華中科技大學現(xiàn)有建筑節(jié)能降碳技術(shù)研究

摘要： 提出建筑電能能耗由房間能耗、公共區(qū)域能耗和供配電系統(tǒng)能耗組成。供配電系統(tǒng)安裝能耗計量表，建設具備大數(shù)據(jù)運算和分析、質(zhì)量診斷的可視化節(jié)能平臺，得出各建筑電能能耗、各房間照明空調(diào)電能能耗、實驗室動力電能能耗、公共區(qū)域能耗、供配電系統(tǒng)能耗和電損，對標建筑物電能能耗定額約束值、基準值和引導值進行財務核算、能耗監(jiān)督和控制。對超標能耗進行供配電系統(tǒng)改造。結(jié)果可供同類項目參考。關鍵詞： 建筑電能能耗定額; 房間能耗; 公共區(qū)域能耗; 供配電系統(tǒng)能耗; 可視化節(jié)能平臺

中圖分類號： TU852文獻標志碼： B文章編號： 1674-8417（2024）10-0037-09

DOI： 10.16618/j.cnki.1674-8417.2024.10.007

0引言

建校于1952年的華中科技大學總建筑面積近200萬m2，學校能耗很大。建筑能耗消耗40%的一次能源，是溫室氣體排放的重要來源，要進行能源規(guī)劃調(diào)度，通過電能數(shù)據(jù)表對采集數(shù)據(jù)進行分析，獲取各用電負荷的相關信息［1-2］。

要節(jié)能減碳，就要精準找到能耗浪費點，建筑電能能耗由房間能耗、公共區(qū)域能耗和供配電系統(tǒng)能耗組成;針對不同年代、不同類型、不同標準建設的公共建筑物，以及不同的供電現(xiàn)狀，在供配電系統(tǒng)上分區(qū)分層分戶分項安裝能耗計量表，建設具有大數(shù)據(jù)運算和大數(shù)據(jù)分析的可視化節(jié)能平臺，運算和分析出房間照明+空調(diào)能耗值、實驗室動力能耗值、公共區(qū)域能耗值、供配電系統(tǒng)能耗值、Ed建筑總電能能耗值、ed單位建筑面積電耗值;針對房間照明+空調(diào)能耗，對標能耗指標約束值/基準值/引導值，通過運營監(jiān)督、財務核算等措施使各房間使用人主動壓降房間能耗;針對實驗室動力能耗值，由各學院和科研基地掌控;針對公共區(qū)域能耗，通過節(jié)能控制、運營監(jiān)督等物業(yè)管理手段，降低公共區(qū)域能耗;針對供配電系統(tǒng)能耗，可視化節(jié)能平臺查找出用電設備損耗大、線路損耗大，以及電損位置，由建筑物管理者有針對性地進行節(jié)能改造，采用增添節(jié)能設備、更換1級能效等級的電氣設備、線路整改調(diào)換等方式降低供配電系統(tǒng)能耗和建筑電能能耗、消除漏電提升電氣系統(tǒng)安全。

1華中科技大學節(jié)能降碳行動目標

學校采用能耗限額管理，完善能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)，提高節(jié)能管理信息化水平，提升電氣設備能效標準和建筑能效水平，使學校辦公樓、圖書館、教學樓等建筑物的能耗水平在2030年前達到建筑電能能耗定額引導值：ed單位建筑面積電耗45.41 kW·h/m2·a（ed=Ed/A，即在一個自然年內(nèi)，消耗的各種電量之和Ed與建筑面積A的比值）;科研樓、實驗樓等建筑物的照明+空調(diào)（除實驗室動力負荷外）能耗水平在2030年前達到建筑電能能耗定額引導值：ed單位建筑面積電耗45.41 kW·h/m2·a［3］;宿舍樓建筑物能耗水平達到夏熱冬冷地區(qū)非供暖居住建筑電能能耗定額引導值：Ed單間宿舍年電耗3 100 kW·h/（a·h）;食堂、超市商業(yè)等特殊用途建筑物能耗水平達到夏熱冬冷地區(qū)A類公共建筑一般超市非供暖建筑電能能耗定額引導值：ed單位建筑面積電耗120 kW·h/m2·a［4］。

