智能樓宇用戶節(jié)能技術(shù)與策略探討

劉 旭 高林飛 施超寅

國網(wǎng)上海松江供電公司

0 引言

傳統(tǒng)電力行業(yè)技術(shù)日趨成熟，電力企業(yè)的外部矛盾從“用電需求增長和供電能力不足”已經(jīng)轉(zhuǎn)化為“全社會電力成本承受能力與電網(wǎng)企業(yè)供電服務(wù)成本”之間的矛盾。電力體制改革需要在“安全”、“清潔”、“經(jīng)濟(jì)”這三者之間尋求最合適的平衡。自用電環(huán)節(jié)，以提高清潔能源消納效率、實(shí)現(xiàn)源網(wǎng)荷儲的技術(shù)互動，并以客戶側(cè)泛在物聯(lián)網(wǎng)為手段，實(shí)現(xiàn)智慧能源綜合服務(wù)向低壓配電網(wǎng)和用電側(cè)延伸，并成為國網(wǎng)公司新業(yè)務(wù)的增長點(diǎn)。

2017 年，中國建筑能源消費(fèi)總量為 9.47 億tce，占全國能源消費(fèi)總量的21.11%,預(yù)測建筑能耗達(dá)峰年份 2040 年左右，達(dá)峰值為 12.18 億 tce。建筑CO2排放總量為20.44億t，占全國能源碳排放總量的19.5%，預(yù)測建筑CO2排放達(dá)峰年份2040年左右，達(dá)峰峰值為24.11億t。樓宇節(jié)能擁有巨大空間（見圖1）。

圖1 建筑能耗圖表

智能樓宇以建筑物作為基礎(chǔ)平臺，同時搭載信息設(shè)施、信息化應(yīng)用、公共安全系統(tǒng)等，可以將建筑物或建筑群內(nèi)的車庫管理、保安、照明、給排水、運(yùn)輸、消防、電力、空調(diào)設(shè)備或系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一有機(jī)管理，可將服務(wù)、系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)、管理優(yōu)化組合為一體的智能建筑。目前，我國每年新增的建筑面積達(dá)20億m2，智能樓宇是未來城市建筑的發(fā)展趨勢，而樓宇節(jié)能將是節(jié)能發(fā)展中的重要一環(huán)。

1 樓宇的能源利用方面存在的問題

全球能源問題的日益突出及節(jié)能環(huán)保理念的不斷發(fā)展，建筑節(jié)能逐漸成為了緩解節(jié)能壓力的重要措施。目前，我國受建筑理念和技術(shù)水平的制約，建筑能耗普遍較高，主要是三個方面的問題（見圖2）：

1）運(yùn)維水平低。運(yùn)行人員依靠經(jīng)驗(yàn)運(yùn)維，經(jīng)驗(yàn)不足易導(dǎo)致運(yùn)行工況異常、問題頻發(fā)卻不知如何處理。員工事務(wù)多且雜，巡檢、抄表、開關(guān)機(jī)等，遇到故障等問題難以快速響應(yīng)。

2）能源效率偏低。員工不能根據(jù)冷熱需求實(shí)時調(diào)控、能耗浪費(fèi)現(xiàn)象明顯。設(shè)備運(yùn)行處于非優(yōu)化狀態(tài)，存在隱性浪費(fèi)。

3）決策數(shù)據(jù)支撐不足。缺少設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的系統(tǒng)性分析，無法準(zhǔn)確判斷設(shè)備能效，直接影響運(yùn)行參數(shù)設(shè)定、設(shè)備更換、改造等決策合理性。

圖2 建筑節(jié)能制約原因

2 從技術(shù)方面分析智能樓宇的節(jié)能應(yīng)用

2.1 暖通空調(diào)系統(tǒng)

智能樓宇的暖通空調(diào)系統(tǒng)是建筑能耗的主要部分，暖通空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷包括熱負(fù)荷與冷負(fù)荷兩類，通過空調(diào)負(fù)荷量的數(shù)據(jù)分析，設(shè)計(jì)合理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，選擇空調(diào)設(shè)備及制定控制方案的策略。

