上海某高校綜合樓運(yùn)維能耗審計(jì)與節(jié)能潛力分析

楊峰峰 （上海紐約大學(xué)， 上海 200122）

城市現(xiàn)代化發(fā)展伴隨著大量的樓宇建設(shè)活動(dòng)，而隨著存量建筑的增多，在其壽命周期占有可觀比重的運(yùn)維能耗，無(wú)疑已成為社會(huì)能源消耗的重要場(chǎng)景。因此，加強(qiáng)各類(lèi)樓宇在運(yùn)維環(huán)節(jié)中的能源管理，勢(shì)必成為社會(huì)低碳化發(fā)展的重要切入點(diǎn)。

高等院校作為國(guó)家教育和科研機(jī)構(gòu)的重要載體，其在能源等公用資源中可能享有一定的政策優(yōu)惠，與社會(huì)化的樓宇建筑相比，其在節(jié)能運(yùn)維方面，存在一定的自我驅(qū)動(dòng)力不足的問(wèn)題[1]，包括能耗數(shù)據(jù)僅流于統(tǒng)計(jì)上報(bào)的層面、缺乏突破傳統(tǒng)管理的意識(shí)、不能正確認(rèn)識(shí)節(jié)能潛力、缺少專(zhuān)業(yè)運(yùn)維人員等情況。本文以上海某高校所轄的綜合樓為研究對(duì)象（標(biāo)的物），對(duì)其運(yùn)維狀況開(kāi)展調(diào)查分析。借助能源審計(jì)的思路，對(duì)其歷年的能耗（電力）數(shù)據(jù)進(jìn)行全面的縱橫向分析，并對(duì)其能耗強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的一線運(yùn)維狀況，著手發(fā)掘該標(biāo)的物的節(jié)能潛力，為其制訂針對(duì)性的節(jié)能建議和措施。

1 建筑物概況

1.1 基本信息

標(biāo)的物為上海某高校的綜合樓，竣工于 2014 年，總建筑面積為 6.5 萬(wàn) m2，集合了辦公、教學(xué)、試驗(yàn)、科研、餐飲、車(chē)庫(kù)等多種功能；為鋼結(jié)構(gòu)玻璃幕墻建筑，幕墻型材為斷熱鋁，玻璃規(guī)格為 6Low-E+12A+6，圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能滿足 GB 50189—2005《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》。

標(biāo)的物常駐人數(shù)為 1 000 人，各業(yè)態(tài)面積情況如表1所示。

表1 標(biāo)的物各功能區(qū)面積一覽表單位：m2

1.2 設(shè)備及自控系統(tǒng)概況

大樓配置有基本的空調(diào)自控系統(tǒng)、照明控制系統(tǒng)以及高配站電力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，具有一定的自動(dòng)化控制基礎(chǔ)。主要的用能設(shè)備如表2 所示。

表2 標(biāo)的建筑物主要用能設(shè)備一覽表

1.3 分項(xiàng)能耗數(shù)據(jù)來(lái)源

本文所有分項(xiàng)原始數(shù)據(jù)取自于高配間低壓饋線柜以及樓層二級(jí)配電箱柜面的計(jì)量電能表。該類(lèi)表具每月有定期抄表記錄。分項(xiàng)能耗劃分原則參考 DGJ 08-2068—2017《公共建筑用能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)能耗子項(xiàng)的定義。

2 建筑能耗分析

2.1 歷年總電耗分析

對(duì)標(biāo)的建筑物 2017—2020 年逐年的總電耗及其各分項(xiàng)用電的占比情況進(jìn)行分析，所得如圖1 所示。由圖1 可知，空調(diào)用電歷年均占到大樓總用電的 40% 以上，為大樓的頭號(hào)用電類(lèi)別；其次為特殊用電，占比約為 25%，隨后為照明用電和插座用電，占比分別達(dá) 15% 和 12%。從絕對(duì)消耗量上來(lái)看，大樓的總電耗每年呈上升趨勢(shì)，觀察各分項(xiàng)用電逐年的絕對(duì)消耗量（圖1 次坐標(biāo)折線圖）可知，空調(diào)用電與特殊用電的歷年能耗呈現(xiàn)出較為明顯的上升趨勢(shì)，照明能耗除在 2020 年有所回落，此前各年也處于上升趨勢(shì)，分析知原因?yàn)?2020 年學(xué)校較長(zhǎng)時(shí)間處于疫情防控期，在校師生人數(shù)減少所致。

