基于多目標(biāo)優(yōu)化的節(jié)能措施優(yōu)選
——以某機(jī)關(guān)會議中心為例

尚如楠 周智勇 周宏豪

（昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，昆明 650500）

0 引言

《中國建筑節(jié)能年度發(fā)展報告（2020年）》指出，2018年全國公共建筑的總運(yùn)行能耗為3.83億tce，占建筑總運(yùn)行能耗的38.3%［1］。據(jù)統(tǒng)計，國家機(jī)關(guān)辦公建筑和大型公共建筑單位面積年耗電量達(dá)70～300 kW·h，為普通居民住宅的10～20倍［2-3］，占全國城鎮(zhèn)總耗電量的22%，公共建筑運(yùn)行能耗占建筑運(yùn)行能耗的很大一部分［4］。

俞泓霞［5］調(diào)研分析了上海7個機(jī)關(guān)辦公建筑的建筑能耗，對改造前期建筑的節(jié)能潛力進(jìn)行充分的分析和評價，在此基礎(chǔ)上提出了有針對性的節(jié)能改造方案，但并未定量優(yōu)化分析改造方案；李井會等［6］分析了國內(nèi)外節(jié)能量的核定方法，給出了建筑用能設(shè)備節(jié)能量核定的思路；張博等［7］以機(jī)關(guān)辦公中心為例，采用能源審計和能耗數(shù)據(jù)分析，發(fā)掘機(jī)關(guān)辦公中心節(jié)能潛力并提出相應(yīng)節(jié)能措施；羅春燕［8］研究了深圳167個不同類型公共建筑的節(jié)能改造項目，發(fā)現(xiàn)不同類型建筑存在用能差異，需要在節(jié)能潛力分析診斷的基礎(chǔ)上提出的解決方案才科學(xué)可靠。

以上研究人員主要從建筑能耗的相關(guān)影響因素展開研究，提出了不同的措施，但未對改造措施進(jìn)行優(yōu)化。本文以云南省溫和地區(qū)某機(jī)關(guān)會議中心建筑為案例，對擬改造建筑的節(jié)能措施進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化分析，最后得出最優(yōu)改造方案和實際能耗，以期為預(yù)測公共建筑的使用過程的能耗提供參考。

1 案例建筑實際調(diào)研分析

1.1 建筑概況

本文選取云南省溫和地區(qū)某機(jī)關(guān)會議中心作為項目案例進(jìn)行節(jié)能潛力分析。改造項目的總建筑面積為33 900.51 m2，實際改造面積為14 160.3 m2。工作時間為8：00—18：00，晚上和周末偶有會議或公共活動，年均工作日約為250 d。

1.2 建筑用能概況

研究案例用能系統(tǒng)包括照明系統(tǒng)、采暖空調(diào)系統(tǒng)、電開水器、辦公設(shè)備、動力系統(tǒng)、功放設(shè)備和其他設(shè)備。消耗能源僅有電能，無天然氣、人工煤氣、柴油、外供蒸汽（熱水）等其他能源供應(yīng)和消耗。市政供水壓力可以滿足建筑供水需要，因此無加壓供水系統(tǒng)。中水系統(tǒng)為區(qū)域供水，所用水泵耗電由該地機(jī)關(guān)事務(wù)管理局統(tǒng)籌，未計入本項目建筑的電耗。

1.3 建筑能耗調(diào)查

根據(jù)《民用建筑能耗標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 51161—2016），機(jī)關(guān)辦公建筑非供暖能耗指標(biāo)約束值為60 kW·h/（m2·a），引導(dǎo)值為45 kW·h/（m2·a）［9］。根據(jù)該案例逐月能耗統(tǒng)計數(shù)值，經(jīng)計算其單位面積電耗值高于標(biāo)準(zhǔn)要求，如表1所示。說明隨著該機(jī)關(guān)會議中心人員對于舒適性和功能性要求的提高，機(jī)關(guān)會議中心的設(shè)施得到不斷完善，引起能耗強(qiáng)度增加，因此該建筑具有一定的節(jié)能潛力，有必要通過采取措施降低能耗。

表1 能耗調(diào)查結(jié)果

2 研究方法及節(jié)能潛力分析

2.1 能耗計算

改造前后設(shè)備能耗可根據(jù)銘牌參數(shù)計算，能耗計算式為：

式中，E為能耗，kW·h；n為改造前（后）設(shè)備類型個數(shù)；Pk為第k種設(shè)備改造前（后）銘牌功率，kW·h；tk為第k種設(shè)備改造前（后）運(yùn)行時間，h；rk為第k種設(shè)備改造前（后）使用時間修正系數(shù)。

