，存在能量浪費問題。

改造方案為對空調(diào)循環(huán)水泵增設(shè)基于負(fù)荷隨動的變流量控制系統(tǒng)，其核心控制策略是溫差結(jié)合壓差控制，同時確保主機流量保護。即通過現(xiàn)場測試找出系統(tǒng)中最不利工況點所需的壓力，設(shè)定主機不同開啟臺數(shù)的冷凍水流量保護值，并以同時滿足最不利工況點所需的壓力以及主機冷凍水流量保護值這兩個條件作為循環(huán)水泵變頻的下限值。在兩個條件都滿足的情況下，以冷凍水實際供回水溫差與設(shè)計供回水溫差的偏離值作為依據(jù)，實時調(diào)整水泵的運行參數(shù)，使實際供回水溫差與設(shè)計供回水溫差趨于一致，實現(xiàn)在主機安全運行、滿足使用要求的前提下，輸配系統(tǒng)能耗最低。

2.2 照明系統(tǒng)節(jié)能改造

酒店內(nèi) 3.5 寸筒燈、6 寸筒燈、螺口節(jié)能燈、MR16鹵素射燈、白熾燭泡燈、1.2 m T5熒光燈帶、0.6 m T8熒光燈、1.2 m T8熒光燈等高能耗燈具，未更換為高效節(jié)能 LED 光源，且部分區(qū)域燈具光衰嚴(yán)重，照度值不滿足國家照明標(biāo)準(zhǔn)。

改造方案為采用高效節(jié)能 LED 燈對酒店照明燈具實施改造。LED 燈具有質(zhì)優(yōu)、耐用、節(jié)能等主要特點，故而采用 LED 燈具既可滿足酒店要求，又可大幅降低照明能耗。

2.3 可再生能源利用節(jié)能改造

酒店現(xiàn)有生活熱水的熱源為2臺燃?xì)鉄崴仩t，酒店生活熱水用量大，燃?xì)庀牧看?，熱水成本較高。酒店樓頂有可利用空間，且采光條件好，樓頂符合增設(shè)太陽能熱水系統(tǒng)的承重標(biāo)準(zhǔn)。

改造方案為在酒店樓頂增設(shè)28組真空管式太陽能集熱器，單臺集熱器規(guī)格為Ф58×2100 × 30，總集熱面積為 202.6 m2，設(shè)計日產(chǎn)水量為12t，為酒店提供部分生活熱水。同時，燃?xì)忮仩t作為輔助熱源，當(dāng)太陽能熱水系統(tǒng)提供的水溫不能滿足要求時，再經(jīng)燃?xì)忮仩t加熱提供生活熱水。

2.4 能耗監(jiān)測與節(jié)能物管

在能源管理方面，項目增設(shè)了能耗監(jiān)測與節(jié)能物管，實現(xiàn)了用能的實時監(jiān)測和統(tǒng)計，方便運行管理。對酒店配電系統(tǒng)各饋線回路增加分項計量裝置，按照空調(diào)、照明、動力、特殊四大分項安裝智能化遠(yuǎn)傳數(shù)字電表，通過智慧能源數(shù)據(jù)采集器對能耗數(shù)據(jù)進行實時采集與傳輸，并通過用電能監(jiān)測系統(tǒng)進行實時監(jiān)測?；谀芎谋O(jiān)測平臺上的能耗仿真、數(shù)據(jù)挖掘、考核評價、輔助決策、能耗定額等功能，制定行之有效的節(jié)能管理策略。并以此作為能源管理和節(jié)能物管的基礎(chǔ)。

3 評 估

酒店合同能源管理項目于2017年4月立項，2018年11月開始實施，于2018年12月完成相關(guān)項目改造。通過能耗賬單分析，得到 2016～2019 整年及2020年1～6 月份的能耗情況。從改造項目進度來看，以2018年1月～2018年12月底為節(jié)能改造前的計算周期，并以此計算節(jié)能改造前的能耗基準(zhǔn)。以2019年1月到2019年12月底為節(jié)能改造后的計算周期，并以此計算節(jié)能改造后的能耗數(shù)據(jù)。

