智能楼宇用户节能技术与策略探讨

刘 旭 高林飞 施超寅

国网上海松江供电公司

0 引言

传统电力行业技术日趋成熟，电力企业的外部矛盾从“用电需求增长和供电能力不足”已经转化为“全社会电力成本承受能力与电网企业供电服务成本”之间的矛盾。电力体制改革需要在“安全”、“清洁”、“经济”这三者之间寻求最合适的平衡。自用电环节，以提高清洁能源消纳效率、实现源网荷储的技术互动，并以客户侧泛在物联网为手段，实现智慧能源综合服务向低压配电网和用电侧延伸，并成为国网公司新业务的增长点。

2017 年，中国建筑能源消费总量为 9.47 亿tce，占全国能源消费总量的21.11%,预测建筑能耗达峰年份 2040 年左右，达峰值为 12.18 亿 tce。建筑CO2排放总量为20.44亿t，占全国能源碳排放总量的19.5%，预测建筑CO2排放达峰年份2040年左右，达峰峰值为24.11亿t。楼宇节能拥有巨大空间（见图1）。

图1 建筑能耗图表

智能楼宇以建筑物作为基础平台，同时搭载信息设施、信息化应用、公共安全系统等，可以将建筑物或建筑群内的车库管理、保安、照明、给排水、运输、消防、电力、空调设备或系统进行统一有机管理，可将服务、系统、结构、管理优化组合为一体的智能建筑。目前，我国每年新增的建筑面积达20亿m2，智能楼宇是未来城市建筑的发展趋势，而楼宇节能将是节能发展中的重要一环。

1 楼宇的能源利用方面存在的问题

全球能源问题的日益突出及节能环保理念的不断发展，建筑节能逐渐成为了缓解节能压力的重要措施。目前，我国受建筑理念和技术水平的制约，建筑能耗普遍较高，主要是三个方面的问题（见图2）：

1）运维水平低。运行人员依靠经验运维，经验不足易导致运行工况异常、问题频发却不知如何处理。员工事务多且杂，巡检、抄表、开关机等，遇到故障等问题难以快速响应。

2）能源效率偏低。员工不能根据冷热需求实时调控、能耗浪费现象明显。设备运行处于非优化状态，存在隐性浪费。

3）决策数据支撑不足。缺少设备运行数据的系统性分析，无法准确判断设备能效，直接影响运行参数设定、设备更换、改造等决策合理性。

图2 建筑节能制约原因

2 从技术方面分析智能楼宇的节能应用

2.1 暖通空调系统

智能楼宇的暖通空调系统是建筑能耗的主要部分，暖通空调系统的负荷包括热负荷与冷负荷两类，通过空调负荷量的数据分析，设计合理的系统设计方案，选择空调设备及制定控制方案的策略。

暖通空调系统负荷占比为40%～60%，其在运行过程中存在的问题有以下三点（见图3）。

当暖通空调系统处在部分负荷时，需对水泵进行台数和运行频率控制，保证水泵机组运行在最高效率点，降低水力输送系统的运行电耗。

2）风机系统由于冷源系统实际出力偏小，为了维持设定的回风温度，大部分空调箱风机工频运行，导致风机能耗较高。

3）新风负荷作为空调系统的主要热湿负荷，过大的新风量不仅增加了新风机组的耗电量，而且增大了冷源系统的耗电量。

图3 暖通系统节能技术路径

暖通系统实现节能可根据冷机能耗、制冷量、运行数据、环境数据、用户行为数据、电价数据和国家相关标准，通过专业算法模型、控制策略库对暖通系统实行负荷预测、设备能效评估、机组启停优化和变频改造等，最终达到节能目的。

2.2 照明系统

照明系统也是楼宇电能消耗的重要组成部分。照明系统负荷为15%～25%，可调节比例为3%～10%。一个科学的照明系统可以给楼宇节能减排带来很好的效益。目前，楼宇照明的问题主要有电压波动、运行功率低，用户使用效率较低的电源、楼道等公共空间的灯长明不灭等，可采取如下措施：

