能耗監(jiān)測(cè)和空調(diào)節(jié)能控制系統(tǒng)的投資收益分析與優(yōu)化研究

郁曉婷（上海市建筑科學(xué)研究院有限公司， 上海 200032）

“十二五”期間，國(guó)家相關(guān)部委發(fā)布了公共建筑能源管理的相關(guān)政策和指導(dǎo)意見(jiàn)，并持續(xù)開(kāi)展政策推動(dòng)、技術(shù)普及和市場(chǎng)培育工作。近年來(lái)，公共建筑能源管理系統(tǒng)也在全國(guó)范圍內(nèi)全面推行，全國(guó)許多重點(diǎn)城市將基礎(chǔ)性的能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝列為公共建筑建設(shè)的強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)。通常規(guī)定公共建筑必須實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)自身用能情況，包括電耗、水耗、氣耗、油耗、可再生能源消耗等所有自身消耗的一次能源。

經(jīng)過(guò)多年的市場(chǎng)培育和大量建筑物的實(shí)際運(yùn)行，不少建筑物運(yùn)行管理者開(kāi)始意識(shí)到能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的作用，認(rèn)可其對(duì)于建筑整體管理效率和建筑能源使用效率提升做出的貢獻(xiàn)，并愿意加大在能源管理方面的投資，希望獲得更好的收益。能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要功能是實(shí)時(shí)監(jiān)控建筑物能源消耗的情況，并不能直接降低建筑能源的總消耗量，產(chǎn)生直接經(jīng)濟(jì)效益。通常還需要配合人工干預(yù)才可以實(shí)現(xiàn)能源節(jié)省和經(jīng)濟(jì)收益。因此，許多建筑物管理者在升級(jí)能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的同時(shí)會(huì)選擇安裝中央空調(diào)節(jié)能控制系統(tǒng)。中央空調(diào)系統(tǒng)通常都是大型公共建筑中能源消耗最大的系統(tǒng)，且其運(yùn)行模式的復(fù)雜性多存在很大節(jié)能空間。空調(diào)節(jié)能控制系統(tǒng)即通過(guò)系統(tǒng)算法對(duì)于其中主要的大功率設(shè)備實(shí)現(xiàn)智能化的啟停、變頻控制，達(dá)到空調(diào)系統(tǒng)能源效率提升的效果。許多大型公共建筑由于后期招商情況和運(yùn)行情況的不確定性，所以經(jīng)常在樓宇竣工交付后再加裝深度的能耗監(jiān)測(cè)和空調(diào)節(jié)能控制系統(tǒng)。但系統(tǒng)安裝后各個(gè)用戶對(duì)系統(tǒng)貢獻(xiàn)的經(jīng)濟(jì)效益反饋不一，且此類系統(tǒng)需要根據(jù)每幢建筑量身定制，有一定技術(shù)復(fù)雜性，經(jīng)濟(jì)效益確實(shí)受到每幢建筑實(shí)際用能情況和系統(tǒng)建設(shè)情況的影響。目前缺乏對(duì)能耗監(jiān)測(cè)和空調(diào)節(jié)能控制系統(tǒng)投資收益的量化計(jì)算方法，缺少系統(tǒng)性的收益影響要素分析，這也是導(dǎo)致各建筑物管理者對(duì)其評(píng)價(jià)不一的重要原因。缺少經(jīng)濟(jì)性收益對(duì)比，就難以從經(jīng)濟(jì)性角度優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

本文以一個(gè)大型商業(yè)綜合體項(xiàng)目為案例，分析其實(shí)際投入運(yùn)行后每部分的實(shí)際運(yùn)行情況和帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)收益，并提出一種模擬的優(yōu)化方案，將兩種方案的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行對(duì)比分析。

1 項(xiàng)目概況及方案一

1.1 項(xiàng)目概況

某大型商業(yè)綜合體建筑，總建筑面積 155 611 m2。其中地上建筑面積 95 176 m2，包括 4 棟單體建筑及裙樓。裙樓部分為商場(chǎng)，4 棟單體建筑為辦公樓。地下建筑面積604 35 m2，為車庫(kù)。

