能耗监测和空调节能控制系统的投资收益分析与优化研究

郁晓婷（上海市建筑科学研究院有限公司， 上海 200032）

“十二五”期间，国家相关部委发布了公共建筑能源管理的相关政策和指导意见，并持续开展政策推动、技术普及和市场培育工作。近年来，公共建筑能源管理系统也在全国范围内全面推行，全国许多重点城市将基础性的能耗监测系统安装列为公共建筑建设的强制标准。通常规定公共建筑必须实时监测自身用能情况，包括电耗、水耗、气耗、油耗、可再生能源消耗等所有自身消耗的一次能源。

经过多年的市场培育和大量建筑物的实际运行，不少建筑物运行管理者开始意识到能耗监测系统的作用，认可其对于建筑整体管理效率和建筑能源使用效率提升做出的贡献，并愿意加大在能源管理方面的投资，希望获得更好的收益。能耗监测系统的主要功能是实时监控建筑物能源消耗的情况，并不能直接降低建筑能源的总消耗量，产生直接经济效益。通常还需要配合人工干预才可以实现能源节省和经济收益。因此，许多建筑物管理者在升级能耗监测系统的同时会选择安装中央空调节能控制系统。中央空调系统通常都是大型公共建筑中能源消耗最大的系统，且其运行模式的复杂性多存在很大节能空间。空调节能控制系统即通过系统算法对于其中主要的大功率设备实现智能化的启停、变频控制，达到空调系统能源效率提升的效果。许多大型公共建筑由于后期招商情况和运行情况的不确定性，所以经常在楼宇竣工交付后再加装深度的能耗监测和空调节能控制系统。但系统安装后各个用户对系统贡献的经济效益反馈不一，且此类系统需要根据每幢建筑量身定制，有一定技术复杂性，经济效益确实受到每幢建筑实际用能情况和系统建设情况的影响。目前缺乏对能耗监测和空调节能控制系统投资收益的量化计算方法，缺少系统性的收益影响要素分析，这也是导致各建筑物管理者对其评价不一的重要原因。缺少经济性收益对比，就难以从经济性角度优化系统设计方案。

本文以一个大型商业综合体项目为案例，分析其实际投入运行后每部分的实际运行情况和带来的经济收益，并提出一种模拟的优化方案，将两种方案的经济性进行对比分析。

1 项目概况及方案一

1.1 项目概况

某大型商业综合体建筑，总建筑面积 155 611 m2。其中地上建筑面积 95 176 m2，包括 4 栋单体建筑及裙楼。裙楼部分为商场，4 栋单体建筑为办公楼。地下建筑面积604 35 m2，为车库。

1.2 现有能耗监测和空调节能控制系统建设方案

本文将该建筑现有的“能耗监测和空调节能控制系统建设方案”称为“方案一”。方案一的技术路线为全局精细化能耗监测和中央空调节能控制。全局精细化能耗监测系统在建筑内部安装多功能电表，实现了 1 443 个能耗点位的监测，其中总电能耗 12 处，暖通空调用电 49 处，照明插座设备用电 183 处，动力设备用电 76 处，特殊用电 34 处，其余楼层用能计量和单间用能计量共 1 089 处。该方案不仅涵盖了暖通空调、动力输配等各项主要用能系统，更是深入楼层和各租户单元详细监测了全局精细化的实时能耗监测数据，实现对整个建筑用能系统的用能突增、跑冒滴漏、能源浪费、能效低下、非正常用能等问题的警示，并可以及时将能耗异常、设备通信故障等情况提醒至能源管理负责人[1]。

空调节能控制系统在室内环境敏感区域安装了 10 台集环境温湿度、CO2浓度和 PM2.5浓度监测为一体的多功能环境传感器，在屋顶上安装了 1 台室外温湿度计量仪，并在 10台空调箱和新风机的送风管上各安装 1 台插入式温度传感器。安装的执行设备包括若干电动开关阀门执行器、风阀执行器、变频器和 PLC（Programmable Logic Controller，可编程序逻辑的控制器） 控制柜等。最终将现场安装的环境监测传感器和设备监测传感器实时反馈的数据，以及能耗监测系统监测的实时用能数据传输至系统处理器。计算出中央空调系统运行最高效配置参数，并将该参数发送至执行设备，完成对空调系统主要用能设备的开、关、变频等操作，最终实现全楼空调系统重点设备的智能化节能运行。

方案一中能耗监测系统对于用能监测点位的设置密度非常高，当建筑物在运行中出现问题时，可以通过系统迅速锁定问题的目标点位。空调节能控制系统仅对大功率的高能耗设备开展节能控制，因考虑每个控制点位传感器、控制器、变频器、控制柜和施工安装的成本，小功率设备通常散落在建筑各处且节能效果不显著，所以放弃了对其节能控制。

1.3 方案投资收益分析

方案一的全局精细化能耗监测策略本身无法直接降低能源消耗和产生直接的经济收益，但可以产出一些间接收益，主要体现为该系统的计量点位设计极为精细，全楼的设备管理抄表和租户抄表工作均可以远程完成，同时提高了抄表准确度、及时性、便利性，也减少了物业管理人员工作量。设备管理抄表和租户抄表由于均是月度工作，并不能减少日常的管理团队人员，因此也没有带来直接经济效益。总体来说，全局精细化能耗监测系统独立运行时对本项目的运行管理工作能级提升效果显著，但并未产出可量化的直接经济收益。

方案一的空调节能控制系统，通过 CPU 运算自动调节空调系统重点设备运行状态，实现直接的能源使用效率提升，产生的直接节能收益是节省的电费。本项目以空调供冷季、采暖季和过渡季典型工况数据进行分析，选择节能控制系统开启 1 d 和关闭 1 d，对比实际能源消耗量。通过实际数据计算分析，应用该系统后整体建筑用电量下降 10%，全年节电量为 187.64 万 kWh。以本项目平均电费 0.89 元/kWh 计算，重点设备节能控制系统在运行时产生的直接收益为 167 万元，经济效益显著。