3.1 改造前后總體耗能情況

項目2016～2020年耗電情況折線圖如圖1所示，改造前后耗電情況對比圖如圖2所示。項目 2016～2020年耗天然氣情況折線圖如圖3所示，改造前后耗氣情況對比圖如圖4所示。

圖1 項目2016年～2020年耗電情況折線圖

圖2 改造前后耗電情況對比圖

圖3 項目 2016～2020年耗天然氣情況折線圖

圖4 項目改造前后耗氣情況對比圖

3.2 評估

3.2.1 經(jīng)濟效益評估

根據(jù)以上數(shù)值可知，2018年1月至2018年12月共消耗電量為1951387kWh，消耗天然氣量為92614 m3；2019年1月至2019年12月共消耗電量為1443705kWh， 消耗天然氣量為74786 m3。改造后年節(jié)省電量為507681 kWh，年節(jié)約天然氣量17828 m3。當(dāng)?shù)匚飪r局商業(yè)電價格為 0.6715元/kWh，天然氣價格為 3.235 元/m3，年節(jié)約費用為 0.6715×507681＋3.235 ×17 828＝398 581.37 元，約 39.9 萬元。

根據(jù)節(jié)能改造方案，本項目改造總投資約 172.5 萬元。根據(jù)上述節(jié)能改造前后運行費用分析，本項目改造后年節(jié)約費用約 39.9 萬元。本項目靜態(tài)投資回收期約 4.33 a。

3.2.2 環(huán)境效益評估

根據(jù)2018年及2019年兩年用電與耗汽量，換算成能源量分別為 25.809 GJ（756.42 tce）和 19.354 GJ（567.24 tce），改造前后能耗節(jié)約量為 6.455 GJ（189.18 tce），節(jié)約比例為 25.01%。

根據(jù)項目全年常規(guī)能源替代量的計算結(jié)果，該項目的全年常規(guī)能源替代量為 6.455 GJ（189.18 tce），換算成 CO2、SO2及粉塵減排量如表1所示。

表1 CO2、SO2 及粉塵減排量

3.3 評估結(jié)果

通過改造前2018年及改造后2019年前后用能對比，得出改造后每年費用節(jié)約 39.9 萬元，改造前后能源節(jié)約比例為 25.01%，全年常規(guī)能源替代量為 6.455 GJ，完成了年節(jié)能量 6.142 GJ、節(jié)約能源比例 24% 的改造目標(biāo)。CO2減排量 467.28 t/a、SO2減排量 3.78 t/a、 粉塵減排量 1.89 t/a，符合 DGJ 32/TJ 127—2011 《既有建筑節(jié)能改造技術(shù)規(guī)程》的改造要求。

4 結(jié)語

（1）公共建筑節(jié)能改造資金數(shù)量大、項目施難度大、維護困難，合同能源管理模式可以很好地解決這些困難，大幅降低了用戶的投資和運營風(fēng)險，從而更好地推動公共建筑節(jié)能改造項目的發(fā)展，是今后節(jié)能改造主要的推廣模式。

（2）節(jié)能改造技術(shù)的選擇需根據(jù)項目自身情況定奪。如在圍護結(jié)構(gòu)基本達標(biāo)并運行維護情況較好的前提下，因其投入與節(jié)能效果相比效益較低，不推薦選擇。圍護結(jié)構(gòu)的改造主要為外墻、屋面、外窗保溫以及加裝遮陽設(shè)施等，改造時根據(jù)項目實際情況加以選擇。

（3）空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的節(jié)能改造技術(shù)還有新風(fēng)免費供冷、排風(fēng)熱回收（包含顯熱回收和全熱回收）、冷卻塔風(fēng)機變頻、冷卻塔直接供冷、空調(diào)熱源應(yīng)用熱泵等技術(shù)可以選擇。

（4）生活熱水供應(yīng)系統(tǒng)中還可以采用變頻水泵、熱泵及冷凝熱回收機組代替燃?xì)鉄嵩吹裙?jié)能改造形式。

（5）供配電與照明系統(tǒng)中，除采用節(jié)能燈具替代外，電梯自動控制、設(shè)備無功補償?shù)裙?jié)能改造技術(shù)也是較好的選擇。

（6）能耗監(jiān)測與綜合能耗管控裝置應(yīng)加強維護，有效運行，從而實現(xiàn)精準(zhǔn)控制。