圖1 歷年電耗結(jié)構(gòu)及各分項(xiàng)用電變化趨勢(shì)圖

2.2 逐月電耗分析

歷年逐月總電耗變化趨勢(shì)如圖2 所示。由圖2 可知，每年的能耗峰值均集中在 7—9 月，主要是因?yàn)樵摱螘r(shí)間屬于大樓典型的制冷空調(diào)季，空調(diào)使用強(qiáng)度的提高使得該月份能耗顯著提高。另外，縱向觀察歷年峰值點(diǎn)位 8 月份的情況，可知，歷年的月度能耗峰值也呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢(shì)。觀察能耗谷值出現(xiàn)的時(shí)間，可知多集中在每年的 3—4 月，次谷值時(shí)間為每年的 10—11 月。分析可知：原因?yàn)檫@兩個(gè)時(shí)間段恰為空調(diào)過(guò)渡季，空調(diào)使用強(qiáng)度低，對(duì)比兩個(gè)過(guò)渡季的絕對(duì)消耗量，可知春季過(guò)渡期的電耗歷年均要稍低于秋季過(guò)渡期的電耗（2017 年除外）。

圖2 歷年逐月總電耗變化趨勢(shì)圖

此外，選取典型年份 2019 年的分項(xiàng)電耗進(jìn)行逐月分析，以便認(rèn)識(shí)分項(xiàng)電耗與月份之間的變化關(guān)系，如圖3 所示。由圖3 可知，空調(diào)用電隨月份變化呈現(xiàn)出的最為明顯的相關(guān)性。8 月份峰值電量與過(guò)渡季的谷值電量可相差 2 倍多，特殊用電在 8 月份也呈現(xiàn)出小幅度的峰值，其他分項(xiàng)用電隨月份變化不大，基本呈平穩(wěn)態(tài)勢(shì)。這兩條曲線均與總量的變化曲線（圖2）做了呼應(yīng)。每月各分項(xiàng)用電量的比重位次除 11 月份外，其他月份均與年度衡量角度的結(jié)果相同，依次為空調(diào)、特殊、照明、插座和動(dòng)力。

圖3 典型年份（2019 年）各分項(xiàng)用電逐月變化情況

2.3 能耗強(qiáng)度分析

對(duì)歷年的單位建筑面積年耗電量和人均年耗電量分別計(jì)算分析，如圖4 所示。由圖4 可知，標(biāo)的物的這兩項(xiàng)指標(biāo)實(shí)際數(shù)據(jù)歷年均分別在 120 kWh/(m2·a)以上和8 000 kWh/(人·a)以上；與《高等學(xué)校建筑合理用能指南》所給出的指標(biāo)限值進(jìn)行對(duì)比，本標(biāo)的物在這兩項(xiàng)指標(biāo)上的表現(xiàn)極差，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出 DB31/T 783—2014 規(guī)定的 3 級(jí)限值水平［分別為 70 kWh/(m2·a)和 1 658 kWh /(人·a)］。推測(cè)原因，可能由于本建筑物雖為高校使用，但其內(nèi)部功能業(yè)態(tài)較為多元，不屬于典型的高校建筑，將其與典型的高校建筑指標(biāo)進(jìn)行類(lèi)比，一定程度上有失妥當(dāng)。根據(jù) 2017年度上海市公共能耗監(jiān)測(cè)平臺(tái)的數(shù)據(jù)分析[2]，其為綜合建筑給出的能耗指導(dǎo)值為 124 kWh/(m2·a)，是當(dāng)年入網(wǎng)所有建筑平均能耗—108 kWh/(m2·a)的 1.15 倍。由于后續(xù)年份僅可獲知聯(lián)網(wǎng)建筑平均能耗，未給出綜合建筑的指導(dǎo)值[3-4]，因此，本文擬采用 2017 年度兩者的比例（1.15倍）推定其他年份綜合建筑的能耗強(qiáng)度，所得數(shù)據(jù)如圖4中的參考線所示（圖4 為空調(diào)用電二級(jí)子項(xiàng)的情況）。由圖4 可知，基于該推斷，標(biāo)的物的能耗強(qiáng)度在 2017 年尚在指導(dǎo)值以內(nèi)，后續(xù)年份陸續(xù)突破指導(dǎo)值，能效表現(xiàn)逐年下降。截至目前，尚未查得 2020 年度的聯(lián)網(wǎng)建筑能耗分析數(shù)據(jù)，因此該年度的基準(zhǔn)線暫時(shí)缺失。

