簡婷
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：本文以公共建筑中酒店類建筑為例，基于酒店的用能現狀數據、潛在節(jié)能改造方向、改造投資額等數據，通過采用線性規(guī)劃的分析方法，得出在達到節(jié)能率指標的情況下，實現改造投資的經濟化，為下步公共建筑節(jié)能改造提供分析方法。
關鍵詞：公共建筑節(jié)能 投資規(guī)劃分析 節(jié)能改造技術
1 引言
1.1 研究背景
改革開放以來，中經濟保持了高速增長，特別是近年來城鎮(zhèn)化步伐加快，中建筑規(guī)模大幅增加。建筑能耗是繼工業(yè)、交通能耗之后的三大社會能源消耗主體。隨著建筑規(guī)模的擴大，建筑節(jié)能成為中節(jié)能降耗的重要內容，特別是公共建筑節(jié)能。根據住房和城鄉(xiāng)建設部2017年2月發(fā)布的《建筑節(jié)能與綠色建筑發(fā)展"十三五”規(guī)劃 》要求，"十三五 ”期間公共建筑節(jié)能改造的主要目標是：公共建筑節(jié)能改造1億平方米。因此，“十三五"期間公共建筑節(jié)能仍然任重道遠。
1.2 研究內容和方法
本文主要研究上海市公共建筑節(jié)能改造系統(tǒng)的選擇， 以旅游飯店建筑為例，基于該類酒店現有的用能系統(tǒng)數據、潛在的節(jié)能改造系統(tǒng)節(jié)能量和相關投資估算，通過采用規(guī)劃分析的方法，分析在定節(jié)能率的要求下，投資額低時的改造系統(tǒng)選擇，為下步企業(yè)投入節(jié)能改造提供經濟有效的分析方法支持。
2 節(jié)能改造經濟性分析
針對大型公共建筑的節(jié)能要求，投資金額往往是業(yè)主方考量的重要因素，本文以上海某五星級酒店為例，通過改造用能系統(tǒng)能耗、節(jié)能改造方向和相關投資數據，分析在定節(jié)能率的要求下，投資量低時的改造系統(tǒng)選擇。這是個資源分配問題，決策目標受低節(jié)能率(如，較年節(jié)能10%)的制約，同時要求在低投資額下保障節(jié)能率目標的實現。
2.1 酒店基本情況
本文研究對象為上海某五星級酒店，酒店主要能源利用系統(tǒng)包括：中央空調系統(tǒng)、鍋爐供熱系統(tǒng) (冬季采暖、生活熱水、洗衣房消毒、除氧)、照明系統(tǒng)、電梯系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)等。酒店改造，總能耗如表 1所示，其中：根據《綜合能耗計算通則》 (GB/T2589-2008)，電力的折合標煤系數采用電力(等效電)為0.350kgce/ (kW•h)，燃氣的折合標煤系數采用氣田天然氣為1.2143kgce/m3，水的折合標煤系數為0.0857kgce/m3。
酒店主要用能系統(tǒng)的情況如下 ：
(1) 照明系統(tǒng)：酒店照明光源共21250套，光源類型包括MR16鹵素射燈、螺旋或U型節(jié)能燈、白熾燈、T5 日光燈帶、T8/T5 熒光燈。適合改造的燈具共7229盞。
(2) 中央空調系統(tǒng)：酒店冷源系統(tǒng)現有約克離心機組4臺，制冷量 700RT/臺，額定輸入功率490kW，蒸發(fā)器承壓1.60MPa。
(3) 變配電系統(tǒng)：酒店供電系統(tǒng)為兩路供電，供電總容量為12000kVA，每路供電配備為2臺2500kVA和1臺10OOkVA變壓器，35kV直降0.4kV系統(tǒng)，6臺變壓器皆處于較低負載工況，尤其是兩臺1000kVA 變壓器的工作效率較低。
(4) 蒸汽鍋爐系統(tǒng)：鍋爐房內有蒸汽鍋爐4臺，1用3備，4臺鍋爐來回切換使用。單臺鍋爐的額定產出蒸汽量為6噸，單臺鍋爐額定工作壓力0.78MPa，寒冷日消耗天然氣量1000017。
(5) 電梯系統(tǒng)：酒店電梯共X臺，包括客梯、貨梯和員工梯。
2.2 酒店改造措施及單系統(tǒng)節(jié)能量
從技術的節(jié)能量、酒店的安全性、系統(tǒng)穩(wěn)定性和減少對酒店的影響等幾個因素考慮，篩選出部分可行的節(jié)能改造措施。每個設備的節(jié)能量是通過以下兩種方式之或結合所獲得：