1.2 現(xiàn)有能耗監(jiān)測(cè)和空調(diào)節(jié)能控制系統(tǒng)建設(shè)方案

本文將該建筑現(xiàn)有的“能耗監(jiān)測(cè)和空調(diào)節(jié)能控制系統(tǒng)建設(shè)方案”稱為“方案一”。方案一的技術(shù)路線為全局精細(xì)化能耗監(jiān)測(cè)和中央空調(diào)節(jié)能控制。全局精細(xì)化能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在建筑內(nèi)部安裝多功能電表，實(shí)現(xiàn)了 1 443 個(gè)能耗點(diǎn)位的監(jiān)測(cè)，其中總電能耗 12 處，暖通空調(diào)用電 49 處，照明插座設(shè)備用電 183 處，動(dòng)力設(shè)備用電 76 處，特殊用電 34 處，其余樓層用能計(jì)量和單間用能計(jì)量共 1 089 處。該方案不僅涵蓋了暖通空調(diào)、動(dòng)力輸配等各項(xiàng)主要用能系統(tǒng)，更是深入樓層和各租戶單元詳細(xì)監(jiān)測(cè)了全局精細(xì)化的實(shí)時(shí)能耗監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)建筑用能系統(tǒng)的用能突增、跑冒滴漏、能源浪費(fèi)、能效低下、非正常用能等問(wèn)題的警示，并可以及時(shí)將能耗異常、設(shè)備通信故障等情況提醒至能源管理負(fù)責(zé)人[1]。

空調(diào)節(jié)能控制系統(tǒng)在室內(nèi)環(huán)境敏感區(qū)域安裝了 10 臺(tái)集環(huán)境溫濕度、CO2濃度和 PM2.5濃度監(jiān)測(cè)為一體的多功能環(huán)境傳感器，在屋頂上安裝了 1 臺(tái)室外溫濕度計(jì)量?jī)x，并在 10臺(tái)空調(diào)箱和新風(fēng)機(jī)的送風(fēng)管上各安裝 1 臺(tái)插入式溫度傳感器。安裝的執(zhí)行設(shè)備包括若干電動(dòng)開(kāi)關(guān)閥門(mén)執(zhí)行器、風(fēng)閥執(zhí)行器、變頻器和 PLC（Programmable Logic Controller，可編程序邏輯的控制器） 控制柜等。最終將現(xiàn)場(chǎng)安裝的環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器和設(shè)備監(jiān)測(cè)傳感器實(shí)時(shí)反饋的數(shù)據(jù)，以及能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)用能數(shù)據(jù)傳輸至系統(tǒng)處理器。計(jì)算出中央空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行最高效配置參數(shù)，并將該參數(shù)發(fā)送至執(zhí)行設(shè)備，完成對(duì)空調(diào)系統(tǒng)主要用能設(shè)備的開(kāi)、關(guān)、變頻等操作，最終實(shí)現(xiàn)全樓空調(diào)系統(tǒng)重點(diǎn)設(shè)備的智能化節(jié)能運(yùn)行。

方案一中能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)于用能監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的設(shè)置密度非常高，當(dāng)建筑物在運(yùn)行中出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，可以通過(guò)系統(tǒng)迅速鎖定問(wèn)題的目標(biāo)點(diǎn)位。空調(diào)節(jié)能控制系統(tǒng)僅對(duì)大功率的高能耗設(shè)備開(kāi)展節(jié)能控制，因考慮每個(gè)控制點(diǎn)位傳感器、控制器、變頻器、控制柜和施工安裝的成本，小功率設(shè)備通常散落在建筑各處且節(jié)能效果不顯著，所以放棄了對(duì)其節(jié)能控制。

1.3 方案投資收益分析

方案一的全局精細(xì)化能耗監(jiān)測(cè)策略本身無(wú)法直接降低能源消耗和產(chǎn)生直接的經(jīng)濟(jì)收益，但可以產(chǎn)出一些間接收益，主要體現(xiàn)為該系統(tǒng)的計(jì)量點(diǎn)位設(shè)計(jì)極為精細(xì)，全樓的設(shè)備管理抄表和租戶抄表工作均可以遠(yuǎn)程完成，同時(shí)提高了抄表準(zhǔn)確度、及時(shí)性、便利性，也減少了物業(yè)管理人員工作量。設(shè)備管理抄表和租戶抄表由于均是月度工作，并不能減少日常的管理團(tuán)隊(duì)人員，因此也沒(méi)有帶來(lái)直接經(jīng)濟(jì)效益?？傮w來(lái)說(shuō)，全局精細(xì)化能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行時(shí)對(duì)本項(xiàng)目的運(yùn)行管理工作能級(jí)提升效果顯著，但并未產(chǎn)出可量化的直接經(jīng)濟(jì)收益。

方案一的空調(diào)節(jié)能控制系統(tǒng)，通過(guò) CPU 運(yùn)算自動(dòng)調(diào)節(jié)空調(diào)系統(tǒng)重點(diǎn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)直接的能源使用效率提升，產(chǎn)生的直接節(jié)能收益是節(jié)省的電費(fèi)。本項(xiàng)目以空調(diào)供冷季、采暖季和過(guò)渡季典型工況數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，選擇節(jié)能控制系統(tǒng)開(kāi)啟 1 d 和關(guān)閉 1 d，對(duì)比實(shí)際能源消耗量。通過(guò)實(shí)際數(shù)據(jù)計(jì)算分析，應(yīng)用該系統(tǒng)后整體建筑用電量下降 10%，全年節(jié)電量為 187.64 萬(wàn) kWh。以本項(xiàng)目平均電費(fèi) 0.89 元/kWh 計(jì)算，重點(diǎn)設(shè)備節(jié)能控制系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的直接收益為 167 萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

