基于多目标优化的节能措施优选——以某机关会议中心为例

尚如楠 周智勇 周宏豪

（昆明理工大学建筑工程学院，昆明 650500）

0 引言

《中国建筑节能年度发展报告（2020年）》指出，2018年全国公共建筑的总运行能耗为3.83亿tce，占建筑总运行能耗的38.3%［1］。据统计，国家机关办公建筑和大型公共建筑单位面积年耗电量达70～300 kW·h，为普通居民住宅的10～20倍［2-3］，占全国城镇总耗电量的22%，公共建筑运行能耗占建筑运行能耗的很大一部分［4］。

俞泓霞［5］调研分析了上海7个机关办公建筑的建筑能耗，对改造前期建筑的节能潜力进行充分的分析和评价，在此基础上提出了有针对性的节能改造方案，但并未定量优化分析改造方案；李井会等［6］分析了国内外节能量的核定方法，给出了建筑用能设备节能量核定的思路；张博等［7］以机关办公中心为例，采用能源审计和能耗数据分析，发掘机关办公中心节能潜力并提出相应节能措施；罗春燕［8］研究了深圳167个不同类型公共建筑的节能改造项目，发现不同类型建筑存在用能差异，需要在节能潜力分析诊断的基础上提出的解决方案才科学可靠。

以上研究人员主要从建筑能耗的相关影响因素展开研究，提出了不同的措施，但未对改造措施进行优化。本文以云南省温和地区某机关会议中心建筑为案例，对拟改造建筑的节能措施进行多目标优化分析，最后得出最优改造方案和实际能耗，以期为预测公共建筑的使用过程的能耗提供参考。

1 案例建筑实际调研分析

1.1 建筑概况

本文选取云南省温和地区某机关会议中心作为项目案例进行节能潜力分析。改造项目的总建筑面积为33 900.51 m2，实际改造面积为14 160.3 m2。工作时间为8：00—18：00，晚上和周末偶有会议或公共活动，年均工作日约为250 d。

1.2 建筑用能概况

研究案例用能系统包括照明系统、采暖空调系统、电开水器、办公设备、动力系统、功放设备和其他设备。消耗能源仅有电能，无天然气、人工煤气、柴油、外供蒸汽（热水）等其他能源供应和消耗。市政供水压力可以满足建筑供水需要，因此无加压供水系统。中水系统为区域供水，所用水泵耗电由该地机关事务管理局统筹，未计入本项目建筑的电耗。

1.3 建筑能耗调查

根据《民用建筑能耗标准》（GB/T 51161—2016），机关办公建筑非供暖能耗指标约束值为60 kW·h/（m2·a），引导值为45 kW·h/（m2·a）［9］。根据该案例逐月能耗统计数值，经计算其单位面积电耗值高于标准要求，如表1所示。说明随着该机关会议中心人员对于舒适性和功能性要求的提高，机关会议中心的设施得到不断完善，引起能耗强度增加，因此该建筑具有一定的节能潜力，有必要通过采取措施降低能耗。

表1 能耗调查结果

2 研究方法及节能潜力分析

2.1 能耗计算

改造前后设备能耗可根据铭牌参数计算，能耗计算式为：

式中，E为能耗，kW·h；n为改造前（后）设备类型个数；Pk为第k种设备改造前（后）铭牌功率，kW·h；tk为第k种设备改造前（后）运行时间，h；rk为第k种设备改造前（后）使用时间修正系数。

2.2 节能量（率）的计算

节能量计算式为：

式中，E为能耗；EQ为基准能耗；EH为改造后能耗；△E为能耗修正量；单位均为kW·h。

节能率计算式为：

2.3 改造前建筑节能潜力分析

选取该会议中心改造前即2020年的能耗进行分析，该机关会议中心内部各系统无独立计量电表，故无法得到各系统准确耗电量，经式（1）计算可得2020年各系统的耗电量和比例。经测算，采暖空调能耗、照明能耗和电开水器能耗占总用电量的75%，如表2所示，该建筑主要耗电系统是照明、电开水器和采暖空调。笔者现场调研发现，目标建筑所用照明、电开水器、采暖空调设备多为高能耗老旧设备，节能潜力巨大。

表2 2020年各系统耗电量情况及比例

3 改造措施及优化

3.1 优化前建筑节能措施

根据该机关会议中心的建筑能耗潜力分析，可以快速提出适合该案例建筑的节能措施，指导节能工作的开展。

1）照明系统。现场测试发现，80%的会议室、走廊的照度不满足规范要求，灯具功率较大，使用频率极高。可通过更换高效的LED节能灯具，在降低能耗的同时，使房间照度满足规范要求和使用需求。

2）采暖空调系统。云南省温和地区在全年大部分时间中，通过开启外窗即可满足室内环境需要，但会议中心人流量大、空间大且使用频率高，因此需要设置空调。现场调研发现，会议室使用冷暖风机以供暖和制冷，存在效率低和舒适性差的问题，应将冷暖风机替换成能效高的空调柜机，从而降低能耗。