(1) 理論值：將設備理論的額定功率定義為改造后的用電功率。
(2) 模擬分析：通過能耗模擬軟件Energy Plus,設定改造后的使用環(huán)境，然后模擬出節(jié)能量。
酒店可以采取的節(jié)能措施包括:
(1) 照明系統(tǒng)：采用節(jié)能的LED燈具替換原有燈具。照明燈具的節(jié)能量 = (原燈具功率-改造后燈具功率) x平均運行時間x運行天數。
(2) 低區(qū)生活熱水改造：擬選擇6臺熱泵熱水器主機 (可滿足66.7%負荷、80% 使用工況的需求)。 通過計算采用空氣能熱泵熱水器后，系統(tǒng)年減少天然氣消耗為322930m3 ,系統(tǒng)年增加電量消耗為 613568kW–h。
(3) 游泳池熱水改造：擬選擇3臺熱泵熱水器主機(可滿足60%負荷，75%使用工況的需求)。通過計算采用空氣能熱泵熱水器后，系統(tǒng)年減少天然氣消耗105174m3，同時系統(tǒng)年增加電量消耗為199831kW•h。
(4) 電梯勢能回饋：擬為電梯增設勢能回饋裝置，可將電梯運行中多余的機械能(含勢能、動能)，預期年節(jié)能量約113040kW•h。
(5) 變配電系統(tǒng)改造：對兩臺WOOkVA變壓器進行減容改造，減容改造后供電總容量降為10000kVA。變配電系統(tǒng)節(jié)能改造的年節(jié)能量為131575.2kW•h。
(6) 增加能源監(jiān)測和管理系統(tǒng)：酒店建立能耗監(jiān)測管理平臺可以以實際能耗數據為基礎對酒店的現有用能狀況進行分析，做出相應節(jié)能診斷，得出切實可行的節(jié)能辦法，包括管理節(jié)能、技術節(jié)能和公示行為節(jié)能，降低酒店的能源消耗，提高酒店的運行管理水平，預計節(jié)電量為383523kW•h。
2.3 問題分析和模型建立
2.3.1 問題分析
這是個混合型的線性規(guī)劃問題，先需要滿足改造后的節(jié)能量與改造相比減少10%，即節(jié)能量應達到643.3噸標煤。同時實現投資額低。因此需要決策的是各個系統(tǒng)如何投資做節(jié)能改造。決策限制條件包括：
(1) 改造的燈具數量不能超過現有的燈具數量，并且燈具數量為整數。
(2) 低區(qū)生活熱水、泳池生活熱水、電梯勢能回饋、變配電改造是否改造，屬于是非決策，需要運用0- 1整數規(guī)劃來處理。
(3) 低區(qū)生活熱水、泳池生活熱水若進行改造，在減少燃氣用量的同時，會增加耗電量。在模型中反映是：將燃氣用量和用電量折合為標準煤，在同水平上進行比較。
(4) 各項系統(tǒng)在決定是否進行改造后，需對節(jié)能量加總，以達到低節(jié)能率10%的要求。
2.3.2 模型建立、求解與分析
建立線性規(guī)劃模型，并進行求解：
(1) 照明燈具系統(tǒng)
各類型燈具的改造數量<現有燈具數量；
節(jié)能量=(原燈具功率-替換燈具功率)*平均運行時間x運行天數 ( 其中運行天數按365天計算)；節(jié)能量折合標煤=節(jié)能量x電力折合標煤系數；投資=實際改造數量x單個燈具投資。
(2) 低區(qū)熱水系統(tǒng)、泳池熱水系統(tǒng)改造
節(jié)能量折合標煤=改造后減少的燃氣能耗(折合標煤)-改造后增加的用電能耗(折合標煤)；
投資：根據初步設計后得出工程量清單，估算得出。
(3) 電梯勢能回饋
節(jié)能量折合標煤=改造后減少用電能耗(折合標煤)；
投資：根據初步設計后得出工程量清單，估算得出。
(4) 變配電系統(tǒng)改造
節(jié)能量折合標煤=改造后減少用電能耗(折合標煤)；
投資：根據初步設計后得出工程量清單，估算得出。
(5) 能源監(jiān)測和管理系統(tǒng)
節(jié)能量折合標煤=改造后減少用電能耗(折合標煤)；
投資：根據初步設計后得出工程量清單，估算得出。
建立模型及進行規(guī)劃求解后得出如表2和表3所示的結果。
規(guī)劃求解的結論為：當實現總節(jié)能量要達到低節(jié)能量要求時，為643.3噸標煤，應改造的系統(tǒng)包括：部分照明燈具系統(tǒng)、低區(qū)熱水系統(tǒng)、電梯勢能回饋、變配電系統(tǒng)改造、能源監(jiān)測和管理系統(tǒng)。改造總投資由各系統(tǒng)單項投資加總，合計：4,914,604 元。