學校各建筑物電能能耗定額約束值、基準值、引導值如表1所示。

建筑電能能耗指標約束值是指為實現(xiàn)建筑使用功能所允許消耗的建筑能耗指標的上限值，是建筑節(jié)能工作的低限要求。學校近期將照明+空調(diào)電能能耗指標控制設定為建筑電能能耗指標約束值，中期通過節(jié)能控制使建筑物照明+空調(diào)電能能耗指標達到基準值要求，通過節(jié)能改造、控峰和全過程治理使建筑物照明+空調(diào)電能能耗水平在2030年前達到建筑電能能耗定額引導值要求［3-4］。

2建筑電能能耗組成

建筑電能能耗是建筑使用過程中由外部輸入的能源，包括維持建筑環(huán)境的暖通空調(diào)、電氣照明用能和各類建筑內(nèi)活動（如辦公、電腦、消防、電梯、生活熱水等）的用能。華中科技大學無集中供暖，各建筑物均采用市電作為外部輸入能源。建筑電能能耗Ed由房間能耗WF、公共區(qū)域能耗WG和供配電系統(tǒng)能耗ΔW組成。房間電能能耗由各實驗室、房間具體使用人負責，建筑電能能耗由各院系、建筑物使用單位負責。

壓降建筑電能能耗，首先要安裝計量表查出各房間能耗、公共區(qū)域能耗、供配電系統(tǒng)能耗。

房間能耗WF由WF1（照明能耗）+WF2（空調(diào)能耗）+WF3（實驗動力能耗）組成，WFA=WF1（照明能耗）+WF2（空調(diào)能耗），WF=WFA（照明+空調(diào)能耗）+WF3（實驗動力能耗）;公共區(qū)域能耗WG由WG1（公共照明能耗）+WG2（空調(diào)能耗）+WG3（電梯能耗）+WG4（電開水器能耗）+WG5（風機+水泵能耗）+WG6（消防系統(tǒng)能耗）+WG7（弱電機房+消防控制室等機房能耗）組成;供配電系統(tǒng)能耗ΔW由設備損耗+線路損耗+電損組成。

房間能耗分類分項裝設多功能計量表，可按現(xiàn)狀裝設房間能耗計量總表、照明能耗計量表、空調(diào)能耗計量表、實驗動力能耗計量表，通過可視化節(jié)能平臺數(shù)據(jù)運算，得出WFA房間照明+空調(diào)能耗和WF3實驗室動力能耗數(shù)據(jù)，通過可視化節(jié)能平臺量化指標、運營監(jiān)督、財務核算等措施壓降房間能耗，做到人走電滅。

公共區(qū)域能耗分區(qū)分層分類分項裝設多功能計量表，可按需裝設建筑物電能能耗計量總表、層照明能耗計量總表、層公共照明能耗計量表、公共區(qū)域空調(diào)能耗計量表、電梯能耗計量表、電開水器能耗計量表、風機水泵能耗計量表、機房能耗計量表等。通過可視化節(jié)能平臺后臺數(shù)據(jù)運算，得出WG公共區(qū)域耗能數(shù)據(jù)和各分項數(shù)據(jù)，通過可視化節(jié)能平臺量化指標、節(jié)能控制、運營監(jiān)督等物業(yè)管理手段，降低公共區(qū)域能耗。

供配電系統(tǒng)能耗通過設置建筑物電能能耗計量總表、層照明能耗計量總表、房間能耗計量表、各區(qū)域用電設備能耗計量表和可視化節(jié)能平臺后臺運算，得出Ed建筑電能能耗、ΔW供配電系統(tǒng)耗能數(shù)據(jù)和各分項數(shù)據(jù)，查找出用電設備損耗大、線路損耗大，以及電損位置，采用增添節(jié)能設備、更換能效標準高的電氣設備、線路整改調(diào)換、查缺補漏等方式降低供配電系統(tǒng)能耗和建筑電能能耗。

