既有建筑能源審計及節(jié)能分析

胡圣浩，丁 寧，徐江榮

(杭州電子科技大學(xué)能源研究所，浙江 杭州 310018)

0 引 言

為了應(yīng)對全球氣候變暖和環(huán)境污染的負(fù)面影響，實現(xiàn)經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展，我國提出“二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和”等莊嚴(yán)目標(biāo)承諾[1-3]。為了達到這一目標(biāo)，需要對現(xiàn)有能源消耗進行能源審計，促進綠色能源的發(fā)展，加快構(gòu)建清潔低碳的能源體系。

能源是全球經(jīng)濟發(fā)展的關(guān)鍵，因能源消費產(chǎn)生碳排放引起的氣候和環(huán)境變化已成為國際性問題。有些能源的利用效率仍較低，需要不斷完善能源生產(chǎn)和使用方式[4]。相比其他行業(yè)，建筑行業(yè)的碳排放占比較大[5-6]，有效降低建筑行業(yè)碳排放對我國實現(xiàn)節(jié)能減排與“雙碳”目標(biāo)具有現(xiàn)實意義。在現(xiàn)有能源審計相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，本文從建筑行業(yè)能源審計流程、審計分類與方法、審計軟件等方面著手，對比分析現(xiàn)有建筑審計與節(jié)能措施，提出合理解決方案。

1 能源審計

1.1 能源審計流程

能源審計主要包括3個階段，分別為數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)分析、總結(jié)與建議。首先，根據(jù)審計目標(biāo)、工作范圍和計劃項目的要求，通過實地考察、查閱資料等方式獲取相關(guān)文件和能源審計數(shù)據(jù)，盡可能多地收集數(shù)據(jù)，并確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；其次，對獲取的數(shù)據(jù)進行詳細分析，生成相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，轉(zhuǎn)化為可視的圖表；最后，根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，分析能源使用情況，找出節(jié)能項目，提出整改措施。

1.2 能源審計類型

能源審計一般分為3種類型，分別為基礎(chǔ)型、目標(biāo)型和綜合型?；A(chǔ)型能源審計是一種快速評估的能源審計類型，時間短，要求簡單，只需對能源使用情況作一般調(diào)查，通過現(xiàn)場獲取的必要數(shù)據(jù)找出明顯的節(jié)能潛力以及短期內(nèi)可提高能源效率的簡單措施。目標(biāo)型能源審計主要是針對特定的節(jié)能項目展開詳細分析，進行節(jié)能成本和耗時等方面分析，根據(jù)項目的資金和進度要求綜合得出最佳節(jié)能減排方案，常見的節(jié)能項目一般包括節(jié)能照明、工廠設(shè)備更新、空調(diào)系統(tǒng)升級等。綜合型能源審計需要全面分析和評價企業(yè)的耗能系統(tǒng)，采集企業(yè)用能數(shù)據(jù)，并對部分用能設(shè)備進行測試，從而提出節(jié)能技改項目和措施，如工藝升級，設(shè)備更換等。各種類型的能源審計都有自己的特點和優(yōu)勢，要根據(jù)項目的需求、經(jīng)費、人力等情況進行選擇，得出最合適的能源審計方法，充分發(fā)揮能源審計的作用。

2 建筑能源審計分析

2.1 建筑能源審計分析方法

建筑能源審計分析一般采用傳統(tǒng)分析和模擬軟件分析方法。

2.1.1 傳統(tǒng)分析

傳統(tǒng)能源審計方法[7]往往采用查閱的方式來收集資料，主要包括用能系統(tǒng)和設(shè)備臺賬，以及電、氣、煤等能源消耗計量記錄和財務(wù)賬單；然后，檢查用能系統(tǒng)及設(shè)備的運行狀況，審查節(jié)能管理制度的執(zhí)行情況；最后，分析各項能源的消耗，對比上一次改造的落實效果，得出最終的節(jié)能措施和改進建議。節(jié)能措施和改進建議的優(yōu)劣主要依賴能源審計人員的經(jīng)驗。