3）电开水器。现有电开水器能耗偏高，无自动控制功能，建议替换为满足使用需求的较低能耗且配备步进式系统的热水设备。

4）办公设备。现场使用电力监测仪检测设备待机状态下实时功率数据，计算机主机待机的能耗为2~6 W·h，显示器待机能耗为0.6~4 W·h，其他办公设备的能耗为0.5~10.5 W·h。根据现场调研，办公设备总计76台，年工作日为250 d，每天设备待机时间为16 h，全年待机能耗约为1 285.92 kW·h，建议安装智能插座。

5）动力设备。经过现场调研记录，动力设备含扶梯和直梯，实际每日平均开启时长为9 h，10台动力设备的平均功率为2.6 kW·h，按全年250 d工作日计，年能耗为58 698.84 kW·h。若按会议需要，每日动力设备开启的时间可缩短为8.5 h，年能耗可降低3 261.1 kW·h。建议通过更换可调频的电机，实现对电梯的调压调频。

6）功放设备。经调研，功放设备全年使用率不高，暂不考虑更换。在保障设备性能良好、资金充足的情况下，也可更换为更节能的功放设备。

7）其他设备。考虑到使用需要较低，暂不考虑更换。

3.2 节能措施优化

通过设置优化条件，应用Matlab软件进行多目标优化可得到最优改造方案，并与实际改造后结果进行误差对比分析及验证。

3.2.1 优化参数设置

经现场调研，得到照明区域最大改造面积、各分项系统可改造的上限数量、费用等，如表3、表4所示。案例项目预算为93万元。

表3 照明设备的数量、费用、改造面积

表4 设备的数量、费用、改造面积（除照明以外）

3.2.2 优化结果

基于上述分析计算，运用Matlab软件对本次节能改造措施进行优化，结果如表5所示。

表5 优化结果

式中，x1为更换空调的台数；x2为更换热水器的台数；x3为实际照明改造面积，m2；x4为更换办公设备台数；x5为动力设备加装变频器的台数。边界条件为0≤x1≤7，0≤x2≤8，0≤x3≤14 160.3，0≤x4≤76，0≤x5≤10。

优化后得到，理论上该会议中心需更换7台空调、8台热水器以及改造照明区域3 343 m2，改造后年节能量为120 500 kW·h。

4 改造后建筑运行能耗分析及验证

4.1 实际改造措施

在提出优化措施后，现场实际施工以所提措施为指导进行建筑改造。

1）照明系统。《公共建筑节能改造技术规范》中规定，公共建筑节能改造过程中需根据建筑环境和室内照度要求，选择高效的节能灯具，以降低室内用电能耗［10］。将现有的紧凑型荧光灯的筒灯、细管型荧光灯和采用金属卤化物灯的射灯全部替换成LED灯，共计更换灯具3 468套，更换后单台设备功率可降低10～52 W，因灯具种类繁多，不再单独列出。

2）采暖空调系统。将现有的冷暖风机替换成高能效的空调柜机。采暖空调系统设备更换清单如表6所示。

表6 采暖空调系统设备更换清单

3）电开水器。将现有能耗偏高且无自动控制系统的电开水器更换为满足使用需求的较低能耗且配备步进式系统的热水设备。电开水器更换清单如表7所示。

表7 电开水器更换清单

4）办公设备和动力设备。可着重加强行为节能，当设备长时间不用时，应及时关闭相关设备。减少人为因素造成的不合理用能，有助于降低建筑运行成本，提高用电设备使用周期［11］。

5）建立电力分项计量系统，对目标建筑运行过程中的分项用能情况进行记录。

4.2 改造后建筑实际运行能耗

选取目标建筑改造后即2021年的能耗进行分析。根据分项计量仪器数据记录和式（1）—式（3），可计算得到改造前后的能耗、节能量、节能率，如表8所示。可见节能改造效果明显，改造后筑单位面积电耗为57kW·h/（m2·a），低于约束值60kW·h/（m2·a），符合《民用建筑能耗标准》规定。

4.3 与改造后理论上优化数据对比验证

根据3.2.2节数据优化，理论上目标建筑改造后的节能量为120 500 kW·h/a，节能率为13.25%。根据表8，实际上该会议中心改造后的节能量为122 574.50 kW·h/a，节能率为13.15%。误差为1.69%，误差较小，改造后的节能效果与预期改造效果基本相符。

表8 分项能耗、节能量和节能率

5 结论

1）通过对云南省温和地区某机关会议中心建筑节能改造前后能耗的计算分析得出，该项目针对能耗占比较大的耗能系统采取节能措施后，建筑单位面积电耗可降低至57 kW·h/（m2·a）。

2）在目标建筑整个运行过程中，照明、空调、电开水器能耗合计占比约为75%，若能在进行此类会议中心建筑的节能改造中重点关注此3项能耗并实施有力的节能措施，则可以有效减少设备运行过程中的能耗。

3）既有建筑的节能改造属于不可逆过程，本项目在实施改造前采用数学工具对案例建筑的改造措施进行多目标优化，从拟改造建筑能耗预测出发，寻求最优方案，进而对案例建筑进行节能改造，使改造方案更加科学合理。

4）在下一步研究中，建议增加不同类型公共建筑的相关数据，使分析更为全面。