基于多种节能量模型的供热后评价研究

王文标，尹冰玉，汪思源

(大连海事大学 信息科学与技术学院，辽宁 大连 116026)

0 引言

建筑能耗约占我国社会总能耗的三分之一，且随着经济的发展，建筑能耗的比重呈增长趋势［1］。其中北方城镇采暖能耗约占建筑能耗的50% ～65%，是建筑节能关键环节。我国供热系统能源综合利用率仅为35%～55%，远低于80%的世界先进水平［2］。准确掌握供热整体运行情况、查找能源“短板”、分析节能潜力，是节能规划工作面临的首要问题。由于供热系统的运行效率和供热单位的管理水平良莠不齐，节能评价指标体系的设计就成为供热节能的核心问题，其合理性直接决定评价结果准确与否。此外，为了保证节能奖励政策的实施与合同能源管理的推广，以及帮助业主决策节能项目，营造比学赶帮超的良好氛围，节能量的确定举足轻重。

在对我国供热现状的广泛调研和深入分析的基础上，明确界定节能的含义以及节能量概念;探讨三种不同的节能量评价办法;分别建立以气象指标等能耗影响因素为修正的节能量评价模型［3］和基于度日能耗的节能量计算方法。帮助用能单位“看到”节能项目带来的节能效果和经济收益，为项目决策提供理论依据，也是减少节能服务公司与用能单位争议的有效手段，促进节能技术的应用和合同能源管理的推广。

1 问题的提出

1.1 供热系统节能后评价办法［4］

1.1.1 后评价定义

节能后评价是指针对系统实际运行情况，依据评价指标，分析节能工作取得的成效和存在的不足，借助物联网技术，实现供热信息有效反馈，从而提高节能决策水平和运营管理水平，旨在供热系统的运行优化。

1.1.2 对比法

供热节能后评价办法包括Delphi法、层次分析法(AHP)、熵技术法、对比法以及成功度法等。其中对比法是我国项目后评价最常用的方法，分为“前后对比法”和“有无对比法”。“前后对比法”是节能改造后，比较供热实际与预测，分析二者偏离程度及产生原因;“有无对比法”是比较节能项目实施前后系统的实际运行情况，无特殊说明本文采用后者。

指标体系的构建是后评价工作的最重要内容，评价指标选取是否适宜直接决定评价结果的科学性与准确性。

1.2 供热节能评价指标体系的构建［5－6］

供热节能评价指标体系［7］由一系列衡量供热各环能效水平的指标或标准构成，是影响节能评价结果因素的集合。

评价指标主要分三大类，即安全指标、工艺指标和能效指标。安全指标是前提，工艺指标是保证，能效指标是方向。

1.2.1 安全指标

保证供热品质是供热节能的前提，以国家及行业相关标准、规范为约束条件，采取一票否决制。主要包括:

(1)室温合格率

是衡量供热品质的重要指标，用户室温合格率应在97%以上。

(2)运行事故率［8］

《城镇供热系统评价标准》规定供热系统完好率应在98%以上;锅炉房供热可靠度应在85%以上;设备事故率应在2‰以下。

(3)“三来”上访率

指反映供热问题经查属实的户数占总用户的比率，是衡量社会效益的重要指标。

1.2.2 工艺指标

用于评价供热系统的先进工艺以及保障系统运行的调控手段。

(1)热源配置合理性

热源配置的合理性直接影响锅炉效率。一直存在的“大马拉小车”现象，就是由于选择锅炉的容量及台数超过实际需求，导致锅炉长期处于低负荷运行，造成资金和能源的极大浪费。保证主设备工作在设计负荷和工况下是节能的重要途径。

