建筑用能的累计值与负荷值——节能与经济性应用研究

博锐尚格科技股份有限公司 彭 琛深圳市建筑科学研究院股份有限公司 郝 斌 孙冬梅

0 引言

随着建筑部品和能源利用技术的发展，提高系统或设备的某项效率和性能所带来的节能效果越发有限。例如，相对于10年前，空调能效或围护结构保温性能提升空间有限，而节能设计、运行与评价越来越需要从能源系统和建筑两方面进行综合考虑。在我国北方，实现区域供暖节能，不仅要求建筑物性能提升，还要考虑提高热源侧效率和减少输配过程中的热量损失[1]。从能源系统看，电力供应面向工业、交通和建筑等领域各终端用能用户，以往建筑用电节能较少涉及到电力生产、输配和存储问题。然而，随着光伏、储能和直流供电等技术与建筑用电结合日益紧密，对建筑的供用电系统整体设计与评价越发必要。

从2001年到2017年，电能在建筑终端能源消费总量中的占比从23%增长到43%[2]，一方面是电力逐渐取代煤、天然气等化石能源直接用于炊事、生活热水供应等；另一方面，家用或公共建筑电器设备的数量增加和种类丰富，也使得建筑用电量比例增长。同时，由于建筑性能和设备效率提升，空调供暖能耗增长明显低于其他终端用能的增长，在建筑用能中的比例下降。

建筑供用电系统主要采用累计用电量(单位为kW·h)和用电负荷(单位为kW)2个指标进行统计和评价。在建筑节能设计和评价相关标准中，常以能耗值(kW·h)作为关键指标，以GB/T 51161—2016《民用建筑能耗标准》[3]为例，对公共建筑、北方城镇供暖和城镇住宅都给出了相应的能耗约束指标，单位为kW·h[4]，但未涉及到单位为kW的指标；在GB 50189—2015《公共建筑节能设计标准》[5]和JGJ 26—2018《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》[6]中，强调提高围护结构性能，旨在减少建筑能耗，并对变压器的经济性提出要求。在北京市的地方标准DB 11/687—2015《公共建筑节能设计标准》[7]中，要求变压器负荷率设计值宜在60%～80%范围内，也是从负荷指标(单位为kW)经济性影响出发。而在诸多关于建筑的能耗与能效评价作用的讨论[7-10]中，并未考虑负荷指标(单位为kW)在节能中的作用。

那么，从整个能源供给与消费系统来看，建筑用电负荷指标对节能和经济运行有什么影响，是否应该将电负荷指标纳入到节能管理中，如何进一步提升能源系统和建筑整体的节能效果和经济性，本文从建筑供用能系统角度进行讨论。

1 负荷指标对建筑节能和经济的影响

本文讨论的建筑用能指标，指的是建筑用电负荷，即设计或实际运行时瞬时的功率；对应用能的累计值指的是一定时间范围内运行累计用电量。两者的关系可以表示为

Q=Q0τ

(1)

式中Q为累计负荷，kW·h；Q0为负荷，kW；τ为时间，h。

1.1 供需平衡与选型偏大

建筑能源系统包括用能和供能两部分。用能侧主要是各类机电设备，包括照明灯具、空调、电梯、水泵等；供能侧包括发电和输配电设备。电力来源主要是电网。供用电的平衡关系可以表示为

Sd=Uj+Lx

(2)

式中Sd为电网向建筑的供电量；Uj为机电设备用电量；Lx为建筑中各种线路电力损失。

由于考虑了最不利天气和保障能力，集中空调系统经常被认为容量选型过大。夏季空调运行大多在低负荷下，机组效率低，造成能源浪费。空调设备容量选大，会影响建筑配电容量的选择，使得配电容量偏大。由于空调系统容量选择偏大，制冷机实际开启台数少于设计值，制冷机负荷率低，空调系统效率也偏低；由于空调供暖系统中机电设备容量选型偏大，建筑配电容量也就大大超出实际需求量。

确定建筑配电容量时，通常需要统计各个用电设备的负荷，当配电容量大于一定量时，需要安装无功补偿器，以补偿无功功率、降低线损，减小发、供电设备的设计容量等。由于建筑用电负荷昼夜变化很大，如果配电变压器选型过大，容易出现欠载运行的问题，使变压器和电动机的效率降低，功率因数低，就会造成能源浪费。由此来看，负荷指标(以kW为单位)是影响建筑节能效果的重要因素。