2.1.2 模擬軟件分析

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，能耗動態(tài)模擬分析軟件日趨成熟，現(xiàn)有主流軟件有EnergyPlus[8-9]、6SigmaRoom[10]與eQUEST[11-13]等。能源仿真軟件EnergyPlus是美國能源部開發(fā)的建筑能源模擬程序，是一個獨立開源平臺，可以在該平臺上進行二次開發(fā)，用于模擬建筑中供暖、制冷、通風(fēng)、照明、插頭負(fù)載等能源利用場景，可根據(jù)實驗條件得出非常詳細的能耗數(shù)據(jù)。6SigmaRoom是計算流體力學(xué)軟件，主要用于解決機房中的能耗問題，通過查看空間、電力、設(shè)備運行溫度等參數(shù)重新規(guī)劃設(shè)備安裝位置和機房容量，給出方案實施后的效果圖和節(jié)能數(shù)據(jù)。eQUEST用于模擬逐時能耗，根據(jù)建筑情況和室內(nèi)設(shè)計溫度值，通過計算得出建筑的全年動態(tài)能耗，是一種動態(tài)平衡的計算過程。此外，還有專門用于照明系統(tǒng)分析的Relux軟件，根據(jù)擬定的室內(nèi)和室外人工照明及自然光循環(huán)計劃，提供用于顯示照明的效果，并根據(jù)顯示效果進行細節(jié)的調(diào)整。不同軟件的應(yīng)用范圍不同，本文對目前主流建筑能源模擬軟件的應(yīng)用情況進行歸納，結(jié)果如表1所示。

表1 主流建筑能源模擬軟件應(yīng)用舉例

2.2 節(jié)能分析

目前，建筑節(jié)能措施大多集中在設(shè)備改進上，也有通過軟件實時監(jiān)測耗能情況，指出能耗過度點，避免資源浪費，達到節(jié)能減排的目的。

建筑行業(yè)涉及到的能耗設(shè)備很多，主要包括照明、空調(diào)、保溫等硬件設(shè)備[16-17]，對這些設(shè)備實施節(jié)能措施往往能達到事半功倍的效果，部分方案如下：

(1)使用高照明度的發(fā)光二極管[18-20]代替?zhèn)鹘y(tǒng)白熾燈。高照明度發(fā)光二極管的視覺舒適度更高，壽命更長，電光功率轉(zhuǎn)換率接近100%，電量消耗不到白熾燈的10%。同時，可以在人流較少的地方安裝照明定時器，自動關(guān)閉長時間未使用的燈泡，減少無效照明，延長燈炮壽命。

(2)更換老舊空調(diào)設(shè)備。老舊空調(diào)在安全性能和能耗上都存在問題，如電流泄露、制冷效果差等。更換后，耗電可節(jié)約37%左右[21]。同時，對空調(diào)系統(tǒng)進行變頻改造，還可以減少空調(diào)水系統(tǒng)水泵的運行耗能[22]。

(3)對于一些建筑(尤其是年代久遠的建筑)采取簡易的節(jié)能措施。比如增加墻體保溫層[23-24]，建綠色屋頂[25]，使用節(jié)水器具[26]，使用鍍膜玻璃或Low-e玻璃替換普通玻璃[8]等。這種措施不僅可以保護建筑的主體結(jié)構(gòu)，而且延長了建筑物的使用壽命，消除“冷熱橋”的影響，保持穩(wěn)定的室溫。

另外，從管理上抓節(jié)能，比如：

(1)使用樓宇管理系統(tǒng)[27-28]管理設(shè)備的運行。樓宇管理系統(tǒng)對設(shè)備能耗等數(shù)據(jù)進行分析，監(jiān)視特殊耗電情況，動態(tài)優(yōu)化能源使用布局，進一步降低能耗。

(2)宣傳節(jié)能知識，建立規(guī)章制度，提高使用人員的節(jié)能意識。如提倡三樓及以下的人員少用電梯，隨手關(guān)燈，雙面使用辦公用紙等，減少不必要的能源浪費行為。

2.3 應(yīng)用場景

本文主要以工廠、高校、公共建筑等應(yīng)用場景為研究對象，對具體的建筑對象實施能源審計后所產(chǎn)生的節(jié)能效果進行分析總結(jié)。

2.3.1 工廠

2020年，冼燦標(biāo)等[29]使用傳統(tǒng)能源審計方法對工廠近年數(shù)據(jù)進行了收集，并對變壓器、空氣壓縮機、球磨機等耗能情況進行測試，得出各設(shè)備的能源利用效率值。雖然測得的設(shè)備能源利用效率均為合格，但工藝、設(shè)備等較為落后，如果進行更新?lián)Q代，能源利用效率會有顯著提升。在技術(shù)改造和設(shè)備更新后，企業(yè)的能源消耗大幅下降，2017年的單位工業(yè)增加值綜合能耗為9.53噸標(biāo)準(zhǔn)煤/萬元，比2015年同期下降了20.51%，比2016年同期下降了14.20%。

在對某制革企業(yè)進行審計時，使用eQUEST軟件進行分析，輸入建筑布局、實時天氣數(shù)據(jù)等信息，創(chuàng)建出該制革企業(yè)主體建筑的仿真模型[11]。運用eQUEST創(chuàng)建模型的最大優(yōu)勢就是可以預(yù)測建筑每小時的能源使用和能源成本。通過研究發(fā)現(xiàn)，能耗分布情況如圖1所示。分析能耗分布后，提出解決方案，要求員工及時關(guān)燈，采用自動照明系統(tǒng)，使用高效設(shè)備，改進窗戶和玻璃的設(shè)計，最大限度地利用日光，減少照明能源的使用。