圖4 單位建筑面積年電耗與人均年電耗分析

2.4 二級(jí)能耗拆分

由前述可知，大樓 65% 以上的能耗集中在空調(diào)用電和特殊用電，為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)其所轄的二級(jí)能耗子項(xiàng)的情況，對(duì)這兩項(xiàng)能耗的二級(jí)子項(xiàng)進(jìn)一步拆解分析，如圖5 所示。

圖5 歷年空調(diào)用電二級(jí)子項(xiàng)結(jié)構(gòu)以及其各單項(xiàng)變化趨勢(shì)圖

由圖5 可知，空調(diào)末端（新風(fēng)及水源熱泵主機(jī)）的能耗占到空調(diào)用電的 60% 左右，成為空調(diào)用電二級(jí)子項(xiàng)中的頭部類(lèi)別，而循環(huán)水泵、冷卻塔和冷熱源主機(jī)的各自占比均在11% 左右，相差不大。觀察各單項(xiàng)的變化曲線（圖5 次坐標(biāo)），可知，除空調(diào)末端設(shè)備能耗呈現(xiàn)上升趨勢(shì)以外，其他子項(xiàng)能耗基本與往年保持平穩(wěn)。從絕對(duì)消耗量上來(lái)說(shuō)，冷卻塔、空調(diào)輸配系統(tǒng)以及冷熱源主機(jī) 3 個(gè)子項(xiàng)的能耗歷年也較為接近。

對(duì)特殊用電二級(jí)子項(xiàng)的情況進(jìn)行逐年分析，如圖6 所示。由圖6 可知，數(shù)據(jù)中心的能耗每年均占該類(lèi)別能耗的70% 以上，屬于特殊用電子項(xiàng)中的頭部用戶，隨后的占比位次（2017 年除外）依次為廚房用電（約 13%）、試驗(yàn)室用電（約 6%）、地下車(chē)庫(kù)用電（4%）、安保中心用電（3%）和會(huì)議中心用電。觀察各單項(xiàng)曲線的變化情況（圖6 次坐標(biāo)），可知其二級(jí)子項(xiàng)中，數(shù)據(jù)中心的用電呈現(xiàn)出顯著的逐年上升趨勢(shì)，是特殊用電總消耗量上升的主要原因。廚房設(shè)備由于 2020 年疫情控制的原因，開(kāi)業(yè)時(shí)間受到影響，相應(yīng)能耗有所回落，其他子項(xiàng)每年基本呈平穩(wěn)狀態(tài)。

圖6 2017－2020 年特殊用電二級(jí)子項(xiàng)結(jié)構(gòu)及其各單項(xiàng)變化趨勢(shì)圖

3 節(jié)能潛力分析及建議

3.1 空調(diào)系統(tǒng)

空調(diào)系統(tǒng)用電占到大樓總能耗的 40% 以上，而其二級(jí)能耗子項(xiàng)中，空調(diào)末端系統(tǒng)（即新風(fēng)機(jī)組和水源 VRV 主機(jī)）的能耗又占 60%。分析原因，大樓屋頂帶熱回收功能的新風(fēng)機(jī)組和樓層組合式新風(fēng)機(jī)組相接駁的方式，前者風(fēng)機(jī)雖為變頻但并未與風(fēng)管內(nèi)的送風(fēng)壓力進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，未能根據(jù)實(shí)際用量及時(shí)對(duì)總風(fēng)量進(jìn)行調(diào)節(jié)，導(dǎo)致屋頂新風(fēng)機(jī)不能及時(shí)捕捉樓層新風(fēng)機(jī)啟停數(shù)量的變化，進(jìn)而損失掉變頻可帶來(lái)的節(jié)能潛力。此外，大樓有相當(dāng)部分的新風(fēng)采用與 VRV 室內(nèi)機(jī)合并出風(fēng)管的方式送出，導(dǎo)致在 VRV 內(nèi)機(jī)未啟動(dòng)時(shí)，新風(fēng)的出風(fēng)效果大打折扣，過(guò)渡季節(jié)本可以利用新風(fēng)冷卻的便利資源，因?yàn)樾嘛L(fēng)送出效果受到影響而失去了應(yīng)有價(jià)值，使得末端用戶不得不開(kāi)啟室內(nèi)機(jī)以加強(qiáng)送風(fēng)效果，相應(yīng)也加大了水源 VRV 主機(jī)的使用強(qiáng)度，使得其能耗長(zhǎng)期高位運(yùn)行。

