基于PDCA循环的动态设备用能管理研究

2021-04-01孙丽平

上海节能 2021年3期

孙丽平

中共青岛市委党校

0 引言

我国公共机构节能已进入法制化轨道，并逐渐形成了公共机构保障与节约并重的工作格局。目前有些公共机构虽有用能规划设计，但由于设备管理相关人员专业化水平低，投入资金有限，执行过程中介入程度不深，设备能源管理精细化程度不够，能源数据缺乏深入分析，检查和反馈、改进相对不足等问题。分析用能数据，发现有的能耗指标连年攀升，而有的则由于有计划采用了一系列的流量控制和管理措施，逐年下降。由此说明，节能管理关键在于“可控”[1]，而闭环是可控的重要条件。设定了年度目标，做好规划和实施、检查、反馈、改进，再检查、再反馈、再改进，往复循环、不断完善，节能才能取得成效，由此引入了PDCA循环理论。

基于PDCA循环理论的动态设备用能管理研究的提出，正是基于这一工作要求，力争在满足室内舒适度的前提下，使设备用能达到节能降耗要求。

1 公共机构设备用能现状

以某市委党校为研究对象,校内共有13 个建筑单元，占地面积7.1万m2。空调采暖面积6.45万m2，设备用能见图2。党校是公共机构的用能大户，近三年水电暖总支出近1 000 万元。近几年培训量连创历史新高，每年比上一年度增长约1 000 人，加大了用能量；另一方面，虽有用能规划设计，但执行过程中介入程度不深，检查和反馈、改进相对不足。分析用能数据发现，对于某类能耗采用了一系列的流量控制和管理措施，费用逐年下降。由此说明，节能管理关键在于“可控”，而闭环是可控的重要条件。设定了年度目标，做好规划和实施、检查、反馈、改进，再检查、再反馈、再改进，往复循环、不断完善，节能才能取得成效。

基于PDCA 循环的动态设备用能管理与当下用能现状相结合[2], 运用科学的管理理论和方法对用能进行全过程控制，从能源管理流程规划、实施、检查、处置入手，规范设备能源使用，旨在建立高效的能耗控制和管理体制，最终达到保证安全和舒适度前提下的延长设备使用寿命、减少维修成本、降低用能开支的目的。同时建立能耗预警机制，指导合理用能，将人均能耗控制在合理范围内，使设备用能管理逐步走向标准化、规范化、科学化。

2 PDCA循环理论

2.1 PDCA循环理论概述

PDCA循环理论是著名的全面质量管理的理论模型，如图 1 所示，由 P(Plan)计划、D(Do)实施、C(Check)检查及A(Action)处理组成，通过对这四个环节的精心运作以达到最初设定的目标。PDCA循环的特点是动态的，呈螺旋状的上升式循环，每滚动一个周期，管理质量提高一步。其优点在于持续改进、不断完善且永无止境。

图1 PDCA循环理论模型

2.2 PDCA循环理论在动态设备能源管理方面的应用

将PDCA 循环理论应用于能源管理中[3]，从事前，事中，事后，将能源管理和设备运行管理集成，对用能实现全过程控制，并形成闭环，以实现持续改进的能耗预警和动态的能源使用优化。基于PDCA的动态设备用能管理循环的四个阶段见表1。

在P 阶段，制订计划。首先是找出问题，分析原因，确定主要因素，针对主要因素，制订措施。具体到用能上，制订节能方针，设定设备用能定额指标，设定用户舒适目标，进行优化和排序。

在D 阶段，实施用能管理方案。选取节能措施，跟踪设备能耗数据，督导设备用能，进行节能潜力分析，按相应标准健全技术资料。

在C 阶段，检查纠正实施的结果。对比历史数据和监测数据，分析关键绩效指标，判断是否达到预期效果。对能源计划和执行情况进行考核纠正，进行再检测。

在A阶段，优化措施，准备进入下一循环。根据检查结果进行总结，把成功的经验和失败的教训都纳入标准、规程、制度之中，巩固已经取得的成绩。

某市委党校采用PDCA 循环理论进行设备用能管理取得了明显成效,本文以其为例进行阐述分析。

3 研究过程

3.1 用能分析

青岛市委党校占地面积7.1 万m2，现有18 个部门，编制人数260 人，编外职工260 人，全年培训达5 万多人次，高峰期培训学员400 余人。校内建筑分为综合楼、教学楼、多功能楼以及10座学员楼，总面积为7.1 万m2。空调采暖面积64 517m2，特殊区域包括信息网络中心及计算机房、厨房以及消防监控室，面积共3 700 m2。设备用能包括常规用能，特殊区域用能和水耗,如图2。党校培训人数不固定，根据全年培训总数平均到每个月的用能人数约870 人。

表1 基于PDCA的动态设备用能管理循环的4个阶段

图2 青岛市委党校设备用能图

3.2 借鉴PDCA循环理论

3.2.1 P（plan）计划阶段

分析原因，设定目标。根据“十三五”节能减排综合工作方案，2020年公共机构单位建筑面积能耗和人均能耗分别比2015 年降低10%和11%。针对这一目标，对近五年设备用能情况进行盘点，深入分析各项数据，查找用能漏洞，分析节能潜力。