表 1 酒店全年能耗值統(tǒng)計 
表 2 照明系統(tǒng)決策方案 
表 3 各系統(tǒng)決策方案 
2.3.3 決策方案分析
從求解的解可以看出以下特點 ：
(1) 照明燈具：節(jié)能量較大、單項投資較低的燈具是項選擇。而節(jié)能量大，但單項投資也較高的燈具，改造時不作為考慮。
(2) 熱水系統(tǒng)改造：節(jié)能量較大的泳池熱水改造，在化求解中沒有被采納，主要原因是該項投資較大，與低區(qū)熱水改造相比，實際投資量約為低區(qū)熱水改造的2/3, 但節(jié)能量(折合標煤)為低區(qū)熱水改造的 1/3。
(3) 電梯勢能回饋、變配電系統(tǒng)改造和能源監(jiān)測和管理系統(tǒng)的節(jié)能量都非常可觀，同時，投資遠低于熱水改造，因此，可以作為本次改造的考慮范圍
3 安科瑞能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)介紹
3.1 系統(tǒng)概述
Acrel-5000建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)是用戶端能源管理分析系統(tǒng)，在電能管理系統(tǒng)的基礎上增加了對水、氣、煤、油、熱(冷)量等集中采集與分析，通過對用戶端所有能耗進行細分和統(tǒng)計，以直觀的數據和圖表向管理人員或決策層展示各類能源的使用消耗情況，便于找出高耗能點或不合理的耗能習慣，有效節(jié)約能源，為用戶進步節(jié)能改造或設備升級提供準確的數據支撐。
3.2 應用場所：
（1）辦公建筑（商務辦公、家辦公建筑等）；
（2）商業(yè)建筑（商場、金融機構建筑等）；
（3）旅游建筑（賓館飯店、娛樂場所等）；
（4）科教文衛(wèi)建筑（文化、教育、科研、醫(yī)療衛(wèi)生、體育建筑等）；
（5）通信建筑（郵電、通信、廣播、電視、數據中心等）；
（6）交通運輸建筑（機場、車站、碼頭建筑等）。
3.3系統(tǒng)功能
（1）登陸界面
系統(tǒng)可以根據客戶要求定制個性化的系統(tǒng)登錄界面，登錄界面所用的圖片、 Logo等由用戶提供。
（2）綜合能耗展示
系統(tǒng)登陸成功進入主頁面，主頁面顯示該建筑的建筑圖片，建筑基本信息,建筑當月分項用電餅圖和各種能源的消耗量。
（3）支路能耗概況
系統(tǒng)可以根據分類能耗的支路名稱查詢用能情況，顯示當日和當月的用能峰值（電能對應需量值）、當日用能、當月用能、當年用能以及昨天同期用能、上月同期用能、上年同期用能的比較情況。
（4）支路用能
系統(tǒng)可以統(tǒng)計各支路某段時間內逐日、逐周、逐月、逐季、逐年用能。
（5）分項能耗概況
系統(tǒng)可以按照動力、空調、插座等分項進行能耗統(tǒng)計與顯示，支持用能餅圖顯示各分項過去31天的用能占比；堆積圖顯示各分項過去31天的能耗趨勢；分項用能圖顯示被選中分項對應能耗值*位的支路。
（6）分項用能
系統(tǒng)可以統(tǒng)計各分項某段時間內逐日、逐周、逐月、逐季、逐年用能（這里的支路須通過基礎數據中分類分項的配置。）
（7）部門能耗概況
系統(tǒng)可以按照部門進行能耗統(tǒng)計與顯示，并進行日同比分析圖，餅圖顯示各部門過去31天的用能占比；堆積圖顯示各部門過去31天的能耗趨勢；部門績效考核對比圖顯示實際用能和用能目標值，當實際用能值大于目標值時，實際值標為紅色。
（8）區(qū)域能耗概況
系統(tǒng)可以按照區(qū)域進行能耗統(tǒng)計與顯示，日分項用能同比分析圖顯示不同區(qū)域的當日與昨日能耗柱狀圖；餅圖顯示各區(qū)域過去31天的用能占比；堆積圖顯示各區(qū)域過去31天的能耗趨勢；區(qū)域用能圖中顯示被選中區(qū)域對應能耗值*位的支路。
（9）參數查詢
查詢各回路戓支路某段時間內的參數，以曲線的形式反映趨勢（具體可以查詢的參數與安裝的儀表有關，查詢時不能跨月，且繪制曲線時以1分鐘為間隔），電力參數可以多選。
（10）數據檢查