3建筑電能能耗計量表選擇

電能能耗計量表基于多源數(shù)據(jù)融合的可靠性評估建模方法，采用深度神經(jīng)網(wǎng)絡學習生存函數(shù)參數(shù)，其多源大數(shù)據(jù)中既有監(jiān)督電網(wǎng)運行狀態(tài)的各項數(shù)據(jù)信息，也有電網(wǎng)異常數(shù)據(jù)。電能能耗計量表的技術(shù)規(guī)范要求計量表在其10年的壽命周期內(nèi)累積故障率小于4.25%，表中元器件平均故障率應小于0.026%［5-8］。

根據(jù)建筑物供電現(xiàn)狀，通常做法：在低壓電源進線處設置建筑電能能耗計量總表，在配電房低壓柜各低壓出線回路設置分區(qū)多功能計量表，在每層實驗室動力配電箱和每層照明箱、機房配電箱設置層多功能計量表或帶計量、通信功能的數(shù)字化小型智能低壓斷路器，在公共區(qū)域不同功能用電能耗處安裝多功能計量分表，在房間照明、空調(diào)、實驗室動力配電箱安裝多功能計量分表或帶計量、通信功能的數(shù)字化小型智能低壓斷路器。

各部位具體安裝電能計量表功能對比如表2所示。

4建筑物供配電系統(tǒng)現(xiàn)狀及安裝計量表

4.1老建筑物

老建筑功能較簡單，均為多層建筑，其供配電現(xiàn)狀分兩種：一種是小型建筑物，一路低壓電源供電、管建筑物內(nèi)所有的用電負荷，總箱管各房間照明箱、空調(diào)箱和公共照明用電;另外一種是中型建筑物，以西二樓為例，由樓外變配電房引3路低壓電源分區(qū)分片供電、管建筑物內(nèi)所有的用電負荷，低壓電源總柜管各層照明箱，樓層照明箱管各房間照明箱和公共照明用電，房間照明箱管房間內(nèi)照明、空調(diào)、實驗設備。

（1） 小型老建筑物計量表安裝方案：供配電系統(tǒng)簡單，照明和空調(diào)分開供電、分別裝計量表。在低壓電源進線處設置建筑電能能耗計量總表，公共照明回路安裝導軌式計量儀表，各房間照明箱、空調(diào)箱安裝導軌式計量儀表，將各能耗數(shù)據(jù)傳輸?shù)綄W校節(jié)能平臺，平臺運算后轉(zhuǎn)化為WF、WG、ΔW、Ed、ed能耗值。小型老建筑計量表安裝方案如圖1所示。

（2） 中型老建筑物計量表安裝方案：供配電系統(tǒng)簡單，房間內(nèi)照明、空調(diào)和實驗室動力合在一起供電，需要把實驗室動力能耗從房間能耗計量中剝離開來，房間安裝總計量表和實驗室動力分表，平臺運算后轉(zhuǎn)化為WFA、WF3、WG、ΔW、Ed、ed能耗值。

中型老建筑計量表安裝方案如圖2所示。

4.220世紀初建造的建筑物

20世紀初建造的建筑物功能復雜，集辦公、科研、教學、實驗、會議多功能于一體，為中大型建筑物。其供配電現(xiàn)狀根據(jù)空調(diào)形式不同分為兩種：一種是采用中央空調(diào)的建筑物，另一種是采用分體空調(diào)的建筑物。

4.2.1采用中央空調(diào)的建筑物

計量表安裝方案：供配電系統(tǒng)復雜，公共區(qū)域和中央空調(diào)系統(tǒng)單獨供電，房間照明與實驗室動力合在一起供電，可以分區(qū)分層分項安裝公共區(qū)域照明、中央空調(diào)系統(tǒng)、房間照明和實驗室動力計量表，中央空調(diào)系統(tǒng)需要將中央空調(diào)機組、風機水泵傳輸系統(tǒng)、房間風機盤管能耗分別計量，通過平臺數(shù)據(jù)運算轉(zhuǎn)化為WF2房間空調(diào)能耗值;另需要把實驗室動力能耗從房間能耗計量中剝離開來，安裝房間能耗總計量表和實驗室動力分表;平臺運算后轉(zhuǎn)化為WFA、WF3、WG、ΔW、Ed、ed能耗值。中央空調(diào)的建筑計量表安裝方案如圖3所示。