另外，大樓空調(diào)采用水源 VRV 熱泵，室內(nèi)控制面板有主/分面板之別，且分面板的模式伴著主面板模式的切換而隨之調(diào)整；此種特性對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的分區(qū)提出了嚴(yán)苛的要求，否則會(huì)導(dǎo)致大量不必要的能源浪費(fèi)。如大樓空調(diào)未按照內(nèi)外區(qū)進(jìn)行劃分，導(dǎo)致面對(duì)“西曬”（建筑物西向區(qū)域在夏季的下午會(huì)面臨大量的日照直射，對(duì)室內(nèi)溫度的控制提出挑戰(zhàn)）問(wèn)題時(shí)，原本可處于通風(fēng)模式的內(nèi)區(qū)空調(diào)，由于同處一個(gè)群組下，而不得不隨著主面板切換為制冷而隨之切換為制冷，內(nèi)區(qū)用戶可以手動(dòng)再恢復(fù)至通風(fēng)模式，但往往在意識(shí)到問(wèn)題之時(shí)已為時(shí)久矣，或索性置之不理，無(wú)意中增加了水源 VRV 主機(jī)的電耗。此外，會(huì)議室、辦公室等不同功能區(qū)的空調(diào)被劃在同一群組，如會(huì)議室由于瞬時(shí)人員密度的增加需要制冷，此時(shí)又會(huì)將與其同處一個(gè)群組之下的辦公區(qū)空調(diào)也切換至制冷模式，辦公人員在面對(duì)此類(lèi)問(wèn)題時(shí)不堪其擾，無(wú)暇他顧。

3.2 照明系統(tǒng)

大樓僅走道區(qū)域的照明納入照明控制系統(tǒng)中，其余各功能區(qū)域內(nèi)的照明均由末端面板自行控制，如教室、會(huì)議室。該類(lèi)區(qū)域仍具備一定的公共屬性，由用戶通過(guò)面板進(jìn)行控制的方式在管理上有一定的粗放性，在可能的情況下應(yīng)增配人體感應(yīng)照明模塊，以保證房間空置時(shí)及時(shí)關(guān)閉照明。同時(shí)，多數(shù)教室都有大面積的臨窗區(qū)域，因此臨窗區(qū)域的照明采用光感控制也極為必要。照明系統(tǒng)優(yōu)化空間梳理如下。

（1）大樓公共區(qū)域的照明已采用 LED 燈具，但大量的功能區(qū)內(nèi)的光源仍為熒光燈，此類(lèi)光源的改造會(huì)有可觀的節(jié)能效益。

（2）樓梯間轉(zhuǎn)角處照明和踏步上方（應(yīng)急）照明，均為 24 h 常亮，可將轉(zhuǎn)角處的普通照明設(shè)為聲控感應(yīng)功能的照明，減少長(zhǎng)明燈的存在。

（3）公共區(qū)域靠近外窗處的照明，未借助自然光線資源進(jìn)行室內(nèi)照明。應(yīng)配置照度感應(yīng)功能的照明，應(yīng)控制系統(tǒng)以減少人工照明。

（4）核心筒內(nèi)衛(wèi)生間照明未納入照明控制系統(tǒng)，由后勤人員手動(dòng)定時(shí)管理的方式亦出現(xiàn)疏漏。宜為此區(qū)域的照明增配時(shí)鐘控制功能。

3.3 插座用電

插座用電主要取決于用戶末端的用電行為。除常規(guī)的辦公用電取自插座以外，部分科研設(shè)備儀器也取自插座。這部分的節(jié)電空間完全取決于末端用戶的行為意識(shí)。基于插座用電的特點(diǎn)，建議大樓可定期開(kāi)展節(jié)能巡檢，對(duì)公共區(qū)以及用戶區(qū)的用電行為進(jìn)行抽檢，尤其是針對(duì)用戶自行配置的小電器（如空氣凈化器、取暖油汀等），及時(shí)督導(dǎo)其在使用過(guò)程中落實(shí)行為節(jié)能。

3.4 動(dòng)力系統(tǒng)

大樓動(dòng)力分項(xiàng)用電主要在于電梯能耗。目前大樓所有電梯均為全天候 24 h 待機(jī)，即使在夜間時(shí)段，大樓進(jìn)出人員較少，所有電梯及其轎廂照明仍處于全負(fù)荷待機(jī)狀態(tài)，存在較大的節(jié)能優(yōu)化空間。查其原因，大樓電梯系統(tǒng)缺少休眠模塊，無(wú)法在低使用頻次時(shí)進(jìn)入自我休眠以節(jié)約待機(jī)能耗，從長(zhǎng)期使用的角度建議電梯增配該功能。