對(duì)方案一分析研究，在此基礎(chǔ)上提出了優(yōu)化后的“方案二”，具體如下。

（1）能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。此系統(tǒng)僅監(jiān)測(cè)配電站中 12 個(gè)總用電回路和 342 個(gè)分項(xiàng)用能回路。取消所有樓層能耗監(jiān)測(cè)計(jì)量點(diǎn)位，所有租戶用電安裝非遠(yuǎn)傳電表，且不進(jìn)行通信線鋪設(shè)，也不接入能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，僅滿足租戶抄表收費(fèi)的功能。

（2）節(jié)能控制系統(tǒng)。對(duì)使用中央空調(diào)系統(tǒng)的商場(chǎng)區(qū)域的所有設(shè)備（不區(qū)分功率大?。┌惭b傳感器、控制器、變頻器及控制柜，主要包括所有的冷/熱源設(shè)備、冷卻塔、冷凍/冷卻側(cè)的輸配設(shè)備以及樓層中全部的空調(diào)箱和新風(fēng)機(jī)。實(shí)現(xiàn)所有空調(diào)設(shè)備開(kāi)、關(guān)、變頻等智能化管理，最終實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備的自動(dòng)化、智能節(jié)能運(yùn)行；且對(duì)于樓層內(nèi)的傳感器和控制器優(yōu)先使用無(wú)線傳輸設(shè)備，利用無(wú)線功能遠(yuǎn)程傳輸用能數(shù)據(jù)和控制信號(hào)。方案二比之方案一減少了大量配套施工的工作量。

2.2 優(yōu)化方案的收益分析

（1）能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。降低了計(jì)量表具的安裝密度，取消樓層的計(jì)量表具，降低了租戶表具的規(guī)格及免除租戶電表的通信施工，也極大降低了能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)成本。經(jīng)測(cè)算， 方案二在能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)部分的建設(shè)成本，由原先的 470萬(wàn)元下降至 210 萬(wàn)元。取消樓層和租戶單元能耗監(jiān)測(cè)后，物業(yè)管理人員每月定期抄表。表面上增加了物業(yè)管理人員工作量，但抄表工作不需要受專業(yè)化訓(xùn)練即可勝任，且可以與日常安全巡檢同時(shí)開(kāi)展，不直接產(chǎn)生增量成本。

（2）節(jié)能控制系統(tǒng)。優(yōu)化方案將商場(chǎng)區(qū)域所有中央空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備納入了節(jié)能控制系統(tǒng)，初投資成本從原先 85 萬(wàn)元升至 135 萬(wàn)元。

方案二由于新接入的設(shè)備基本屬于低功率的設(shè)備，對(duì)全年直接節(jié)省電費(fèi)的收益影響甚微。此處謹(jǐn)慎考慮，全年電費(fèi)節(jié)約產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益不變，仍取 167 萬(wàn)元整。此方案的收益增加在于，商場(chǎng)區(qū)域所有空調(diào)設(shè)備均可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，無(wú)須人工操作和管理原本未接入的設(shè)備。商場(chǎng)區(qū)域的空調(diào)系統(tǒng)管理人員可以從 5 人削減至 3 人。并且不同于普通物業(yè)人員，空調(diào)系統(tǒng)的操作和運(yùn)維管理需要較強(qiáng)的專業(yè)性，因此預(yù)計(jì)全年技術(shù)型勞動(dòng)成本支出可以減少 20 萬(wàn)元。

3 優(yōu)化前后經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析

凈現(xiàn)值（NPV）和動(dòng)態(tài)投資回收期是投資中較為常用且高效的投資收益評(píng)價(jià)方法，常被用于經(jīng)濟(jì)性分析。為了評(píng)估本項(xiàng)目方案一和方案二的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，現(xiàn)分別計(jì)算 NPV 和投資回收期。