系統(tǒng)可以統(tǒng)計某段時間內各回路與下級支路的用能差值，超過定百分比后醒目顯示（紅色區(qū)域），確保計量體系的完整性、準確性。
（11）非工作日用能分析
系統(tǒng)可統(tǒng)計各支路工作日與非工作日的能耗情況。此處的工作日和非工作日是在基礎數據中非工作日設置中配置的非工作日。
（12）能耗數據同比環(huán)比分析
系統(tǒng)可將各種類型（電、水、氣）和各主要耗能設備的能耗與去年同期值和上月值進行同比環(huán)比分析，檢驗節(jié)能效果，根據分析結果執(zhí)行節(jié)能績效考核，以及節(jié)能目標的修正。
（13）分時段用能統(tǒng)計
在儀表帶有復費率統(tǒng)計功能的提下，系統(tǒng)可以采集電表內尖、峰、平、谷參數，并將數據存儲到數據庫中方便后期查詢。不同時段可以分別設置用電單價，統(tǒng)計報表會呈現出分時段電能值與電費。
（14）日月年報表
系統(tǒng)提供方便的日月年報表統(tǒng)計功能，通過選擇不同回路，報表類型，查詢日期，生成對應報表。選中報表中的某行數據，會自動顯示對應的柱狀圖。
（15）儀表網關斷線報警
系統(tǒng)通過能耗網關采集數據時，可以獲得儀表的通訊狀態(tài)。當系統(tǒng)判斷儀表通訊中斷時間大于10分鐘時或網關通訊中斷時間大于20分鐘時，系統(tǒng)會彈窗或者通過鈴鐺報警，顯示當通訊中斷的儀表或者網關。
（16）圖表導出
系統(tǒng)可將分析統(tǒng)計的曲線、棒圖、報表導出到Excel格式文件，以便于用戶數據二次利用。
（17）用戶管理
系統(tǒng)用戶權限管理采用分級模式，為系統(tǒng)管理員、后勤管理人員、設備維護人員三級，進行訪問權限管理，防止未授權的訪問，并對所有操作自動進行帶時標事件記錄，可建立良好的反事故措施。
（18）基礎信息配置與維護
系統(tǒng)可根據項目實際情況配置每塊智能儀表所屬的能耗類型和分項、歸屬區(qū)域、設備類型，這些數據將作為用能分析的基礎信息。
（19）人工錄入數據
系統(tǒng)提供數據手工錄入功能，可錄入儀表每天的抄表值與每天的用能值，用于后期報表統(tǒng)計。
（20）遠程訪問功能(C/S模式)
系統(tǒng)采用C/S架構設計，在任意臺連接廣域網的計算機上安裝Acrel-5000建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)客戶端軟件即可實時訪問該能耗監(jiān)測系統(tǒng)。
3.4 系統(tǒng)網絡結構
AcrelCloud-5000能耗管理云平臺采用分層組網架構，將系統(tǒng)分為設備層、網絡層、應用層。
設備層：設備層作為平臺數據來源的基礎，通過儀表與傳感器對參數進行監(jiān)測和計量。
網絡層：網絡層通過強大的協(xié)議轉換功能將采集到的設備層的數據傳遞到應用層，起到承上啟下的作用。
應用層：應用層對設備層的數據進行分類、存儲、統(tǒng)計分析，通過友好的人機界面為用戶提供的體驗。 
圖1 系統(tǒng)結構
3.5 能耗監(jiān)測系統(tǒng)產品選型
4 結論 根據以上的規(guī)劃求解分析，就上海市大型公共建筑能耗與節(jié)能改造研究得出如下結論：
(1)通過采用數模模型方式進行節(jié)能改造的決策，可以在較低的投資額的情況下獲得高的回報(節(jié)能量)，這對于建筑業(yè)主來說是非常有必要的。
(2)根據節(jié)能率目標 ，對每項節(jié)能技術進行節(jié)能量、投資額分析，通過設定邊界條件，在達到低節(jié)能率的情況下，規(guī)劃分析求解得出應改造的系統(tǒng)，實現經濟性化。
【參考文獻】
[1]徐強,莊智,朱偉峰等.上海市大型公共建筑能耗統(tǒng)計分析.七屆綠色建筑與建筑節(jié)能大會論文集,2011
[2]蔡伊秋.城市大型公共建筑能耗與節(jié)能改造決策研究.
[3]安科瑞企業(yè)微電網設計與應用手冊.2020.06版.
作者簡介：簡婷，女，本科，現就職于安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為重點用能單位能耗在線監(jiān)測。
郵箱：2885080326@qq.com
地址：上海市嘉定區(qū)育綠路253號