1）应选用节能灯具，如LED灯、OLED灯、高压钠灯等。

2）制定照明系统的合理控制方案，根据使用环境实现照明区域分块、分区域、分功能智能控制，如声控和光控等。

案例分析：上海市黄浦区某大厦，车库四层照明灯具约3 100 盏，光源为T5 灯管，每个灯管功率28 W，工作方式为7×24 h全亮。以智能雷达感应LED 灯管更换原灯管，节能率68%，对每条照明回路的电气数据进行监控、实时掌控照明能耗，并进行动态控制。总投资85 万，原车库全年电费53万，改造后电费每年17 万，2 年半即可收回投资（见图4）。

图4 照明节能改造效益

2.3 供配电系统

楼宇的供配电电网线损一般都超过5%～10%以上，选用合理容量变压器和投入自动无功补偿装置可以减少配电系统的损耗。

1）变压器容量的选择。变压器容量偏小，楼宇的配电系统将长期处于超负荷运行状态，导致增加过载消耗。变压器容量偏大，其负载率将大幅下降，使其偏离合理的运行区段，增加空载损耗。选择合适容量的变压器，使负载率在60%～80%之间，将有利于减少变压器的损耗。

2）无功补偿装置的选择。变压器的负载不变时，供、配电系统的电能利用率与功率因数成正相关。在实际运行中，因为负荷波动、谐波等因素干扰，功率因素会满足不了系统运行在最优区段，因此配置运行容量至少30%的无功补偿装置，并使用自动投且装置，可以提高系统电压水平和功率因素，并提高综合电能质量。

2.4 储能系统

冰蓄冷技术是在通过低谷用电时段，将电能转化为冰冷进行储存，在用电高峰时段溶水，与冷冻机组共同供冷，将冰冷进行释放。目前，上海市一般工商业的高压用户的分时电价差价较大，尤其在夏季峰、平时段的电价与谷时段电价差有约0.3 元和0.7元之多。冰蓄冷技术提高了对低谷时段电能的利用，减少了高峰时段电能的消耗，在优化了能源负荷的同时降低了用电费用。

2.5 电动汽车停车系统

为响应国家节能减排政策，电动汽车逐渐成为未来购车趋势。在大型楼宇的地下停车库增加充电桩的数量，可以充分利用夜间低谷电价为电动汽车充电，开源节流。

2.6 屋顶光伏系统

大型楼宇的屋顶面积广阔，可利用闲置屋顶面积安装屋顶光伏发电系统，根据意愿采取“自发自用，余电上网”来减少电费开支并获取专项补贴，对优化能源结构、推动节能减排、实现经济效益有重要意义。

3 供电公司可为楼宇用户提供节能策略

分析楼宇历史用电情况：对比不同时段不同用电系统的用电量；分析不同用电系统能耗等级；分析不同时段电能质量的信息和电能质量的提升。

根据节能数据的分析，节能策略主要包括以下方面：

1）根据不同的电价结构制定出最优的用电策略，实现系统的削峰填谷，节约电费的支出。

2）分析整栋楼宇负荷，制定出保证负荷平衡的用电策略，选择最优的方案，以降低电网压力，增加发电设备的效率，延长设备使用寿命。

3）分析历史用电情况，为每个不同子系统制定相应的运行策略，以确保用电设备的高效运行。

4）分析楼宇用电负荷、电能质量、和电价结构等信息，从而制定新能源并网策略或充放电策略，最终达到节能的目标。

4 结语

综合能源服务的大力开展，电力行业的“重资产”投资发展模式正在被驱动转化由“信息化、精细化”为代表的轻资产服务模式替代，楼宇客户对电力企业具有战略意义，他们具有一些鲜明的特点：人员密集，事故停电甚至闪络将会造成严重的社会影响；地位特殊，与电力企业有着长期密切关系；对电力企业未来的业务发展有着巨大的潜力等。电力企业其服务水平的高低，不但仅企业社会形象和经济效益有关，也与社会经济的发展息息相关。公司客户服务的目标是增强公司服务水平和服务能力，提高对楼宇客户供用电服务的品质，不断提升客户满意度，实现社会效益和经济效益的统一，因此做好楼宇节能工作有着非常重要的现实意义。