从电力系统整体看，由于用电侧选型偏大导致配电系统偏大，还将引起以下问题。

1) 用电侧。通常配电容量越大，配电系统的初投资越大。在运行过程中电费包括两部分：一部分是电表电费，按用电量收取；另一部分是基本电费，按月收取，与最大需电量和变电器容量正相关。

以某商业综合体项目为例，建筑面积约10万m2，变压器容量选择为12 000 kV·A，配电初投资约为1 800万元(每kV·A有250元变压器本体费用+1 130元外线费用+120元的多回路容量费)；按照项目所在城市的变压器容量月收费标准22.68元/(kV·A)计算，每个月需收取27.2万元变压器容量费。如果在容量设计时优化20%，初投资可节省360万元，以20 a寿命期计算，运行成本可节省1 306万元，共计可节省1 666万元。

2) 供电侧。一定区域内的建筑配电容量，也将影响该区域电网的设计容量，进而影响区域配置电厂的容量。为了满足不断增加的用电侧容量，只能不断新建发电厂，增加了电厂投资和相应的土地、能源和各类资源的消耗，也增加了运行过程中的损耗成本，这也是收取容量费的原因。

从系统角度看，容量选择影响用电和供电两侧的经济性，实际也反映对各类资源消耗的影响。

1.2 建筑用电负荷波动峰谷差大

工业用能，尤其是钢铁、水泥等生产用能，在一定周期内需求相对稳定，对于电网负荷容量冲击不大；而建筑用电具有多个波动周期的特点：白天与夜晚、工作日与节假日、四季变化等波动，且波动幅度较大。例如：办公建筑用电时段大多在09:00—18:00，节假日全天用电较少；居民家庭用电伴随居民在家活动时间，用电负荷多在工作日的晚上和节假日全天。

建筑配电容量选择通常是考虑极端条件下的空调负荷，公共建筑中空调系统的设计负荷通常占建筑系统负荷的40%～50%。夏季，建筑中空调负荷较大，户用或公共建筑空调大多采用电驱动，且随着气温升高，建筑空调用电负荷会显著增大(开启空调的居民家庭数量、空调运行功率都会增大)，南方地区许多城市夏季停电重要原因是空调负荷过大[11-12]。冬季，北方地区建筑供暖用能需求较大，通常由区域集中供暖(热力站或锅炉房)烧煤或天然气制备热水满足，“煤改气”促进一批户式燃气壁挂炉的应用，也出现了因能源供应能力产生的问题[13]；一些北方清洁取暖项目，推动电供暖也增加了冬季的用电负荷。在春秋季，建筑通常没有空调和供暖需求，用电负荷相对小很多。

由于建筑用电波动幅度大且建筑物数量大，难以统一调节控制，春秋季和冬夏季的负荷差别显著，对于建筑而言，是减少空调和供暖设备开启的问题；对于供电侧而言，是大量发电设备闲置的问题，2018年全年发电时长仅为3 862 h(占全年时间的44%)[14]。为了满足高峰时段用电需求，兴建的一些电厂设备效率较低，但为了维持经营，不得不保障其一定的发电时长，从而导致发电效率偏低。

从建筑用能的波动性来看，跨季节的峰谷负荷差别显著，是造成全网发电时长偏低、发电侧效率偏低的重要原因。

1.3 以kW为单位的指标的重要性及其他表现

1) 电能属于高品位能源，以kW为单位的负荷指标考虑了做功能力。

建筑中用能需求主要包括电和热，热力主要用于炊事、供暖和生活热水的制备，电能则可以作为建筑中所有用能设备的能源。从能源使用的品位来看，电能属于高品位能源，制备1 kW·h电需要消耗约2.5 kW·h热值的天然气(天然气的单位为m3,以发电效率40%计算)。在进行能源消耗总量统计时，宜将其与燃气、热力等能源的累计值区分开来，然而，实际工作中常常将电能按热量与燃气、热力的耗热量直接相加，忽视了电力作为高品位能源在生产过程中损耗大量热量，且做功能力有着显著差别(光伏、水电等除外)；此外，由于建筑用电是一个动态变化过程，在有多种供能类型时，优先采用可再生的光电、水电能源或低品位的能源保障基本需求，用高品位能源满足变化较频繁的用能需求，也能起到节约能源、减少碳排放的效果，这个动态变化需求指标的单位为kW。

