基于能耗监测系统与建筑分项能耗模型的校园建筑能耗分析

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1.前言

以能源计量为基础，以能耗实时监测为技术支撑，以能源审计为重要手段，以能效公示为目标，硬件搭建平台，软件支撑业务，软硬兼备构成了节约型校园建筑能耗监控体系。

“十一五”期间国家通过发布一系列的节能减排政策、法规和标准，推动全国节能工作的有序开展，其中包括建筑能耗实时监测与分项计量领域的导则和实施方法，并已经在一些国家机关类和事业单位类公共机构中进行试点和应用，同期启动了一批建筑节能领域的重点科研项目，并将成果转化，指导节能实践，进一步推动了动态监测技术和分项计量技术在全国范围的应用，以部级、省级、市级为中心逐步建立能源分级监控平台，在商业、办公、宾馆、体育、教育等建筑内实现了能耗计量与监测、审计和公示[1]。截至2011年初，全国范围内已完成的各类型建筑能耗实时监测项目有一千多个[2]，普及率正在逐年增加，但实际完成效果还有待检验。

如图1所示，校园建筑能耗监测系统由现场计量仪表、采集器、服务器、显示终端等设备与通信线路构成的硬件基础设施层和通信软件、平台软件、展示软件、分析软件等构成的软件应用与业务层所组成，实现对建筑能源信息的采集、存储、统计、分析和处理，全过程是动态的、实时的和长期的。

能耗的分项计量是能耗监测系统的基本功能，利用监测数据评估校园建筑能耗分项情况对建立校园建筑节能体系至关重要。为系统和深入地分析校园建筑能耗水平和用能特点，本文以校园建筑能耗分类和分项分析为目的，初步构建了能耗分项评价指标体系，并通过实际案例利用该模型进行了校园建筑的分项能耗分析。

2.建筑分项能耗模型

如图2所示，校园建筑分项能耗是指电耗按用电属性分为照明用电、办公用电、空调用电、动力用电和特殊设备用电等。

建筑分项能耗评价指标通常包括动力用电、空调用电、照明插座用电、特殊区域用电以及建筑峰期、平期和谷期用电评价指标。建筑分项能耗评价指标只适用于那些已建立能耗分项计量的建筑，而对尚未建立分项计量的建筑则不适用。对于已执行分时电价的建筑可采用峰时、谷时和平时用电指标进行分析，对其合理用电和节省电费具有实际意义。

从校园建筑的能耗结构角度分析，以电耗为主，因此，校园建筑能耗实时监测的核心是电力监测，基于电力监测数据进行用电管理和分析评价具有重要意义。建筑用电量评价指标按类型可分为总用电指标、均值类指标、极值类指标和用电比例类指标等类别；按时间周期，可分为月度、季度和年度指标。

（1）建筑总用电指标

图1 校园建筑能耗监测系统

建筑总用电指标主要包括建筑总用电量、动力、空调、照明插座、特殊区域用电等分项用电量以及建筑峰、谷、平分时用电量，如表1所示。表中各指标代码说明如下，E表示建筑用电量，5位的下标代码用来区分建筑的分项能耗，建筑的分时用电（峰、谷、平）分别用peak、valley、f l at下标来划分，如E01C00表示动力系统的用电量。

（2）用电比例类指标

建筑分项用电比例类指标用以衡量各子系统（单元）用电量占比的大小，利用这些指标可分析出建筑物的用电结构，通常分为两大类，即分项用电比例指标和峰谷平分时用电比例指标。计算方法是各分项用电量与建筑总用电量的比值，详细计算公式如表2所示。表中各指标代码说明如下，代码命名规则与表1基本一致，区别在5位下标代码值中最后1位下标P表示用电比例，如E01C00P表示动力分项用电占建筑总用电的比例。

3.校园建筑分项能耗评价案例分析

3.1 案例简介

本案例是位于大连市的某理工类大学，校园总建筑面积约为100万平米，建筑数量有180栋，校内总人数约为35500人。该校园内建筑类别主要是教学楼、科研楼、办公楼、体育馆、图书馆、医院、宿舍和食堂。校园内建筑冬季由集中供热系统进行采暖，夏季采用空调系统进行制冷，其空调系统形式多为分体式空调，少数建筑采用中央空调系统。该校园从2008年开始逐步建立了建筑能耗实时监测平台，部分建筑可实现能耗的实时采集、分项计量和动态分析。