4.2.2采用分體空調(diào)的建筑物

計量表安裝方案：供配電系統(tǒng)復雜，公共區(qū)域和實驗室動力分別供電，房間照明和分體空調(diào)合在一起供電，可以分區(qū)分層分房間分項裝計量表，平臺運算后轉(zhuǎn)化為WFA、WF3、WG、ΔW、Ed、ed能耗值。分體空調(diào)的建筑計量表安裝方案如圖4所示。

4.3滿足GB/T 51161—2016《民用建筑能耗標準》和GB 50189—2015《公共建筑節(jié)能設計標準》的新建建筑物

按照GB/T 51161—2016《民用建筑能耗標準》和GB 50189—2015《公共建筑節(jié)能設計標準》建設的新建建筑物體量都很大，功能更復雜。其供配電現(xiàn)狀根據(jù)空調(diào)形式不同分為兩種：一種是采用多聯(lián)機空調(diào)的建筑物，另一種是采用分體空調(diào)的建筑物。

4.3.1采用多聯(lián)機空調(diào)的建筑物

計量表安裝方案：供配電系統(tǒng)復雜，公共區(qū)域、多聯(lián)機空調(diào)系統(tǒng)、房間照明、實驗室動力分別供電，需要將多聯(lián)機空調(diào)機組、風機盤管能耗分別計量，通過平臺數(shù)據(jù)運算轉(zhuǎn)化為WFA、WF3、WG、ΔW、Ed、ed能耗值。

多聯(lián)機空調(diào)的新建建筑計量表安裝方案如圖5所示。

4.3.2采用分體空調(diào)的建筑物

計量表安裝方案：供配電系統(tǒng)復雜，公共區(qū)域、房間分體空調(diào)、房間照明、實驗室動力分別供電、可以分區(qū)分層分房間分項裝計量表，通過平臺數(shù)據(jù)運算轉(zhuǎn)化為WFA、WF3、WG、ΔW、Ed、ed能耗值。

分體空調(diào)的新建建筑計量表安裝方案如圖6所示。

4.4完善節(jié)能平臺

完善節(jié)能平臺功能，并升級為可視化節(jié)能平臺?？梢暬?jié)能平臺秉承之前的節(jié)能平臺模塊化、框架化、集群化、服務化的設計理念，提供基于大數(shù)據(jù)智能運算、分布式分析計算、數(shù)據(jù)挖掘、質(zhì)量診斷、安全管理、指標控制等智能應用功能，將電能計量表海量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為WFA、WF3、WG、ΔW、Ed、ed能耗值和電損［9-10］。

5可視化節(jié)能平臺

可視化節(jié)能平臺具有實時監(jiān)視、時間管理、數(shù)據(jù)運算、數(shù)據(jù)庫存儲、能耗綜合分析、能耗對比、能耗環(huán)比分析、智能報表、削峰降費管理、能耗指標定額管理、用電安全監(jiān)測、糾錯與報警、信息發(fā)布、運營平臺等功能［11］。

平臺實時采集各計量表計量的電能能耗數(shù)據(jù)［11-12］。

平臺預先輸入各建筑物各房間的建筑面積和工作人數(shù);對系統(tǒng)傳輸?shù)母髂芎臄?shù)據(jù)進行疊加、數(shù)學運算，形成Ed建筑總電能能耗值、ed單位建筑面積電耗值等;尤其是多聯(lián)機空調(diào)和中央空調(diào)，通過系統(tǒng)運算、加上同期房間照明能耗，形成房間照明+空調(diào)能耗值;通過層計量表和房間計量表的電能能耗數(shù)據(jù)，運算出公共區(qū)域能耗;通過建筑物電能能耗總計量表、分區(qū)分層計量表和房間計量表的電能能耗數(shù)據(jù)，運算出供配電系統(tǒng)能耗和電損位置。

建立能耗指標定額管理制度：近期指標為能耗指標約束值，中期指標為能耗定額基準值，遠期指標為能耗定額引導值，結(jié)合財務制度，加強使用者對節(jié)能的強烈意識。

6電氣節(jié)能改造

對標建筑物能耗指標值，在房間能耗壓降和控制公共區(qū)域能耗使用后，建筑電能能耗仍不能達到建筑電能能耗指標約束值/基準值/引導值，就應對建筑物進行電氣節(jié)能改造。