3.5 特殊用電

由于數(shù)據(jù)中心的特殊性，內(nèi)部設(shè)備的使用和管理相對(duì)獨(dú)立，其內(nèi)部的基礎(chǔ)環(huán)境控制亦由用戶自行調(diào)節(jié)，設(shè)施運(yùn)維團(tuán)隊(duì)僅可監(jiān)測(cè)其總能耗，未能對(duì)其內(nèi)部的空調(diào)運(yùn)行施行精細(xì)化管理，對(duì)實(shí)施統(tǒng)一的用能管理帶來(lái)不便。建議設(shè)施團(tuán)隊(duì)每月對(duì)數(shù)據(jù)中心的總能耗進(jìn)行同比和環(huán)比分析，通過(guò)月報(bào)的形式告知責(zé)任用戶，以便激勵(lì)其自主進(jìn)行能耗管控。關(guān)于廚房設(shè)備的能耗，其與供餐量也有密切關(guān)系，但對(duì)廚房人員的行為節(jié)能意識(shí)加強(qiáng)培訓(xùn)和督導(dǎo)，仍應(yīng)是長(zhǎng)期不懈的工作著力點(diǎn)。

試驗(yàn)室區(qū)域的用電子項(xiàng)除涵蓋其專(zhuān)有設(shè)備的負(fù)載，還包括試驗(yàn)室配置的自有空調(diào)，因此其能耗具有一定的季節(jié)性特征。由于試驗(yàn)室對(duì)其內(nèi)部環(huán)境的溫濕度有相對(duì)較高的要求，且其自有送排風(fēng)機(jī)均設(shè)置了變頻機(jī)組并與風(fēng)管靜壓聯(lián)動(dòng)，因此本次評(píng)估認(rèn)為該區(qū)域在設(shè)備運(yùn)維上的節(jié)能空間相對(duì)有限。地下車(chē)庫(kù)分項(xiàng)雖在特殊用電類(lèi)別中占比很小，但據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察，車(chē)庫(kù)區(qū)域的照明存在較大的節(jié)能空間，部分未開(kāi)放的車(chē)庫(kù)區(qū)域仍如開(kāi)放區(qū)域一樣，照明全負(fù)荷 24 h 供應(yīng)。照明回路雖有區(qū)分車(chē)位照明和車(chē)道照明，但實(shí)際運(yùn)營(yíng)并未進(jìn)行利用，需加強(qiáng)對(duì)工程運(yùn)行方案的精細(xì)化管理。

4 結(jié) 語(yǔ)

節(jié)能運(yùn)維是樓宇在運(yùn)維階段的重要任務(wù)。本文通過(guò)標(biāo)的建筑物的分項(xiàng)計(jì)量大數(shù)據(jù)進(jìn)行細(xì)致分析，對(duì)標(biāo)的建筑物后續(xù)的節(jié)能運(yùn)行給出了針對(duì)性的方向和切入點(diǎn)。大樓用電分項(xiàng)中，空調(diào)用電與特殊用電合計(jì)占據(jù)了總用電量的 60% 以上，而空調(diào)末端用電和數(shù)據(jù)中心用電又分別作為兩者的二級(jí)能耗子項(xiàng)的主體，在其用電分項(xiàng)中占據(jù)著重要位置?？照{(diào)系統(tǒng)的原始設(shè)計(jì)為空調(diào)末端的節(jié)能運(yùn)行設(shè)置了諸多挑戰(zhàn)，需要后期運(yùn)維人員以及終端用戶的通力協(xié)作，方可實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)維的應(yīng)有之義。數(shù)據(jù)中心的精細(xì)化管理需突破用戶主體之間的壁壘，引入激勵(lì)機(jī)制，以貫徹全面的節(jié)能運(yùn)維。

與公共能耗監(jiān)測(cè)平臺(tái)的大數(shù)據(jù)相比，標(biāo)的物近年的用電能耗強(qiáng)度一直處于高位水平，存在極大的節(jié)能必要性。自動(dòng)化控制手段的不完善和用戶行為節(jié)能意識(shí)的淡薄，均是大樓實(shí)施節(jié)能運(yùn)維的突破點(diǎn)。