將項(xiàng)目生命周期定為 8 a ，根據(jù)式（1）（2）進(jìn)行計(jì)算[2]。其中所有用能均折成用電量進(jìn)行計(jì)算，電價(jià)按照 0.89元/（kWh）計(jì)算。方案一項(xiàng)目總投資為 555 萬(wàn)元，連續(xù) 8 a每年產(chǎn)生等額收益為 167 萬(wàn)元（假設(shè) 8 a 收益等額），第 8 a 末有 50 萬(wàn)元的殘值，每年運(yùn)維成本為 10 萬(wàn)元，資金使用成本年息 10%。方案二項(xiàng)目總投資為 345 萬(wàn)元，連續(xù) 8 a 每年產(chǎn)生等額收益為 187 萬(wàn)元（假設(shè) 8 a 收益等額），第 8 a末有 50 萬(wàn)元的殘值，每年運(yùn)維成本為 10萬(wàn)元，資金使用成本年息 10%。

幾天以后，王樹(shù)林出差了，這年的秋季省城舉辦了聲勢(shì)浩大的商品訂貨會(huì)，作為常年的大客戶之一，王樹(shù)林所在的公司自然是舉辦方盛情邀請(qǐng)的貴賓，作為多年主管，王樹(shù)林的出席是再合適不過(guò)的了。當(dāng)然，還有一個(gè)更為重要的理由讓他欣欣然而往。

式中：NPV—凈現(xiàn)值，元；

n—項(xiàng)目計(jì)算周期，a；

Ct—第t年現(xiàn)金流量，元；

r—折現(xiàn)率，%；

C0—初投資，元。

把各量實(shí)際取值代入式（1），可計(jì)算得方案一的 NPV為 305.9 萬(wàn)元，方案二的 NPV 為 622.6 萬(wàn)元。

式中：ΔPt—?jiǎng)討B(tài)投資回收期，a；

t1—凈現(xiàn)金流量大于 0 的年份數(shù)量，a；

St－1—去年累計(jì)凈現(xiàn)金流量的絕對(duì)值；

N1—t1時(shí)的凈現(xiàn)金流量。

將式（1）中的計(jì)算結(jié)果代入式（2），可計(jì)算得方案一和方案二的動(dòng)態(tài)投資回收期。動(dòng)態(tài)回收期計(jì)算表如表 1所示。

表1 動(dòng)態(tài)回收期計(jì)算表

把各量實(shí)際取值代入式（1）（2）可得，方案一的NPV 為 305.9 萬(wàn)元，投資回收期約為 5.59 a；方案二的NPV 為 622.6 萬(wàn)元，投資回收期約為 3.28 a。方案一在人力資源成本方面擁有一定的隱性優(yōu)勢(shì)，但無(wú)法精確量化產(chǎn)生直接收益。方案二的在人力資源成本上存在一定的承壓，且在 8 a 的運(yùn)行時(shí)間中有可能會(huì)轉(zhuǎn)化成為直接的經(jīng)濟(jì)損失。但是，凈現(xiàn)值和動(dòng)態(tài)投資回收期的計(jì)算結(jié)果表明，方案二的經(jīng)濟(jì)性要優(yōu)于方案一，且可行性更強(qiáng)，投資周期的大幅縮短，也極大降低了投資的不確定性。因此，方案二總體的經(jīng)濟(jì)性更好。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文以某商業(yè)綜合體為例，分析了能耗監(jiān)測(cè)和空調(diào)節(jié)能控制系統(tǒng)在大型公共建筑中的投資收益，提出了優(yōu)化方案，并分別計(jì)算了經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)比了投資收益情況。 針對(duì)能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，建議重點(diǎn)考量樓層計(jì)量和租戶計(jì)量的投資收益，鼓勵(lì)以每月人工干預(yù)的方式提高項(xiàng)目整體的投資回報(bào)率。針對(duì)空調(diào)節(jié)能控制系統(tǒng)，建議進(jìn)一步考慮實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)區(qū)域的全覆蓋控制，有效提升管理效率，減少技術(shù)型勞動(dòng)成本，獲得直接的經(jīng)濟(jì)收益。大型公共建筑在加裝能耗監(jiān)測(cè)和空調(diào)節(jié)能控制系統(tǒng)時(shí)，收益影響因素有很多，需因地制宜地開(kāi)展客觀科學(xué)的投資分析，對(duì)比數(shù)據(jù)分析結(jié)果確定收益最優(yōu)的方案。本文提到的 2 個(gè)方案在 NPV 值和動(dòng)態(tài)投資回收期上均表現(xiàn)良好，具有較好的經(jīng)濟(jì)性，值得更多商業(yè)綜合體類型的公共建筑在加裝能源管理系統(tǒng)時(shí)借鑒和參考。本文提出的能耗監(jiān)測(cè)和空調(diào)節(jié)能控制系統(tǒng)優(yōu)化策略，以及 NPV 和投資周期的計(jì)算方案，在廣泛的實(shí)際工作中可以幫助投資者對(duì)項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性作判斷，有著較強(qiáng)的實(shí)踐意義和參考作用。