既有建筑能源审计及节能分析

胡圣浩，丁 宁，徐江荣

(杭州电子科技大学能源研究所，浙江 杭州 310018)

0 引 言

为了应对全球气候变暖和环境污染的负面影响，实现经济可持续发展，我国提出“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”等庄严目标承诺[1-3]。为了达到这一目标，需要对现有能源消耗进行能源审计，促进绿色能源的发展，加快构建清洁低碳的能源体系。

能源是全球经济发展的关键，因能源消费产生碳排放引起的气候和环境变化已成为国际性问题。有些能源的利用效率仍较低，需要不断完善能源生产和使用方式[4]。相比其他行业，建筑行业的碳排放占比较大[5-6]，有效降低建筑行业碳排放对我国实现节能减排与“双碳”目标具有现实意义。在现有能源审计相关研究的基础上，本文从建筑行业能源审计流程、审计分类与方法、审计软件等方面着手，对比分析现有建筑审计与节能措施，提出合理解决方案。

1 能源审计

1.1 能源审计流程

能源审计主要包括3个阶段，分别为数据收集、数据分析、总结与建议。首先，根据审计目标、工作范围和计划项目的要求，通过实地考察、查阅资料等方式获取相关文件和能源审计数据，尽可能多地收集数据，并确保数据的准确性；其次，对获取的数据进行详细分析，生成相应的数据库，转化为可视的图表；最后，根据统计数据，分析能源使用情况，找出节能项目，提出整改措施。

1.2 能源审计类型

能源审计一般分为3种类型，分别为基础型、目标型和综合型。基础型能源审计是一种快速评估的能源审计类型，时间短，要求简单，只需对能源使用情况作一般调查，通过现场获取的必要数据找出明显的节能潜力以及短期内可提高能源效率的简单措施。目标型能源审计主要是针对特定的节能项目展开详细分析，进行节能成本和耗时等方面分析，根据项目的资金和进度要求综合得出最佳节能减排方案，常见的节能项目一般包括节能照明、工厂设备更新、空调系统升级等。综合型能源审计需要全面分析和评价企业的耗能系统，采集企业用能数据，并对部分用能设备进行测试，从而提出节能技改项目和措施，如工艺升级，设备更换等。各种类型的能源审计都有自己的特点和优势，要根据项目的需求、经费、人力等情况进行选择，得出最合适的能源审计方法，充分发挥能源审计的作用。

2 建筑能源审计分析

2.1 建筑能源审计分析方法

建筑能源审计分析一般采用传统分析和模拟软件分析方法。

2.1.1 传统分析

传统能源审计方法[7]往往采用查阅的方式来收集资料，主要包括用能系统和设备台账，以及电、气、煤等能源消耗计量记录和财务账单；然后，检查用能系统及设备的运行状况，审查节能管理制度的执行情况；最后，分析各项能源的消耗，对比上一次改造的落实效果，得出最终的节能措施和改进建议。节能措施和改进建议的优劣主要依赖能源审计人员的经验。

2.1.2 模拟软件分析

随着计算机技术的发展，能耗动态模拟分析软件日趋成熟，现有主流软件有EnergyPlus[8-9]、6SigmaRoom[10]与eQUEST[11-13]等。能源仿真软件EnergyPlus是美国能源部开发的建筑能源模拟程序，是一个独立开源平台，可以在该平台上进行二次开发，用于模拟建筑中供暖、制冷、通风、照明、插头负载等能源利用场景，可根据实验条件得出非常详细的能耗数据。6SigmaRoom是计算流体力学软件，主要用于解决机房中的能耗问题，通过查看空间、电力、设备运行温度等参数重新规划设备安装位置和机房容量，给出方案实施后的效果图和节能数据。eQUEST用于模拟逐时能耗，根据建筑情况和室内设计温度值，通过计算得出建筑的全年动态能耗，是一种动态平衡的计算过程。此外，还有专门用于照明系统分析的Relux软件，根据拟定的室内和室外人工照明及自然光循环计划，提供用于显示照明的效果，并根据显示效果进行细节的调整。不同软件的应用范围不同，本文对目前主流建筑能源模拟软件的应用情况进行归纳，结果如表1所示。

表1 主流建筑能源模拟软件应用举例

2.2 节能分析

目前，建筑节能措施大多集中在设备改进上，也有通过软件实时监测耗能情况，指出能耗过度点，避免资源浪费，达到节能减排的目的。

建筑行业涉及到的能耗设备很多，主要包括照明、空调、保温等硬件设备[16-17]，对这些设备实施节能措施往往能达到事半功倍的效果，部分方案如下：

(1)使用高照明度的发光二极管[18-20]代替传统白炽灯。高照明度发光二极管的视觉舒适度更高，寿命更长，电光功率转换率接近100%，电量消耗不到白炽灯的10%。同时，可以在人流较少的地方安装照明定时器，自动关闭长时间未使用的灯泡，减少无效照明，延长灯炮寿命。

(2)更换老旧空调设备。老旧空调在安全性能和能耗上都存在问题，如电流泄露、制冷效果差等。更换后，耗电可节约37%左右[21]。同时，对空调系统进行变频改造，还可以减少空调水系统水泵的运行耗能[22]。