2) 电力现货市场中，将kW为单位的指标与电价挂钩。

2015年开始的第三次电力体制改革，将“有序放开输配以外的竞争性环节电价，有序向社会资本开放配售电业务”，建设电力现货市场，将实现“降低电力成本、理顺价格形成机制，提高能源利用效率，提高安全可靠性，促进公平竞争、促进节能环保”作为目标。

在将电力负荷曲线作为报价依据，中长期协议价格结合日前市场节点电价、实时市场节点电价等作为电力双方结算依据的情况下，一方面，将迫使能效低的电厂提高发电效率、降低成本，提升发电侧整体效率；另一方面，也会促进用电侧加强用电负荷管理，提高实施用电功率预测和控制能力，以节省购电成本。

与工业用电相比，建筑用电负荷变化波动对电网实时负荷控制影响更大，增加参与到市场交易的公共建筑用户，重视用电负荷的管理，既是响应电力体制改革，实现能源系统发电效率提升的保障，又是节省建筑用电购电成本的一项必要举措。

3) 光伏发电与建筑用电需求曲线的关系。

可再生能源发电主要包括光伏发电、风力发电和水力发电等。其中，光伏发电可以直接用于建筑物，是提高建筑中可再生能源利用比例的最有效途径之一。光伏发电提高建筑中光伏发电使用量，需要考虑光伏发电曲线与建筑用电曲线的关系。

充分考虑建筑用电负荷曲线的特点，将光伏发电曲线、建筑用电负荷曲线，以及储能装置的剩余电量和容量相结合，在考虑储能装置充放电损失的前提下(建筑中用电输配的损失较小)，最大程度利用光伏发电量，实际也是减少了由电网提供的以火电为主的电能，实现了节能。

4) 建筑电气化趋势明显，负荷设计要求更高。

由于电能使用方便、清洁、无污染(使用过程)和调节灵活，在建筑能源使用构成中比例越来越高，建筑用能电气化趋势表现在以下几方面：第一，城镇住宅中炊事和生活热水用电的比例越来越高，农村住宅中生物质和煤的用量持续减少，逐渐被电取代；第二，电器数量和种类越来越多，家庭用电量持续增加，空调供暖标准提升，用电负荷也将显著增加；第三，商业及公共建筑的体验式服务和消费提升，建筑用电需求进一步增加。根据国家统计年鉴数据可知，相比2000年，2017年建筑领域人均用电量增长了近6倍，总量增长近1万亿kW·h[15](见表1)。随着智能家居的推广，建筑电气化程度将进一步提升。

表1 建筑用电发展 亿kW·h

电气化程度提升，意味着更大的用电需求，在设计环节面临的场景将更复杂，更容易造成容量选择过大带来的经济性和节能性问题。

2 负荷指标的节能设计与运行

2.1 建立以kW为单位的负荷指标导向的设计与运行标准

在GB 50189—2015《公共建筑节能设计标准》中，与建筑负荷设计相关的内容出现在电气章节，对于供配电部分主要从变配电与用电和供电关系角度提出选型和位置要求等。

根据前面讨论，应该对建筑整体用电负荷指标(以kW为单位)有规定，例如，要求建筑运行负载率(用η表示)达到一定的指标值。设计时，配电专业设计人员应考虑充足的调节能力，避免实际运行时出现出力不足的问题。尤其是推行设计师终身责任制后，对于设计负荷冗余问题，更需要从标准规范、评价制度等方面综合考虑。

选择合理的设计负荷，需要借鉴实际项目运行情况，借助现有数据基础优化设计工作方式和产出。在设计阶段，可以通过对比同地区同类型建筑的实际用电负荷情况进行评价，如果设计配电容量过大，需要给出充分的说明；不能给出充分理由的，应调整配电设计容量，反要求空调、照明、电梯等各类机电系统进行精细化设计，避免因各种安全系数导致设备选型过大。在运行阶段，针对长期处于低负荷率运行的建筑，应从各类机电设备选型、配电容量设计等方面进行校核，负载率过低、不符合节能设计要求的，进行公示；借助能耗监测大数据，不断优化负荷选型设计，使变压器的实际负荷率达标。