暖通空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷占比為40%～60%，其在運(yùn)行過程中存在的問題有以下三點(diǎn)（見圖3）。

當(dāng)暖通空調(diào)系統(tǒng)處在部分負(fù)荷時，需對水泵進(jìn)行臺數(shù)和運(yùn)行頻率控制，保證水泵機(jī)組運(yùn)行在最高效率點(diǎn)，降低水力輸送系統(tǒng)的運(yùn)行電耗。

2）風(fēng)機(jī)系統(tǒng)由于冷源系統(tǒng)實(shí)際出力偏小，為了維持設(shè)定的回風(fēng)溫度，大部分空調(diào)箱風(fēng)機(jī)工頻運(yùn)行，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)能耗較高。

3）新風(fēng)負(fù)荷作為空調(diào)系統(tǒng)的主要熱濕負(fù)荷，過大的新風(fēng)量不僅增加了新風(fēng)機(jī)組的耗電量，而且增大了冷源系統(tǒng)的耗電量。

圖3 暖通系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)路徑

暖通系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)節(jié)能可根據(jù)冷機(jī)能耗、制冷量、運(yùn)行數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)、用戶行為數(shù)據(jù)、電價數(shù)據(jù)和國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，通過專業(yè)算法模型、控制策略庫對暖通系統(tǒng)實(shí)行負(fù)荷預(yù)測、設(shè)備能效評估、機(jī)組啟停優(yōu)化和變頻改造等，最終達(dá)到節(jié)能目的。

2.2 照明系統(tǒng)

照明系統(tǒng)也是樓宇電能消耗的重要組成部分。照明系統(tǒng)負(fù)荷為15%～25%，可調(diào)節(jié)比例為3%～10%。一個科學(xué)的照明系統(tǒng)可以給樓宇節(jié)能減排帶來很好的效益。目前，樓宇照明的問題主要有電壓波動、運(yùn)行功率低，用戶使用效率較低的電源、樓道等公共空間的燈長明不滅等，可采取如下措施：

1）應(yīng)選用節(jié)能燈具，如LED燈、OLED燈、高壓鈉燈等。

2）制定照明系統(tǒng)的合理控制方案，根據(jù)使用環(huán)境實(shí)現(xiàn)照明區(qū)域分塊、分區(qū)域、分功能智能控制，如聲控和光控等。

案例分析：上海市黃浦區(qū)某大廈，車庫四層照明燈具約3 100 盞，光源為T5 燈管，每個燈管功率28 W，工作方式為7×24 h全亮。以智能雷達(dá)感應(yīng)LED 燈管更換原燈管，節(jié)能率68%，對每條照明回路的電氣數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控、實(shí)時掌控照明能耗，并進(jìn)行動態(tài)控制?？偼顿Y85 萬，原車庫全年電費(fèi)53萬，改造后電費(fèi)每年17 萬，2 年半即可收回投資（見圖4）。

圖4 照明節(jié)能改造效益

2.3 供配電系統(tǒng)

樓宇的供配電電網(wǎng)線損一般都超過5%～10%以上，選用合理容量變壓器和投入自動無功補(bǔ)償裝置可以減少配電系統(tǒng)的損耗。

1）變壓器容量的選擇。變壓器容量偏小，樓宇的配電系統(tǒng)將長期處于超負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，導(dǎo)致增加過載消耗。變壓器容量偏大，其負(fù)載率將大幅下降，使其偏離合理的運(yùn)行區(qū)段，增加空載損耗。選擇合適容量的變壓器，使負(fù)載率在60%～80%之間，將有利于減少變壓器的損耗。

2）無功補(bǔ)償裝置的選擇。變壓器的負(fù)載不變時，供、配電系統(tǒng)的電能利用率與功率因數(shù)成正相關(guān)。在實(shí)際運(yùn)行中，因?yàn)樨?fù)荷波動、諧波等因素干擾，功率因素會滿足不了系統(tǒng)運(yùn)行在最優(yōu)區(qū)段，因此配置運(yùn)行容量至少30%的無功補(bǔ)償裝置，并使用自動投且裝置，可以提高系統(tǒng)電壓水平和功率因素，并提高綜合電能質(zhì)量。

