基于合同能源管理模式的既有公共建筑用能系统节能改造与评估

2020-05-27常儇宇

绿色建筑 2020年6期

常儇宇

（昆山市建设工程质量检测中心，江苏昆山 215337）

能源紧缺是目前国际临的首要问题。“十三五”建筑节能和绿色建筑发展专项规划提出要深入开展既有公共建筑能效提升。清华大学建筑节能研究中心发布的《中国建筑节能年度发展研究报告 2020》显示，2018年我国建筑面积总量约601亿 m2，其中公共建筑面积128亿 m2，民用建筑建造能耗为 0.177 亿 GJ，约占全国能耗的 11%，建筑运行的化石能源消耗相关的 CO2排放为21亿 t，公共建筑碳排放占比为 30%。由此可见，随着公共建筑规模的增长及平均能耗强度的增长，公共建筑的能耗已经成为中国建筑能耗中占比最高的一部分。相对于居住建筑而言，公共建筑体量大、用能系统复杂且管理难度较大，故而公共建筑能耗是关系整个国家节能减排顺利实施的重要因素[1-3]，公共建筑节能改造大有可为。

在传统的节能投资方式下，节能改造的投资风险和所有收益都由实施节能投资的用户承担，但在合同能源管理方式中，用户自身对节能项目无须大量投入，由此，用户的接受程度较高。合同能源管理模式起源于发达国家，在国外应用较为广泛。其是由节能服务公司与用户签订能源管理服务合同，为用户实施和管理节能项目，通过节能效益回收投资、获得合理利润，并在合同完成后将节能项目无偿交付给用户使用的服务方式，也是目前政府大力提倡和推广的一种既有建筑节能改造市场化模式[4]。

相比发达国家，我国现阶段合同能源管理仍处于起步阶段。本文以实际改造工程为例，对采用合同能源管理方式的既有公共建筑用能系统节能改造案例进行分析和评估，以期为公共建筑改造模式和改造方案的选择提供参考。

1 改造项目简介

项目为酒店建筑，总体建筑面积为10800 m2，建造于2010年，为框架剪力墙结构，拥有1个宴会大厅、9个大小包间、2个会议室、147 间客房。其中，地上 1～2 F 为酒店宴会厅、包厢等，3～7 F 为酒店客房，地下1F 为车库。项目节能改造于2018年11月开始正式实施，于2018年12月完成相关改造项目。

1.1 外围护结构

外墙采用30mm 厚 EPS 外墙外保温系统，屋面保温材料采用65mm 厚 XPS 板，外窗采用6LOW-e +9A +6断桥隔热铝合金窗。

1.2 空调通风系统

酒店空调系统冷热源采用2台风冷冷水（热泵）机组，置于酒店屋顶，型号为 KCA1130AR，制冷量 451.1 kW，制冷功率 142.3 kW；制热量 523.3 kW，制热功率 138.6 kW。平时开启1台即可满足要求，高峰期间需开启2台主机。空调系统共采用3台冷冻水泵，流量为 91.2 m3/h，扬程 28.8 m，功率 11.0 kW。

1.3 生活热水系统

酒店生活热水由2台常压热水锅炉制取，锅炉供热量分别为 233.0 kW、348.0 kW。锅炉配有4台热水泵，功率为410W，另配1个15t 热水箱。

1.4 照明系统

酒店大堂、餐厅、客房、走廊及地下车库等主要采用筒灯、T8荧光灯、白炽烛泡灯、螺口节能灯、卤素射灯等大量高能耗灯具。

1.5 供配电系统

酒店供配电系统的三相电压偏差、三相不平衡率、电压谐波奇次畸变率等均未超过 DGJ 32/TJ 127—2011 《既有建筑节能改造技术规程》标准中的限定值，满足国家标准要求。酒店虽然安装了部分电表用于日常管理，但其均为老式电表，需采用人工抄表的方式进行数据记录，不支持数据远传。且酒店未按照空调、照明、特殊、动力的用电类型进行分项计量，未进行电量监测与控制。