以2019 年的电耗为例进行分析，如表2 和图3所示，总耗电量为2 615 516 kWh，分项电耗总计为2 510 895 kWh，差值为104 620 kWh。

表2 用电设备分项计量

图3 用电设备能耗占比

从耗电量分项比例分布图可见，特殊区域设备多且集中，部分设备24 小时运行，因此为主要耗电系统，其耗电量占总用电能耗的56%，其次为综合服务系统，占总电耗的23%。由于党校能源系统复杂，未对分系统分能源种类进行分项计量，正陆续对计量仪器的安装工作进行完善，目前仅针对模块的总量计算。围绕电耗，查找总耗电量和分项耗电量存在较大误差的原因如下：

1)外围护结构热工性能差

外围护结构的热损失是建筑物能耗的主要部分，占建筑物能耗的50%以上，因此需要发现外墙和外窗的节能潜力。综合楼、多功能楼、1～3 号学员楼外墙实贴瓷砖，且有剥落现象，教学楼，8～12号楼为外墙涂料，热工性能较差，增加了空调负荷，使能耗加大。需要对外墙进行保温处理，提高保温性能。

2)铝合金外窗保温效果差

综合楼和教学楼为单层玻璃，保温性能一般，使空调负荷加大。双层窗的传热系数比单层窗降低一半，窗上加贴透明聚酯膜，使用低辐射玻璃，改善隔热效果和透光性。在室内侧的玻璃窗的传热系数比普通玻璃窗低40%左右，可大幅降低因辐射而造成的室内热能向室外传递，改善保温性能。

3)特殊区域线路老化

检查发现，消防监控系统由于线路布置长以及线路老化等原因，其线路损失占用电量较大比例，需要检修各线路，更换老化线路，以免造成电浪费和安全隐患。厨房设备多而杂，在非使用阶段没有及时切断电源、开关等造成不必要的电能浪费。

4)综合服务系统有节电潜力

对电梯系统的运行，除高峰时间，电梯在平时空载率较高，有不必要的能源消耗。需要对电梯进行技术改造和加强运行管理。

5)制度不够健全

在制订节能管理制度中，应着重特殊用能区域的节能管理，如厨房，能源种类多样，设备多，能耗集中，极易忽视。要做到制度制订的全面性，并做好落实，定期检查，并公示检查结果，纳入部门考核。

6)目标不清晰

制订了节电率、节水率等节能目标，但尚未制订单位建筑面积能耗下降率、人均能耗下降率等节能目标。应建立健全节能目标责任制，根据国家要求，细化各项能耗指标，制订单位建筑面积能耗下降率、人均能耗下降率等年度和长期节能目标，采取有力措施，加强过程控制，确保完成节能目标。

7)缺少奖惩激励制度

目前节能工作的开展主要是建筑管理人员根据建筑的实际用能落实上级下发的节能目标。各部门没有对超额完成指标的实行奖励制度。行为节能作用不可估量，提高员工节能意识，激励落实节能减排工作的积极性，减少不合理用能，对节能工作的开展具有重要意义。

8)能耗分项计量不精细

建筑年代较久，能源系统复杂，也未对采暖通风空调、照明系统、室内设备、综合服务系统和特殊区域等分系统分能源种类进行分项计量。虽然相关负责人员对计量仪器的安装工作进行完善，但是目前还只是针对模块的总量，仍然无法区分每项系统的用能情况。

9)节能知识培训欠缺

进一步加大宣传力度，提高员工节能意识，有利于节能工作的顺利开展。

3.2.2 D 实施阶段：实施计划，技术改造，嵌套PDCA循环

全校用电占水、电、油、燃气等能源总消耗的一半，空调电耗占总能耗的比例约为13%，是电能消耗的首要来源之一。以空调电耗为例进行嵌套PDCA 循环，此分支循环用P"D"C"A"表示，从运行管理和技术改造两个方面进行空调的节能研究。

P’计划：分析空调设备能够节能的主要部分和实际空间

节能目标是为了降耗、减排，保证正常能源使用不受影响，房间温度舒适度正常，而不是能源使用的控制。分析能够节约的主要部分和实际空间,实现空调使用过程中的各环节的控制、报警及故障定位、安全监测, 使能源管理发挥最大的作用, 保证广大学员和教职工的合理用能。分析原因，发现问题如下：