圖1 制革企業(yè)年度耗能占比[11]

Borzooei等[30]在一個廢水處理項目中，將初步能源審計數(shù)據(jù)放入建模平臺中進行逐步校準(zhǔn)，對反應(yīng)物流速、反應(yīng)時間、濃度等參數(shù)進行優(yōu)化，在不進行硬件方面改造升級的前提下，通過調(diào)整廢水處理流程，在改善水質(zhì)的同時，節(jié)約了5×106kW·h的能源。

2.3.2 高校

針對學(xué)校的特殊性,通過數(shù)學(xué)模型進行能耗模擬，配合使用冷卻器、傳感器以及運動探測器和自動門等器械，建立一個全方位的能源管理系統(tǒng)用于解決能源過度消耗[31]。

AlQdah等[27]對太巴大學(xué)應(yīng)用醫(yī)學(xué)系的主樓115號樓進行能源審計時發(fā)現(xiàn)，暖通空調(diào)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)存在較大的節(jié)能空間，因此，建立建筑能源管理系統(tǒng)，根據(jù)照明需求、人體舒適度等進行實時調(diào)節(jié)，并對墻體結(jié)構(gòu)進行改造。項目實施后，投資回收期約為5.4年。

Wahab等[32]對吉隆坡英國馬來西亞學(xué)院的照明系統(tǒng)進行能效分析，通過設(shè)計照明燈玄關(guān)位置、調(diào)整燈泡型號、開發(fā)智能手機應(yīng)用程序等方案進行節(jié)能減排。運用Relux對部分自習(xí)室進行模擬，得出燈光分布濃度如圖2所示，自習(xí)室中間的光照強度最大，約為750 lx，自習(xí)室內(nèi)的最低光照強度約為300 lx，經(jīng)過實驗發(fā)現(xiàn)，在滿足日常照明需求的情況下，使用LED燈替換現(xiàn)有的發(fā)光二極管，每年可以節(jié)省高達50%的能源，成本回收期為3.27個月。

圖2 自習(xí)室燈光分布濃度

2.3.3 公共建筑

焦乾峰等[33]對上海市某研發(fā)中心空調(diào)系統(tǒng)的實際運行情況進行現(xiàn)場測試和模擬分析。研究分析發(fā)現(xiàn)，該建筑供暖耗能較高，將設(shè)定的室內(nèi)空氣最低溫度由22 ℃增至24 ℃后，夏季月平均節(jié)能率達到15.67%，并對離心式冷水機組進行變頻改造，使得能耗降低約13%。

賴林鳳等[34]對福建西南部某中小醫(yī)院能源消耗結(jié)構(gòu)進行改造，采用改造鍋爐和空調(diào)等老舊設(shè)備、更換燈泡型號等措施使得能源消費結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，如圖3所示。2015年至2017年，在整個醫(yī)院消費結(jié)構(gòu)中，電力占比增加了9個百分點，柴片占比降低了21個百分點，綜合樓單位面積等價值綜合能耗降低了21.07%。

圖3 某醫(yī)院能源消費結(jié)構(gòu)圖[33]

2.3.4 其它建筑

寺廟具有獨特的能耗時間分布和空間分布。Younness等[19]根據(jù)摩洛哥兩座清真寺的能耗情況提出一系列的改造方案，采取了安裝照明定時器、自動關(guān)閉長時間未使用燈、根據(jù)自然采光程度對照明進行分區(qū)、安裝太陽能電池板等措施?？ㄋ拱颓逭嫠碌哪昶骄M量從4×104kW·h降至5×103kW·h，庫圖比亞清真寺從3.5×104kW·h降至1.5×104kW·h，節(jié)能效果明顯。

3 結(jié)束語

本文針對既有建筑能源審計方法展開研究。通過分析發(fā)現(xiàn)，在工廠、高校、公共建筑等典型應(yīng)用場景中，通過能耗監(jiān)控、設(shè)備改造和節(jié)能管理等措施可以降低10%～20%的能耗；建立實時在線監(jiān)測系統(tǒng)，借助物聯(lián)網(wǎng)、5G通信等技術(shù)動態(tài)監(jiān)控能源使用情況，可有效制止能源浪費；運用模擬軟件進行審計分析，可提高審計工作效率，提高實施效果。但是，在建筑相關(guān)能源審計中，人工智能算法的應(yīng)用還不夠成熟，經(jīng)濟、能源、碳排放多目標(biāo)耦合優(yōu)化算法將是未來發(fā)展的趨勢。