2 改造方案

建筑在围护结构设计时参照 GB 50189—2005《公共建筑节能设计标准》，按照节能率为 50% 设计，外保温系统及门窗构造均维护完好，且满足节能要求。因此此次改造不考虑围护结构。沈旸等对常见节能技术进行了统计，并选取了来自不同气候区的三座典型城市（上海、北京、广州），通过能耗模拟软件建立基准模型，与实测数据相差不到 10%，可信度较高，模拟结果给出建议。若建筑围护结构的热工性能已满足节能标准，则改造潜力微乎其微[5]。

此次改造中，空调通风系统是主要目标。商宇轩研究发现宾馆建筑的单位面积能耗指标分别达到 134.0 kWh/(m2·a)，其中空调系统能耗分别占 50.6%，无论指标还是空调系统占比均处于较高能耗水平。对于节能改造效果而言，总体上空调系统优于生活热水供应系统、优于外围护结构[6]。空调系统主要影响因素有主机 COP、冷水进出口温度、水泵效率等。杨美林选取夏热冬冷地区商业综合体建筑进行研究，提出若干节能措施，如水系统大温差运行技术、变风量送风技术、排风热回收技术、冷却塔免费供冷技术以及集中冷热源技术等[7]。唐浩等以100余栋实际公共建筑的节能改造项目为基础，总结了各项节能改造技术并分析各自的节能改造效果，在改造进程中，将照明插座系统以及空调制冷系统置于首位，供配电系统以及动力系统次之[8]。

考虑项目自身特点和改造效益比，项目的节能改造主要包含空调系统节能改造、生活热水系统节能改造、照明系统节能改造、可再生能源利用节能技术改造及能耗监测与节能物管。此次改造前后能源节约比例目标为 24%，全年节约能耗为 6.142 GJ。

2.1 空调系统节能改造

2.1.1 风冷热泵主机雾化降温节能技术

酒店空调系统采用2台风冷冷水（热泵）机组，配备3台循环水泵，水泵与主机可根据负荷情况自由组合。酒店供冷期为5月至10月，年平均运行152d；供暖期为11月至次年3月初，年平均运行121d。风冷冷水（热泵）机组制冷时，冷凝器散热存在以下问题。① 在高温天气运行时，为了向环境中散热，压缩机不得不提高排气温度与压力，导致压缩机耗电量增加、风冷机组能效下降。② 多台散热器同时运行时，易形成“热岛”效应，进一步恶化机组运行工况。

改造方案为对酒店原有空调机组翅片换热器进行清洁、保养和维护，主机增加雾化降温节能系统。其优势主要如下。① 高速电机使得喷口产生“微雾”，扩大散热面积，增强相变散热能力。② 降低并稳定冷凝温度，恢复并提高空调室外机，特别是高温工况下的散热能力，节能效果显著。③ 彻底解决压缩机高压保护，确保空调主机安全运行，并可以延长使用寿命。④ 整个安装过程不会对现有设备和机房造成任何影响与破坏，而且当雾化节能设备出现故障时，空调系统仍然能够按照改造前的状态运行。⑤ 对风冷热泵机组的翅片进行定期清洁和保养，可以延长机组使用寿命。⑥ 以明显减少风冷机组的维护及维修成本，经济效益显著。

2.1.2 增设基于负荷随动的循环水泵变流量控制系统

酒店共有3台空调循环水泵。经过现场检测和诊断，酒店冷热负荷随季节或使用情况变化较大，而循环水泵无变流量控制功能，无法随系统负荷以及外界温湿度的变化而进行自动调节，导致系统长期处于“大流量、小温差”的运行状态，存在能量浪费问题。

改造方案为对空调循环水泵增设基于负荷随动的变流量控制系统，其核心控制策略是温差结合压差控制，同时确保主机流量保护。即通过现场测试找出系统中最不利工况点所需的压力，设定主机不同开启台数的冷冻水流量保护值，并以同时满足最不利工况点所需的压力以及主机冷冻水流量保护值这两个条件作为循环水泵变频的下限值。在两个条件都满足的情况下，以冷冻水实际供回水温差与设计供回水温差的偏离值作为依据，实时调整水泵的运行参数，使实际供回水温差与设计供回水温差趋于一致，实现在主机安全运行、满足使用要求的前提下，输配系统能耗最低。

2.2 照明系统节能改造

酒店内 3.5 寸筒灯、6 寸筒灯、螺口节能灯、MR16卤素射灯、白炽烛泡灯、1.2 m T5荧光灯带、0.6 m T8荧光灯、1.2 m T8荧光灯等高能耗灯具，未更换为高效节能 LED 光源，且部分区域灯具光衰严重，照度值不满足国家照明标准。