(1)综合楼和教学楼部分空调室外主机的连接管保温层的外保护层老化脱落，造成冷热损失，且空调外机换热器较脏，影响外机的传热效果。

(2)三号楼和多功能楼的变压器负荷分配不均，三号楼变压器在空调不运行期间处于低负荷运行，造成能源浪费。

(3)制冷系统冷却水泵和冷冻泵使用时间较长，能耗、噪音大且漏水。

(4)综合楼的铝制窗跑气漏风严重，冬天不保暖，夏天不隔热，造成能源浪费。

D’实施:进行技术改造，抓好流量管控

(1)对空调系统进行全面维护保养，定期对空调系统的室外和室内机进行清洗，提高空调的换热效率。

(2)通过改变接线方式和运行方式，提高变压器运行负荷率，以提高变压器运行经济性。

(3)对办公楼、1～3 号学员楼进行维修改造，对外立墙面、屋面防水节能保温处理及门窗进行改造更换。

(4)对上述区域水泵系统进行更新。

(5)根据天气变化，随时修正空调和采暖机组的工作参数，夏季控制办公室温度不低于26 ℃，冬季不超过20℃，改变了过去设置参数保持不变的操作方法，从而达到节电的目的。

(6)缩短空调的开机时间，将开机时间推迟1 小时，关机时间提前1小时，并且要求在空调运行期间关闭门窗，以减少能量损失。

C’检查：检查实施，进行评估

严格执行设备管理规定，加强设备检修，全过程做好节能评估工作，及时维护保养设备，确保其安全高效运行。经统计，2019-2020 年度整个供暖季共用热量14 409 GJ，较上一年度17 931 GJ，热量消耗下降了19.6%，采暖费较上一年节约28.9 万元。

A’处置：总结经验，转入下一循环

下一步研究的方向转入下一个PDCA 循环。下面是节能潜力再分析，规划技术改造新目标：

(1)根据制冷需求，升级控制系统。使空调系统能够远程控制机组开启次数和参数。

(2)引入余热回收技术，进行节能降耗。集中式空调设备可以使用热回收技术，用于加热生活热水，以减少空气源热泵的消耗，可以大幅提高能源利用效率。

(3)对空调系统末端设备安装远红外空调电源控制器，在使用率低的区域，安装在场传感器，自动控制空调的开关。

(4)安装室内温湿度感应器，以调节供能端的能源供给。

D阶段采取其他措施全面实现能量管控：

（1）电梯：对1～3 楼层设置为高区运行，低区走楼梯，电梯节电率达30%，节能又健身。在寒暑假关停部分电梯，每栋建筑只保留一部电梯运行，减少空载率和待机耗电。

（2）暖气：在做好日常设备管理的同时，注重优化机组运行管控，在整个供暖季，根据人员在校情况和天气情况及时变换机组运行方式，灵活调整暖气阀门大小，将出水温度控制在50～60 ℃之间（天气寒冷时温度在80～90 ℃），放假期间使部分楼宇低温运行，有效降低热流量；控制生活热水的使用，减少管网损耗；加大跑冒滴漏的检查与处理工作。

（3）空气源泵：对余热机组进行升级改造，使机组的气密性更加可靠，机组真空始终保持在要求值以下，减少开机频次，从而达到降耗目的。

（4）办公楼水电设备：按时检查办公楼内的水电设备的运行状况，发现问题及时处理，避免设备带病工作。

（5）照明：坚决杜绝长明灯、长流水，要求各部门工作结束离开要及时关闭相应电器电源，减少待机损耗，大部分区域都安装了感应灯。

（6）奖惩：加强节能管理，将节能降耗工作纳入部门年终考核，实行节奖超罚的管理制度。

3.2.3 C 检查阶段：定量分析，诊断评价目标完成情况

对能源利用效率、消耗水平，能源经济和环境效果进行监测，评价目标完成情况[4]。通过现场测试，选取典型功能房间，对建筑室内的温度，湿度，CO2浓度和光照度进行抽检，分析室内环境状况。检查总能耗，分析照明、空调、电梯、办公设备和特殊区域等主要用能子系统的能耗，计算各系统的能耗指标。

通过分析总能耗得出，2019年水电热力消耗较前两年有明显下降的趋势，人均一次能源消耗下降12.21%，单位建筑面积一次能源消耗下降12.21%。2016年水耗有所上升，原因是冬季利用换热板块加热生活热水，导致市政用水增加，在采取积极的节能措施后，下降4.6%。2019 年培训人次增加，在基础设施不变的情况下，能耗量下降，体现用PDCA 循环理论进行设备用能管理的优良成果。

单独分析用能大户——电耗，以2017 年和2018 全年电耗数据为例，如图5 所示，全年逐月用电除1、8、9 月份外较平均。由于1 月份处于冬季采暖季，以集中供热为主，也辅以部分的分体式空调。8月份电量偏高与天气炎热开启空调有关，9月偏高与秋季开学学员人数增多有关。2 月份处于假期，用电量最小。图4 为2017 年和2018 年电耗比较纵向曲线。

根据表3近五年电能消耗数据，将电耗、水耗和热力消耗进行标煤系数折算：

热力(1 000 MJ)折标煤系数 34.12，水(万 t) 折标煤系数0.857，电力(万 kWh) 折标煤系数(当量值)1.229。

建筑面积按照7.1 万m2计算，每日用能人数按870 人计算。由于天然气并非每月缴费，而是采用充值消费或季节缴费的方式，此处不作讨论。