2.2 節(jié)能量（率）的計算

節(jié)能量計算式為：

式中，E為能耗；EQ為基準(zhǔn)能耗；EH為改造后能耗；△E為能耗修正量；單位均為kW·h。

節(jié)能率計算式為：

2.3 改造前建筑節(jié)能潛力分析

選取該會議中心改造前即2020年的能耗進(jìn)行分析，該機(jī)關(guān)會議中心內(nèi)部各系統(tǒng)無獨(dú)立計量電表，故無法得到各系統(tǒng)準(zhǔn)確耗電量，經(jīng)式（1）計算可得2020年各系統(tǒng)的耗電量和比例。經(jīng)測算，采暖空調(diào)能耗、照明能耗和電開水器能耗占總用電量的75%，如表2所示，該建筑主要耗電系統(tǒng)是照明、電開水器和采暖空調(diào)。筆者現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目標(biāo)建筑所用照明、電開水器、采暖空調(diào)設(shè)備多為高能耗老舊設(shè)備，節(jié)能潛力巨大。

表2 2020年各系統(tǒng)耗電量情況及比例

3 改造措施及優(yōu)化

3.1 優(yōu)化前建筑節(jié)能措施

根據(jù)該機(jī)關(guān)會議中心的建筑能耗潛力分析，可以快速提出適合該案例建筑的節(jié)能措施，指導(dǎo)節(jié)能工作的開展。

1）照明系統(tǒng)。現(xiàn)場測試發(fā)現(xiàn)，80%的會議室、走廊的照度不滿足規(guī)范要求，燈具功率較大，使用頻率極高?？赏ㄟ^更換高效的LED節(jié)能燈具，在降低能耗的同時，使房間照度滿足規(guī)范要求和使用需求。

2）采暖空調(diào)系統(tǒng)。云南省溫和地區(qū)在全年大部分時間中，通過開啟外窗即可滿足室內(nèi)環(huán)境需要，但會議中心人流量大、空間大且使用頻率高，因此需要設(shè)置空調(diào)?，F(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，會議室使用冷暖風(fēng)機(jī)以供暖和制冷，存在效率低和舒適性差的問題，應(yīng)將冷暖風(fēng)機(jī)替換成能效高的空調(diào)柜機(jī)，從而降低能耗。

3）電開水器。現(xiàn)有電開水器能耗偏高，無自動控制功能，建議替換為滿足使用需求的較低能耗且配備步進(jìn)式系統(tǒng)的熱水設(shè)備。

4）辦公設(shè)備。現(xiàn)場使用電力監(jiān)測儀檢測設(shè)備待機(jī)狀態(tài)下實時功率數(shù)據(jù)，計算機(jī)主機(jī)待機(jī)的能耗為2~6 W·h，顯示器待機(jī)能耗為0.6~4 W·h，其他辦公設(shè)備的能耗為0.5~10.5 W·h。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研，辦公設(shè)備總計76臺，年工作日為250 d，每天設(shè)備待機(jī)時間為16 h，全年待機(jī)能耗約為1 285.92 kW·h，建議安裝智能插座。

5）動力設(shè)備。經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)研記錄，動力設(shè)備含扶梯和直梯，實際每日平均開啟時長為9 h，10臺動力設(shè)備的平均功率為2.6 kW·h，按全年250 d工作日計，年能耗為58 698.84 kW·h。若按會議需要，每日動力設(shè)備開啟的時間可縮短為8.5 h，年能耗可降低3 261.1 kW·h。建議通過更換可調(diào)頻的電機(jī)，實現(xiàn)對電梯的調(diào)壓調(diào)頻。

6）功放設(shè)備。經(jīng)調(diào)研，功放設(shè)備全年使用率不高，暫不考慮更換。在保障設(shè)備性能良好、資金充足的情況下，也可更換為更節(jié)能的功放設(shè)備。

7）其他設(shè)備?？紤]到使用需要較低，暫不考慮更換。

3.2 節(jié)能措施優(yōu)化

通過設(shè)置優(yōu)化條件，應(yīng)用Matlab軟件進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化可得到最優(yōu)改造方案，并與實際改造后結(jié)果進(jìn)行誤差對比分析及驗證。

3.2.1 優(yōu)化參數(shù)設(shè)置

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)研，得到照明區(qū)域最大改造面積、各分項系統(tǒng)可改造的上限數(shù)量、費(fèi)用等，如表3、表4所示。案例項目預(yù)算為93萬元。

表3 照明設(shè)備的數(shù)量、費(fèi)用、改造面積

表4 設(shè)備的數(shù)量、費(fèi)用、改造面積（除照明以外）

3.2.2 優(yōu)化結(jié)果

基于上述分析計算，運(yùn)用Matlab軟件對本次節(jié)能改造措施進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果如表5所示。