表1 建筑总用电指标

表2 分项用电比例类指标

图2 建筑分项能耗模型

3.2 校园典型建筑能耗分项分析

图3 2010年建筑分项用电指标

校园某科研楼建筑面积约为36600m2，师生人数约为3060人，建筑的用电分项包括动力用电、空调用电、照明插座用电、特殊用电及其他用电。如图3所示，图中列出每一分项年度能耗数据均包含两组数据，分别是分项用电量（单位万kWh）和分项用电比例。对2010年建筑能耗统计数据进行深度分析，动力用电单位面积指标为2.42kWh/(m2·a)，人均用电指标为28.75kWh/(人·a)。空调用电单位面积指标为10.54kWh/(m2·a)，人均用电指标为125.84kWh/(人·a)。照明插座用电单位面积指标为35.7kWh/(m2·a)，人均用电指标为426.8kWh/(人·a)。特殊用电单位面积指标为0.06kWh/(m2·a)，人均用电指标为0.07kWh/(人 ·a)。

从上述该建筑2010年分项用电指标分析可知，建筑电力主要被照明插座系统和暖通空调系统所消耗，两个系统分项用电合计占比高达90%，均为重大用能点。为分析原因，借助表1的总用电量指标和表2的分项用电比例类指标，重点分析各系统每月的用电量及分类分项比例指标，特别是照明插座、空调和动力系统。

图4和图5中可以看到，暖通空调用电量全年随季节变化显著，主要是受室外环境的影响，而动力用电量和照明插座用电量则相对稳定。照明插座用电量平均约为11.3万kWh/月，占总用电的比例随季节而变化，在供暖季约为77%，过渡季达到最大，约为90%，制冷季最小，约为50%。动力用电量平均约为0.8万kWh/月，占总用电比例约为4.7%。暖通空调用电量随季节而变化，在供冷季平均约为8.9万kWh/月，占总用电比例约为45%，主要是冷源设备、空气处理机组和空调末端等设备运行；在供暖季平均约为2.8万kWh/月，占总用电比例约为18.7%，主要是热水循环泵运行。

图4 建筑逐月分项用电总量指标

图5 建筑逐月分项用电比例指标

为便于分析建筑内空调和动力系统的各分项子系统用电情况，现将该建筑2010年8月的空调和动力系统用电量按设备进行分类拆分，借助表2的分项用电比例类指标对各设备进行分类核算，如图6和图7所示。

图6 建筑8月份空调分项用电

图7 建筑8月份动力分项用电

3.3 评价结果

图8 空调冷源设备用电量指标

图9 空调冷源设备用电比例指标

此科研楼暖通空调系统由空调冷热源和末端系统组成，已建立的能耗监测系统只覆盖了冷热源系统，即只监测了制冷机组、冷水泵、热水泵和冷却塔风机的能耗，因客观条件所限，末端系统设备能耗无法监测，此部分主要是新风机组和风机盘管能耗。就整体用电情况来看，暖通空调系统用电主要被冷热源系统所消耗，末端系统电耗较少，因此本文在分析暖通空调系统用电时，主要以各设备用电比例类指标作为依据，参见表2。如图8所示，该建筑空调用电的高峰出现在 制冷季，即大连市室外平均温度最高的7、8月份，说明该建筑空调负荷的影响因素中，室外环境变化是主要影响因素。如图9所示，制冷机组用电量在制冷季占空调总用电量的比重基本维持在50%上下，只是在6月份略有下降；冷冻泵约占21%，冷却泵约占24%，冷却塔风机约占5%；此外，对比7-9月和6月的比例变化情况，我们不难发现，在制冷机组用电比例随室外温度和空调负荷下降而降低的过程中，冷冻水泵和冷却水泵用电比例不降反升，说明水泵负荷适应性较差，从现场勘察的情况来看，其水泵都没有做变频控制，均处于工频运行，存在较大的节能空间。从空调冷源系统用电结构来看，制冷机组是空调系统中的重大用能点，确保其高效稳定运行是降低空调能耗的关键，同时需要对水泵、风机的运行效率给予关注，提高其负荷适应性。

4.结论

（1）本文建立的建筑能耗分项评价模型既概括了常规的综合能耗指标，又总结了分项能耗比例类指标，为实现建筑能耗分类分项的量化评价、节能诊断和系统分析提供了依据。

（2）本文以某校园科研建筑为例，阐述了利用建筑能耗分项评价指标分析各类建筑能耗的方法和过程。结果表明本文提出的评价模型可实现对建筑能耗结构、变化规律和分项能耗比重的准确分析，确定重大用能点，为节能措施的制定提供了保证。

（3）本文以能耗监测平台为依托，以获取的长期能耗数据为依据，经客观分析发现：照明插座和动力用电为稳定电耗，受室外环境影响小，与设备开启时间和数量有关；空调用电是可变电耗，与室内外环境和设备效率关系紧密，是节能管理关注的重点。