(2)变频节电技术

风机、水泵作为锅炉房的主要耗能设备，其耗电量占锅炉房用电量的80%以上。利用变频调速技术，当转速下降20%，耗电量减少48.8%，节电效果非常明显。

(3)建筑物的热工特性

建筑围护结构状况及其所在地区气候和采暖条件决定了建筑采暖耗热量指标。提高墙体保温性能以及门窗气密性能可以极大降低建筑采暖能耗。

(4)热力、水力平衡工艺保障

水力失调严重影响供热效果，冷热不均造成能源的巨大浪费。《城镇供热系统评价标准》规定管网水力平衡度应介于0.9～1.2。

1.2.3 能效指标

(1)锅炉热效率

供热节能效果必须最终落实到热源处能源的节省量上，因此锅炉效率的高低决定节能目标能否实现。《城镇供热系统评价标准》对各类型锅炉能效作出明确规定。

(2)管网输送效率

主要受管道保温材料、敷设方式、供热半径、泄漏等影响。《城镇供热系统评价标准》规定室外管网输送效率不应小于90%。

(3)采暖耗煤量

反映供热系统整体效率，是衡量系统是否节能的重要指标。

(4)供热系统综合效率

是指建筑物自身用热量与供热系统总能耗之比。考虑各环节热损失，是能够描述供热系统整体运行情况的指标。

(5)单位面积(热量)综合能耗

综合单耗全面地反映了供热系统的总体能耗水平，具有良好的可比性。供热节能评价须以确保社会效益和环境效益为前提，以降低能耗为目标，以综合单耗评价为重点，以节能措施为加分项。

1.3 相关概念

1.3.1 明确节能的定义

必须走出“减少能耗就是节能”的误区。节能是一个相对的概念，是指在不影响生产发展和生活质量前提下的用能管理;主要包括工艺节能、技术节能和管理节能。本文主要是指技术措施节能。

1.3.2 节能量概念

“节能量”是指满足同等需要或达到相同目的条件下，一定时期内能源消费减少的数量。需选定基准指标，通过对比得出［9］。

本文将其界定为立足现有规模设备，剔除气象等因素影响的供热系统实际节能量。

2 供热系统节能量评价模型

节能量是节能改造项目最重要的产出，是合同能源管理的核心产品，也是政府落实节能奖励政策的主要依据。但节能量不属于直观的产出，必须通过实际监测或计算得到。下文将详细探讨节能量评价办法。

2.1 节能量基准模型［10］

式中 Eb/Ea——节能改造前/后系统能耗/ tce。本文以改造前后能耗偏差为基准模型，以理论实践为支撑，对该结果进行修正。

2.2 “国标”节能量模型［11－12］

式中 eb/ea为节能改造前/后建筑端单位热量能耗;

Pa——节能技改后采暖建筑用热量。值得注意的是，为衡量供热系统整体能效，须考虑热源及热网效率，故计算单位热量能耗e时，分子选取热源侧总能耗量，分母选取建筑实际用热量。

2.3 基于能耗修正系数的节能量模型

节能效果主要取决于供热系统能效，同时受诸多外界因素约束。缺乏消除扰动量影响的有效措施，极大地制约了合同能源管理在供热领域的应用。为准确评价真实节能量，必须将供热能耗修正到基准条件下，这直接决定了节能量评价结果的准确性。

2.3.1 室内热环境修正系数ηe

首先，必须构造相同的热环境条件。修正公式如下

式中 to——室外计算温度;

tb/ta——节能改造前/后室内平均温度。

2.3.2 室外气象修正系数ηw

供热能耗受室外气象环境的影响较大。采用基于采暖度日数的气象修正办法，构造相同室外环境。修正公式如下

式中 HDDd——当地设计采暖度日数/℃·d;

HDDr——当年实际采暖度日数/℃·d。

2.3.3 系统运行时间修正系数ηr

系统运行时间也是导致能耗差异的重要因素。修正公式如下

式中 tb/ta——节能改造前/后运行时间/h。

必须注意，同一地区暖/寒差异引起采暖天数的调整，纳入公式(2)的气象修正更为合理。

2.3.4 供热负荷修正系数ηl

供热面积变化容易导致供热能耗的大幅增减。修正公式如下

式中 Ad/Ar——系统设计/实际供热面积/m2。

2.3.5 节能量修正模型

以设计条件或节能技改前为基准，对气象条件等四个主要影响因素进行修正，构建了节能量评价的修正模型

公式(7)改变了目前供热节能评价多为定性评价的局面，推动企业节能改造项目的开展以及节能量奖励机制的完善，也为合同能源管理提供了节能量认定方法［13］。

2.4 基于度日能耗的节能量模型

2.4.1 采暖度日值

是指采暖期室内温度与室外温度差值的和。计算公式如下

式中 Tn——室内基准温度/℃一般取18℃;