表5 優(yōu)化結(jié)果

式中，x1為更換空調(diào)的臺數(shù)；x2為更換熱水器的臺數(shù)；x3為實際照明改造面積，m2；x4為更換辦公設(shè)備臺數(shù)；x5為動力設(shè)備加裝變頻器的臺數(shù)。邊界條件為0≤x1≤7，0≤x2≤8，0≤x3≤14 160.3，0≤x4≤76，0≤x5≤10。

優(yōu)化后得到，理論上該會議中心需更換7臺空調(diào)、8臺熱水器以及改造照明區(qū)域3 343 m2，改造后年節(jié)能量為120 500 kW·h。

4 改造后建筑運(yùn)行能耗分析及驗證

4.1 實際改造措施

在提出優(yōu)化措施后，現(xiàn)場實際施工以所提措施為指導(dǎo)進(jìn)行建筑改造。

1）照明系統(tǒng)?！豆步ㄖ?jié)能改造技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定，公共建筑節(jié)能改造過程中需根據(jù)建筑環(huán)境和室內(nèi)照度要求，選擇高效的節(jié)能燈具，以降低室內(nèi)用電能耗［10］。將現(xiàn)有的緊湊型熒光燈的筒燈、細(xì)管型熒光燈和采用金屬鹵化物燈的射燈全部替換成LED燈，共計更換燈具3 468套，更換后單臺設(shè)備功率可降低10～52 W，因燈具種類繁多，不再單獨(dú)列出。

2）采暖空調(diào)系統(tǒng)。將現(xiàn)有的冷暖風(fēng)機(jī)替換成高能效的空調(diào)柜機(jī)。采暖空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備更換清單如表6所示。

表6 采暖空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備更換清單

3）電開水器。將現(xiàn)有能耗偏高且無自動控制系統(tǒng)的電開水器更換為滿足使用需求的較低能耗且配備步進(jìn)式系統(tǒng)的熱水設(shè)備。電開水器更換清單如表7所示。

表7 電開水器更換清單

4）辦公設(shè)備和動力設(shè)備?？芍丶訌?qiáng)行為節(jié)能，當(dāng)設(shè)備長時間不用時，應(yīng)及時關(guān)閉相關(guān)設(shè)備。減少人為因素造成的不合理用能，有助于降低建筑運(yùn)行成本，提高用電設(shè)備使用周期［11］。

5）建立電力分項計量系統(tǒng)，對目標(biāo)建筑運(yùn)行過程中的分項用能情況進(jìn)行記錄。

4.2 改造后建筑實際運(yùn)行能耗

選取目標(biāo)建筑改造后即2021年的能耗進(jìn)行分析。根據(jù)分項計量儀器數(shù)據(jù)記錄和式（1）—式（3），可計算得到改造前后的能耗、節(jié)能量、節(jié)能率，如表8所示?？梢姽?jié)能改造效果明顯，改造后筑單位面積電耗為57kW·h/（m2·a），低于約束值60kW·h/（m2·a），符合《民用建筑能耗標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定。

4.3 與改造后理論上優(yōu)化數(shù)據(jù)對比驗證

根據(jù)3.2.2節(jié)數(shù)據(jù)優(yōu)化，理論上目標(biāo)建筑改造后的節(jié)能量為120 500 kW·h/a，節(jié)能率為13.25%。根據(jù)表8，實際上該會議中心改造后的節(jié)能量為122 574.50 kW·h/a，節(jié)能率為13.15%。誤差為1.69%，誤差較小，改造后的節(jié)能效果與預(yù)期改造效果基本相符。

表8 分項能耗、節(jié)能量和節(jié)能率

5 結(jié)論

1）通過對云南省溫和地區(qū)某機(jī)關(guān)會議中心建筑節(jié)能改造前后能耗的計算分析得出，該項目針對能耗占比較大的耗能系統(tǒng)采取節(jié)能措施后，建筑單位面積電耗可降低至57 kW·h/（m2·a）。

2）在目標(biāo)建筑整個運(yùn)行過程中，照明、空調(diào)、電開水器能耗合計占比約為75%，若能在進(jìn)行此類會議中心建筑的節(jié)能改造中重點(diǎn)關(guān)注此3項能耗并實施有力的節(jié)能措施，則可以有效減少設(shè)備運(yùn)行過程中的能耗。

3）既有建筑的節(jié)能改造屬于不可逆過程，本項目在實施改造前采用數(shù)學(xué)工具對案例建筑的改造措施進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，從擬改造建筑能耗預(yù)測出發(fā)，尋求最優(yōu)方案，進(jìn)而對案例建筑進(jìn)行節(jié)能改造，使改造方案更加科學(xué)合理。

4）在下一步研究中，建議增加不同類型公共建筑的相關(guān)數(shù)據(jù)，使分析更為全面。