2.4 儲能系統(tǒng)

冰蓄冷技術(shù)是在通過低谷用電時段，將電能轉(zhuǎn)化為冰冷進(jìn)行儲存，在用電高峰時段溶水，與冷凍機(jī)組共同供冷，將冰冷進(jìn)行釋放。目前，上海市一般工商業(yè)的高壓用戶的分時電價差價較大，尤其在夏季峰、平時段的電價與谷時段電價差有約0.3 元和0.7元之多。冰蓄冷技術(shù)提高了對低谷時段電能的利用，減少了高峰時段電能的消耗，在優(yōu)化了能源負(fù)荷的同時降低了用電費(fèi)用。

2.5 電動汽車停車系統(tǒng)

為響應(yīng)國家節(jié)能減排政策，電動汽車逐漸成為未來購車趨勢。在大型樓宇的地下停車庫增加充電樁的數(shù)量，可以充分利用夜間低谷電價為電動汽車充電，開源節(jié)流。

2.6 屋頂光伏系統(tǒng)

大型樓宇的屋頂面積廣闊，可利用閑置屋頂面積安裝屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)，根據(jù)意愿采取“自發(fā)自用，余電上網(wǎng)”來減少電費(fèi)開支并獲取專項(xiàng)補(bǔ)貼，對優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、推動節(jié)能減排、實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益有重要意義。

3 供電公司可為樓宇用戶提供節(jié)能策略

分析樓宇歷史用電情況：對比不同時段不同用電系統(tǒng)的用電量；分析不同用電系統(tǒng)能耗等級；分析不同時段電能質(zhì)量的信息和電能質(zhì)量的提升。

根據(jù)節(jié)能數(shù)據(jù)的分析，節(jié)能策略主要包括以下方面：

1）根據(jù)不同的電價結(jié)構(gòu)制定出最優(yōu)的用電策略，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的削峰填谷，節(jié)約電費(fèi)的支出。

2）分析整棟樓宇負(fù)荷，制定出保證負(fù)荷平衡的用電策略，選擇最優(yōu)的方案，以降低電網(wǎng)壓力，增加發(fā)電設(shè)備的效率，延長設(shè)備使用壽命。

3）分析歷史用電情況，為每個不同子系統(tǒng)制定相應(yīng)的運(yùn)行策略，以確保用電設(shè)備的高效運(yùn)行。

4）分析樓宇用電負(fù)荷、電能質(zhì)量、和電價結(jié)構(gòu)等信息，從而制定新能源并網(wǎng)策略或充放電策略，最終達(dá)到節(jié)能的目標(biāo)。

4 結(jié)語

綜合能源服務(wù)的大力開展，電力行業(yè)的“重資產(chǎn)”投資發(fā)展模式正在被驅(qū)動轉(zhuǎn)化由“信息化、精細(xì)化”為代表的輕資產(chǎn)服務(wù)模式替代，樓宇客戶對電力企業(yè)具有戰(zhàn)略意義，他們具有一些鮮明的特點(diǎn)：人員密集，事故停電甚至閃絡(luò)將會造成嚴(yán)重的社會影響；地位特殊，與電力企業(yè)有著長期密切關(guān)系；對電力企業(yè)未來的業(yè)務(wù)發(fā)展有著巨大的潛力等。電力企業(yè)其服務(wù)水平的高低，不但僅企業(yè)社會形象和經(jīng)濟(jì)效益有關(guān)，也與社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展息息相關(guān)。公司客戶服務(wù)的目標(biāo)是增強(qiáng)公司服務(wù)水平和服務(wù)能力，提高對樓宇客戶供用電服務(wù)的品質(zhì)，不斷提升客戶滿意度，實(shí)現(xiàn)社會效益和經(jīng)濟(jì)效益的統(tǒng)一，因此做好樓宇節(jié)能工作有著非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。