6.1配置節(jié)能裝置

對于多路低壓電源分區(qū)分片供電的建筑物而言，可在單路容量較大的回路（電氣負荷容量超過250 kW）就地設置分相無功自動補償。

對于變配電房未設置在本樓內(nèi)的建筑物而言，其低壓供電電纜距離超過150 m的低壓供電回路或功率因數(shù)低于0.8，可在低壓電源進線處就地設置分相無功自動補償，使低壓側(cè)功率因數(shù)達到0.95。

6.2替換主要耗能設備

將能耗大的風機、水泵替換為高能效電動機（風機、水泵），其能效應符合現(xiàn)行國家標準GB 18613—2020《電動機能效限定值及能效等級》規(guī)定的1級能效等級。

將能耗大、已使用快20 a的配電變壓器更換為滿足現(xiàn)行國家標準GB 20052—2020《三相配電變壓器能效限定值及能效等級》規(guī)定的1級能效等級SCB18型干式變壓器。

將中央空調(diào)系統(tǒng)改造為多聯(lián)機系統(tǒng)空調(diào)。多聯(lián)機系統(tǒng)空調(diào)滿足現(xiàn)行國家標準GB 21454—2021《多聯(lián)式空調(diào)（熱泵）機組能效限定值及能效等級》規(guī)定的1級能效等級多聯(lián)機系統(tǒng)空調(diào)。

7結(jié)語

華中科技大學現(xiàn)有建筑節(jié)能減碳行動是一個包含制度建設、節(jié)能平臺建設、電氣節(jié)能改造、運營管理的全系統(tǒng)工程。根據(jù)建筑物供電現(xiàn)狀，合理選擇和安裝計量表，設置建筑電能能耗計量總表、分區(qū)多功能計量表、層多功能計量表或帶計量通信功能的數(shù)字小型智能低壓斷路器、公共區(qū)域多功能計量分表、房間多功能計量表和房間照明、空調(diào)、實驗室動力計量分表。升級可視化節(jié)能平臺，提供基于大數(shù)據(jù)智能運算、分布式分析計算、數(shù)據(jù)挖掘、質(zhì)量診斷、安全管理、指標控制等一系列的智能應用功能，將電能計量表海量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為學校需要的房間照明+空調(diào)能耗、實驗室動力能耗、公共區(qū)域能耗、供配電系統(tǒng)能耗、建筑總能耗和電損。根據(jù)可視化節(jié)能平臺運算的能耗數(shù)據(jù)，通過各房間、各建筑物橫向縱向?qū)Ρ?，對房間使用者、建筑物使用者采用近期/中期/遠期能耗目標進行能耗約束、財務管理。針對可視化節(jié)能平臺提供的公共區(qū)域能耗，進行節(jié)能改造，采用節(jié)能控制技術(shù)和節(jié)能設備，提升物業(yè)管理要求，降低公共區(qū)域能耗。針對可視化節(jié)能平臺提供的供配電系統(tǒng)能耗和用電安全質(zhì)量診斷，有針對性地進行供電配系統(tǒng)改造，消除漏電隱患，配置節(jié)能裝置和1級能效等級的電氣設備，降低系統(tǒng)能耗、提升電氣系統(tǒng)安全。

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收稿日期： 20240416

Huazhong University of Science and Technology Research on

Energy Efficiency and Carbon Reduction

Technologies in Existing Buildings

HUANG Lei

（Wuhan Huazhong University of Science and Technology Building Planning and

Design Institute Co.， Ltd.， Wuhan 430074， China）

Abstract： It is put forward that building energy consumption consists of room energy consumption，public area energy consumption and power supply and distribution system energy consumption.Power supply and distribution system installation of energy consumption meter，building a big data operation and analysis，quality diagnosis of visual energy-saving platform，the energy consumption of the buildings，the rooms，the laboratories，the public areas，the power supply and distribution system and the power loss are obtained，carry on financial accounting，energy consumption supervision and control to the limit value，benchmark value and guide value of the standard building energy consumption quota.Aimed at the excessive energy consumption，the power supply and distribution system is retrofitted.The results can be used as a reference for similar projects.

Key words： building energy consumption quota; room energy consumption; energy consumption in public areas; energy consumption of power supply and distribution system; visual energy-saving platform