改造方案为采用高效节能 LED 灯对酒店照明灯具实施改造。LED 灯具有质优、耐用、节能等主要特点，故而采用 LED 灯具既可满足酒店要求，又可大幅降低照明能耗。

2.3 可再生能源利用节能改造

酒店现有生活热水的热源为2台燃气热水锅炉，酒店生活热水用量大，燃气消耗量大，热水成本较高。酒店楼顶有可利用空间，且采光条件好，楼顶符合增设太阳能热水系统的承重标准。

改造方案为在酒店楼顶增设28组真空管式太阳能集热器，单台集热器规格为Ф58×2100 × 30，总集热面积为 202.6 m2，设计日产水量为12t，为酒店提供部分生活热水。同时，燃气锅炉作为辅助热源，当太阳能热水系统提供的水温不能满足要求时，再经燃气锅炉加热提供生活热水。

2.4 能耗监测与节能物管

在能源管理方面，项目增设了能耗监测与节能物管，实现了用能的实时监测和统计，方便运行管理。对酒店配电系统各馈线回路增加分项计量装置，按照空调、照明、动力、特殊四大分项安装智能化远传数字电表，通过智慧能源数据采集器对能耗数据进行实时采集与传输，并通过用电能监测系统进行实时监测。基于能耗监测平台上的能耗仿真、数据挖掘、考核评价、辅助决策、能耗定额等功能，制定行之有效的节能管理策略。并以此作为能源管理和节能物管的基础。

3 评估

酒店合同能源管理项目于2017年4月立项，2018年11月开始实施，于2018年12月完成相关项目改造。通过能耗账单分析，得到 2016～2019 整年及2020年1～6 月份的能耗情况。从改造项目进度来看，以2018年1月～2018年12月底为节能改造前的计算周期，并以此计算节能改造前的能耗基准。以2019年1月到2019年12月底为节能改造后的计算周期，并以此计算节能改造后的能耗数据。

3.1 改造前后总体耗能情况

项目2016～2020年耗电情况折线图如图1所示，改造前后耗电情况对比图如图2所示。项目 2016～2020年耗天然气情况折线图如图3所示，改造前后耗气情况对比图如图4所示。

图1 项目2016年～2020年耗电情况折线图

图2 改造前后耗电情况对比图

图3 项目 2016～2020年耗天然气情况折线图

图4 项目改造前后耗气情况对比图

3.2 评估

3.2.1 经济效益评估

根据以上数值可知，2018年1月至2018年12月共消耗电量为1951387kWh，消耗天然气量为92614 m3；2019年1月至2019年12月共消耗电量为1443705kWh，消耗天然气量为74786 m3。改造后年节省电量为507681 kWh，年节约天然气量17828 m3。当地物价局商业电价格为 0.6715元/kWh，天然气价格为 3.235 元/m3，年节约费用为 0.6715×507681＋3.235 ×17 828＝398 581.37 元，约 39.9 万元。

根据节能改造方案，本项目改造总投资约 172.5 万元。根据上述节能改造前后运行费用分析，本项目改造后年节约费用约 39.9 万元。本项目静态投资回收期约 4.33 a。

3.2.2 环境效益评估

根据2018年及2019年两年用电与耗汽量，换算成能源量分别为 25.809 GJ（756.42 tce）和 19.354 GJ（567.24 tce），改造前后能耗节约量为 6.455 GJ（189.18 tce），节约比例为 25.01%。

根据项目全年常规能源替代量的计算结果，该项目的全年常规能源替代量为 6.455 GJ（189.18 tce），换算成 CO2、SO2及粉尘减排量如表1所示。

表1 CO2、SO2 及粉尘减排量

3.3 评估结果

通过改造前2018年及改造后2019年前后用能对比，得出改造后每年费用节约 39.9 万元，改造前后能源节约比例为 25.01%，全年常规能源替代量为 6.455 GJ，完成了年节能量 6.142 GJ、节约能源比例 24% 的改造目标。CO2减排量 467.28 t/a、SO2减排量 3.78 t/a、粉尘减排量 1.89 t/a，符合 DGJ 32/TJ 127—2011 《既有建筑节能改造技术规程》的改造要求。