通过加强设计阶段对以kW为单位的负荷指标的管理，有助于减少建筑配电初投资及运行过程中的电能成本，提升空调系统的运行效率，降低运行能耗；同时，降低区域变配电站的容量要求，有助于供电侧的能源节约。

2.2 积极利用光伏+储能技术

随着光伏发电成本的大幅下降[16]，建筑光伏技术应用项目将越来越多；另一方面，储能电池可解决用电负荷波动与光伏发电量波动、不同时段峰谷电价的供应调节问题，有助于尽可能增加可再生能源利用量，节省电费，也将有较大的应用潜力。光伏+储能技术还能解决建筑配电容量跟不上用电峰值负荷增加(老旧住宅中时有发生)，以及区域变电站容量限制(城市核心区加装电动汽车充电桩会遇到)问题，未来将会有很大的应用空间[17]。此外，建筑直流供电技术的发展，储能和光伏技术整体效率提高，更有利于节能[18-20]。考虑上述情况，建筑中供用电存在以下关系：

Sd+Sg+Sc=Uj+Uc+Us+Lq+Lx

(3)

式中Sg为建筑物光伏发电量；Sc为储能电池供电量；Uc为储能电池存电量；Us为建筑物光伏发电上网电量；Lq为光伏发电弃电量。

在充分利用储能和光伏技术条件下，建筑的配电容量设计有更大的弹性空间，有助于降低设计容量；在运行阶段，通过优化充放电策略，充分利用光伏发电，有助于节省运行电费。图1显示了某光伏+储能用户项目电力负荷曲线。

注：纵坐标负值指储能的实际充电功率。图1 某光伏+储能用户项目电力负荷曲线示意

实现储能电池和光伏技术应用的节能目标，需要对各部件运行策略进行精细化调节控制，运行策略时刻关注的是以kW为单位的负荷指标值，这同样表明，要实现建筑节能，需要将建筑负荷作为一项核心指标。

2.3 建立能源管理平台动态跟踪

从大量工程实践来看，能源管理系统是支持建筑精细化运行效果的有效手段，其中，建筑用电负荷(以kW为单位)是支持深度挖掘节能措施、实现全过程节能的重要指标。

对于大型公共建筑，运行管理人员面对的是成千上万个用电设备，以及大量的传感器和控制器。在实际工程中，常常存在以下问题：

1) 由于设备系统的传感器或控制器出现故障，设备不能得到有效控制，长期运行导致能源浪费；在实际工程中，由于设备数量众多，输送和施工安装中难免会磕碰个别设备，不能保障设计预期的效果，也造成了能源浪费。

2) 运行管理人员工作疏忽，未能及时调节诸如空调末端、空调箱阀门等部件，导致系统效率低，或者能源浪费。

3) 由于二次装修、空间功能调整等，造成线路调整或设备失控，不能正常调节，导致能源浪费。

此时，建立能源管理平台，并设置专业技术人员跟踪评估负荷值，才能及时发现由于设备或控制器的故障、管理疏忽、二次装修等造成的能源浪费问题。如果仅仅分析能耗总量值，难以发现上述问题，并且也不能及时止损。因此，建立能源管理平台，对以kW和kW·h为单位的负荷指标动态跟踪和智能化评价，能达到显著的节能效果。

3 结论

1) 从建筑用能需求侧看，建筑用能负荷的波动性大，用电设备种类和数量越来越多，可再生能源利用技术深度发展，以kW为单位的建筑负荷在节能工作中越来越重要。

2) 在建筑设计和运行阶段，应重视建筑配电系统负载率，采用精细化设计；积极采用光伏+储能技术，增大配电容量设计的弹性，优化运行过程中的控制策略；同时，建立能源管理平台，以kW为单位的负荷指标支撑精细化运行管理等措施，都将有助于建筑能源系统取得经济和节能收益。

3) 从能源供应侧看，全年发电时长偏低，整体发电效率较低。电能属于高品位能源，随着电力改革朝电力现货市场发展，加强对建筑负荷指标(以kW为单位)的管理，对电能供应侧的节能很重要。

建筑用电的负荷指标对建筑本身，乃至能源供应系统的节能都有较大影响，而这个指标在以往的节能设计和节能运行管理过程中被忽视。为推进建筑节能的深度发展，未来需要在设计和运行方面，充分考虑以kW为单位的负荷指标。