Ti——室外日平均温度/℃; z——冬季Ti＜18℃的天数。

2.4.2 单位面积度日能耗概念［14］

单位面积度日能耗，下文简称度日能耗，是指采暖期单位面积建筑室内温度每提升1℃的综合能源消耗量。计算公式如下

式中 ∑E——采暖季综合能源消耗量/tce;

HDD——当年采暖度日值/℃·d;

A——热源带暖面积/m2。

2.4.3 基于度日能耗的节能量模型

将采暖季同期能耗数据进行比较，计算度日能耗差值Δqhdd，得到单位采暖周期内供热系统节能量ΔE。计算公式如下

由于消除了气象条件干扰，节能量ΔE主要取决于供热系统效率和节能管理能力，作为供热节能量评价指标具有普遍适用性。

3 某高校应用实例分析

某高校建立了基于物联网的供热节能监管系统(如图1)，通过对能耗的实时监控、数据的统计分析，使节能管理更加科学、细致，实现供热系统优化升级。

图1 供热节能监管系统结构图Fig.1 Heating system block diagram

该校供热系统于2011年10月和2012年10月进行了两次节能改造，改造前后供热数据如表1所示。

采用上文所述三种模型确定该校采暖节能量，模型中各参数计算结果如表2所示。

表1 改造前后供热数据Tab.1 Heating data before and after reformation

表2 节能量计算模型中的参数Tab.2 The parameters in energy－saving quantity models

容易看出:利用三种不同模型得到的节能量指标存在一定差异。其中“国标法”得到的节能量最少。分析其产生原因，发现“国标法”在保证建筑侧用热量基本不变时，评价结果准确可靠;而当技术措施实施前后有较大变化时，其计算值存在一定误差，导致节能量核查结果的虚增或低估［15］。而由于带暖面积和气候条件等因素影响，这种情况往往普遍存在。这也是“国标法”的主要不足。

三个采暖季的单位面积度日能耗如表2所示，度日能耗指标呈下降趋势，主要源于工艺技术的优化和节能监管力度的加强。其中2012～2013年采暖季度日能耗指标下降幅度较大，这要归功于节能监管系统的可靠运行和绩效考评体系的合理构建。

值得注意的是，表1中2012～2013年采暖季的综合能耗最高，主要是因为采暖季供热负荷面积的扩充以及采暖期气候较往年偏冷，此外，为改善师生工作、学习环境延长供暖5天。利用方法二的节能量修正模型，消除采暖能耗影响因素的干扰，得到相对公平准确的评价结果。

该高校2012～2013年采暖季完成环比节能1 552.7 tce。累计节约能源成本240多万，约减少排放CO26 000 t，SO240 t，实现经济效益、社会效益和环境效益三方共赢。

4 结论与展望

从影响能耗的主要影响因素入手，建立基于外因修正的节能量模型，得到供热系统真实节能量，实现供热系统节能成效量化评比;而度日能耗指标，剔除了气象环境的干扰，客观描述建筑物的用热需求，直接反映供热系统能效，作为节能后评价指标具有普遍适用性。

借助新兴物联网技术，辅以适当供热计量，最终实现节能管理“由粗到细，由表及里”。本文节能量修正模型中的部分参数有待细化修正;采暖度日值仅是基于温度计算而得，其准确性尚待提高。选用恰当的节能量确定方法是保证供热节能后评价准确性和公正性的前提，也是发挥合同能源管理先进性的重要条件。

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