(3)对于一些建筑(尤其是年代久远的建筑)采取简易的节能措施。比如增加墙体保温层[23-24]，建绿色屋顶[25]，使用节水器具[26]，使用镀膜玻璃或Low-e玻璃替换普通玻璃[8]等。这种措施不仅可以保护建筑的主体结构，而且延长了建筑物的使用寿命，消除“冷热桥”的影响，保持稳定的室温。

另外，从管理上抓节能，比如：

(1)使用楼宇管理系统[27-28]管理设备的运行。楼宇管理系统对设备能耗等数据进行分析，监视特殊耗电情况，动态优化能源使用布局，进一步降低能耗。

(2)宣传节能知识，建立规章制度，提高使用人员的节能意识。如提倡三楼及以下的人员少用电梯，随手关灯，双面使用办公用纸等，减少不必要的能源浪费行为。

2.3 应用场景

本文主要以工厂、高校、公共建筑等应用场景为研究对象，对具体的建筑对象实施能源审计后所产生的节能效果进行分析总结。

2.3.1 工厂

2020年，冼灿标等[29]使用传统能源审计方法对工厂近年数据进行了收集，并对变压器、空气压缩机、球磨机等耗能情况进行测试，得出各设备的能源利用效率值。虽然测得的设备能源利用效率均为合格，但工艺、设备等较为落后，如果进行更新换代，能源利用效率会有显著提升。在技术改造和设备更新后，企业的能源消耗大幅下降，2017年的单位工业增加值综合能耗为9.53吨标准煤/万元，比2015年同期下降了20.51%，比2016年同期下降了14.20%。

在对某制革企业进行审计时，使用eQUEST软件进行分析，输入建筑布局、实时天气数据等信息，创建出该制革企业主体建筑的仿真模型[11]。运用eQUEST创建模型的最大优势就是可以预测建筑每小时的能源使用和能源成本。通过研究发现，能耗分布情况如图1所示。分析能耗分布后，提出解决方案，要求员工及时关灯，采用自动照明系统，使用高效设备，改进窗户和玻璃的设计，最大限度地利用日光，减少照明能源的使用。

图1 制革企业年度耗能占比[11]

Borzooei等[30]在一个废水处理项目中，将初步能源审计数据放入建模平台中进行逐步校准，对反应物流速、反应时间、浓度等参数进行优化，在不进行硬件方面改造升级的前提下，通过调整废水处理流程，在改善水质的同时，节约了5×106kW·h的能源。

2.3.2 高校

针对学校的特殊性,通过数学模型进行能耗模拟，配合使用冷却器、传感器以及运动探测器和自动门等器械，建立一个全方位的能源管理系统用于解决能源过度消耗[31]。

AlQdah等[27]对太巴大学应用医学系的主楼115号楼进行能源审计时发现，暖通空调系统、照明系统、冷却系统存在较大的节能空间，因此，建立建筑能源管理系统，根据照明需求、人体舒适度等进行实时调节，并对墙体结构进行改造。项目实施后，投资回收期约为5.4年。

Wahab等[32]对吉隆坡英国马来西亚学院的照明系统进行能效分析，通过设计照明灯玄关位置、调整灯泡型号、开发智能手机应用程序等方案进行节能减排。运用Relux对部分自习室进行模拟，得出灯光分布浓度如图2所示，自习室中间的光照强度最大，约为750 lx，自习室内的最低光照强度约为300 lx，经过实验发现，在满足日常照明需求的情况下，使用LED灯替换现有的发光二极管，每年可以节省高达50%的能源，成本回收期为3.27个月。

图2 自习室灯光分布浓度

2.3.3 公共建筑

焦乾峰等[33]对上海市某研发中心空调系统的实际运行情况进行现场测试和模拟分析。研究分析发现，该建筑供暖耗能较高，将设定的室内空气最低温度由22 ℃增至24 ℃后，夏季月平均节能率达到15.67%，并对离心式冷水机组进行变频改造，使得能耗降低约13%。

赖林凤等[34]对福建西南部某中小医院能源消耗结构进行改造，采用改造锅炉和空调等老旧设备、更换灯泡型号等措施使得能源消费结构发生变化，如图3所示。2015年至2017年，在整个医院消费结构中，电力占比增加了9个百分点，柴片占比降低了21个百分点，综合楼单位面积等价值综合能耗降低了21.07%。

图3 某医院能源消费结构图[33]

2.3.4 其它建筑

寺庙具有独特的能耗时间分布和空间分布。Younness等[19]根据摩洛哥两座清真寺的能耗情况提出一系列的改造方案，采取了安装照明定时器、自动关闭长时间未使用灯、根据自然采光程度对照明进行分区、安装太阳能电池板等措施。卡斯巴清真寺的年平均消费量从4×104kW·h降至5×103kW·h，库图比亚清真寺从3.5×104kW·h降至1.5×104kW·h，节能效果明显。

3 结束语

本文针对既有建筑能源审计方法展开研究。通过分析发现，在工厂、高校、公共建筑等典型应用场景中，通过能耗监控、设备改造和节能管理等措施可以降低10%～20%的能耗；建立实时在线监测系统，借助物联网、5G通信等技术动态监控能源使用情况，可有效制止能源浪费；运用模拟软件进行审计分析，可提高审计工作效率，提高实施效果。但是，在建筑相关能源审计中，人工智能算法的应用还不够成熟，经济、能源、碳排放多目标耦合优化算法将是未来发展的趋势。