2 优化设计

2.1 优化设计方案

对方案一分析研究，在此基础上提出了优化后的“方案二”，具体如下。

（1）能耗监测系统。此系统仅监测配电站中 12 个总用电回路和 342 个分项用能回路。取消所有楼层能耗监测计量点位，所有租户用电安装非远传电表，且不进行通信线铺设，也不接入能耗监测系统，仅满足租户抄表收费的功能。

（2）节能控制系统。对使用中央空调系统的商场区域的所有设备（不区分功率大小）安装传感器、控制器、变频器及控制柜，主要包括所有的冷/热源设备、冷却塔、冷冻/冷却侧的输配设备以及楼层中全部的空调箱和新风机。实现所有空调设备开、关、变频等智能化管理，最终实现空调系统设备的自动化、智能节能运行；且对于楼层内的传感器和控制器优先使用无线传输设备，利用无线功能远程传输用能数据和控制信号。方案二比之方案一减少了大量配套施工的工作量。

2.2 优化方案的收益分析

（1）能耗监测系统。降低了计量表具的安装密度，取消楼层的计量表具，降低了租户表具的规格及免除租户电表的通信施工，也极大降低了能耗监测系统的建设成本。经测算， 方案二在能耗监测系统部分的建设成本，由原先的 470万元下降至 210 万元。取消楼层和租户单元能耗监测后，物业管理人员每月定期抄表。表面上增加了物业管理人员工作量，但抄表工作不需要受专业化训练即可胜任，且可以与日常安全巡检同时开展，不直接产生增量成本。

（2）节能控制系统。优化方案将商场区域所有中央空调系统设备纳入了节能控制系统，初投资成本从原先 85 万元升至 135 万元。

方案二由于新接入的设备基本属于低功率的设备，对全年直接节省电费的收益影响甚微。此处谨慎考虑，全年电费节约产生的经济效益不变，仍取 167 万元整。此方案的收益增加在于，商场区域所有空调设备均可实现自动化控制，无须人工操作和管理原本未接入的设备。商场区域的空调系统管理人员可以从 5 人削减至 3 人。并且不同于普通物业人员，空调系统的操作和运维管理需要较强的专业性，因此预计全年技术型劳动成本支出可以减少 20 万元。

3 优化前后经济性对比分析

净现值（NPV）和动态投资回收期是投资中较为常用且高效的投资收益评价方法，常被用于经济性分析。为了评估本项目方案一和方案二的经济性指标，现分别计算 NPV 和投资回收期。

将项目生命周期定为 8 a ，根据式（1）（2）进行计算[2]。其中所有用能均折成用电量进行计算，电价按照 0.89元/（kWh）计算。方案一项目总投资为 555 万元，连续 8 a每年产生等额收益为 167 万元（假设 8 a 收益等额），第 8 a 末有 50 万元的残值，每年运维成本为 10 万元，资金使用成本年息 10%。方案二项目总投资为 345 万元，连续 8 a 每年产生等额收益为 187 万元（假设 8 a 收益等额），第 8 a末有 50 万元的残值，每年运维成本为 10万元，资金使用成本年息 10%。

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式中：NPV—净现值，元；

n—项目计算周期，a；

Ct—第t年现金流量，元；

r—折现率，%；

C0—初投资，元。

把各量实际取值代入式（1），可计算得方案一的 NPV为 305.9 万元，方案二的 NPV 为 622.6 万元。

式中：ΔPt—动态投资回收期，a；

t1—净现金流量大于 0 的年份数量，a；

St－1—去年累计净现金流量的绝对值；

N1—t1时的净现金流量。

将式（1）中的计算结果代入式（2），可计算得方案一和方案二的动态投资回收期。动态回收期计算表如表 1所示。

表1 动态回收期计算表

把各量实际取值代入式（1）（2）可得，方案一的NPV 为 305.9 万元，投资回收期约为 5.59 a；方案二的NPV 为 622.6 万元，投资回收期约为 3.28 a。方案一在人力资源成本方面拥有一定的隐性优势，但无法精确量化产生直接收益。方案二的在人力资源成本上存在一定的承压，且在 8 a 的运行时间中有可能会转化成为直接的经济损失。但是，净现值和动态投资回收期的计算结果表明，方案二的经济性要优于方案一，且可行性更强，投资周期的大幅缩短，也极大降低了投资的不确定性。因此，方案二总体的经济性更好。

4 结 语

本文以某商业综合体为例，分析了能耗监测和空调节能控制系统在大型公共建筑中的投资收益，提出了优化方案，并分别计算了经济性评价指标，对比了投资收益情况。 针对能耗监测系统，建议重点考量楼层计量和租户计量的投资收益，鼓励以每月人工干预的方式提高项目整体的投资回报率。针对空调节能控制系统，建议进一步考虑实现重点区域的全覆盖控制，有效提升管理效率，减少技术型劳动成本，获得直接的经济收益。大型公共建筑在加装能耗监测和空调节能控制系统时，收益影响因素有很多，需因地制宜地开展客观科学的投资分析，对比数据分析结果确定收益最优的方案。本文提到的 2 个方案在 NPV 值和动态投资回收期上均表现良好，具有较好的经济性，值得更多商业综合体类型的公共建筑在加装能源管理系统时借鉴和参考。本文提出的能耗监测和空调节能控制系统优化策略，以及 NPV 和投资周期的计算方案，在广泛的实际工作中可以帮助投资者对项目的经济性作判断，有着较强的实践意义和参考作用。