上海某高校综合楼运维能耗审计与节能潜力分析

杨峰峰 （上海纽约大学， 上海 200122）

城市现代化发展伴随着大量的楼宇建设活动，而随着存量建筑的增多，在其寿命周期占有可观比重的运维能耗，无疑已成为社会能源消耗的重要场景。因此，加强各类楼宇在运维环节中的能源管理，势必成为社会低碳化发展的重要切入点。

高等院校作为国家教育和科研机构的重要载体，其在能源等公用资源中可能享有一定的政策优惠，与社会化的楼宇建筑相比，其在节能运维方面，存在一定的自我驱动力不足的问题[1]，包括能耗数据仅流于统计上报的层面、缺乏突破传统管理的意识、不能正确认识节能潜力、缺少专业运维人员等情况。本文以上海某高校所辖的综合楼为研究对象（标的物），对其运维状况开展调查分析。借助能源审计的思路，对其历年的能耗（电力）数据进行全面的纵横向分析，并对其能耗强度进行评价。结合现场的一线运维状况，着手发掘该标的物的节能潜力，为其制订针对性的节能建议和措施。

1 建筑物概况

1.1 基本信息

标的物为上海某高校的综合楼，竣工于 2014 年，总建筑面积为 6.5 万 m2，集合了办公、教学、试验、科研、餐饮、车库等多种功能；为钢结构玻璃幕墙建筑，幕墙型材为断热铝，玻璃规格为 6Low-E+12A+6，围护结构热工性能满足 GB 50189—2005《公共建筑节能设计标准》。

标的物常驻人数为 1 000 人，各业态面积情况如表1所示。

表1 标的物各功能区面积一览表单位：m2

1.2 设备及自控系统概况

大楼配置有基本的空调自控系统、照明控制系统以及高配站电力监测系统，具有一定的自动化控制基础。主要的用能设备如表2 所示。

表2 标的建筑物主要用能设备一览表

1.3 分项能耗数据来源

本文所有分项原始数据取自于高配间低压馈线柜以及楼层二级配电箱柜面的计量电能表。该类表具每月有定期抄表记录。分项能耗划分原则参考 DGJ 08-2068—2017《公共建筑用能监测系统工程技术标准》对能耗子项的定义。

2 建筑能耗分析

2.1 历年总电耗分析

对标的建筑物 2017—2020 年逐年的总电耗及其各分项用电的占比情况进行分析，所得如图1 所示。由图1 可知，空调用电历年均占到大楼总用电的 40% 以上，为大楼的头号用电类别；其次为特殊用电，占比约为 25%，随后为照明用电和插座用电，占比分别达 15% 和 12%。从绝对消耗量上来看，大楼的总电耗每年呈上升趋势，观察各分项用电逐年的绝对消耗量（图1 次坐标折线图）可知，空调用电与特殊用电的历年能耗呈现出较为明显的上升趋势，照明能耗除在 2020 年有所回落，此前各年也处于上升趋势，分析知原因为 2020 年学校较长时间处于疫情防控期，在校师生人数减少所致。

图1 历年电耗结构及各分项用电变化趋势图

2.2 逐月电耗分析

历年逐月总电耗变化趋势如图2 所示。由图2 可知，每年的能耗峰值均集中在 7—9 月，主要是因为该段时间属于大楼典型的制冷空调季，空调使用强度的提高使得该月份能耗显著提高。另外，纵向观察历年峰值点位 8 月份的情况，可知，历年的月度能耗峰值也呈现出明显的上升趋势。观察能耗谷值出现的时间，可知多集中在每年的 3—4 月，次谷值时间为每年的 10—11 月。分析可知：原因为这两个时间段恰为空调过渡季，空调使用强度低，对比两个过渡季的绝对消耗量，可知春季过渡期的电耗历年均要稍低于秋季过渡期的电耗（2017 年除外）。

图2 历年逐月总电耗变化趋势图

此外，选取典型年份 2019 年的分项电耗进行逐月分析，以便认识分项电耗与月份之间的变化关系，如图3 所示。由图3 可知，空调用电随月份变化呈现出的最为明显的相关性。8 月份峰值电量与过渡季的谷值电量可相差 2 倍多，特殊用电在 8 月份也呈现出小幅度的峰值，其他分项用电随月份变化不大，基本呈平稳态势。这两条曲线均与总量的变化曲线（图2）做了呼应。每月各分项用电量的比重位次除 11 月份外，其他月份均与年度衡量角度的结果相同，依次为空调、特殊、照明、插座和动力。

图3 典型年份（2019 年）各分项用电逐月变化情况

2.3 能耗强度分析

对历年的单位建筑面积年耗电量和人均年耗电量分别计算分析，如图4 所示。由图4 可知，标的物的这两项指标实际数据历年均分别在 120 kWh/(m2·a)以上和8 000 kWh/(人·a)以上；与《高等学校建筑合理用能指南》所给出的指标限值进行对比，本标的物在这两项指标上的表现极差，远远超出 DB31/T 783—2014 规定的 3 级限值水平［分别为 70 kWh/(m2·a)和 1 658 kWh /(人·a)］。推测原因，可能由于本建筑物虽为高校使用，但其内部功能业态较为多元，不属于典型的高校建筑，将其与典型的高校建筑指标进行类比，一定程度上有失妥当。根据 2017年度上海市公共能耗监测平台的数据分析[2]，其为综合建筑给出的能耗指导值为 124 kWh/(m2·a)，是当年入网所有建筑平均能耗—108 kWh/(m2·a)的 1.15 倍。由于后续年份仅可获知联网建筑平均能耗，未给出综合建筑的指导值[3-4]，因此，本文拟采用 2017 年度两者的比例（1.15倍）推定其他年份综合建筑的能耗强度，所得数据如图4中的参考线所示（图4 为空调用电二级子项的情况）。由图4 可知，基于该推断，标的物的能耗强度在 2017 年尚在指导值以内，后续年份陆续突破指导值，能效表现逐年下降。截至目前，尚未查得 2020 年度的联网建筑能耗分析数据，因此该年度的基准线暂时缺失。

图4 单位建筑面积年电耗与人均年电耗分析

2.4 二级能耗拆分

由前述可知，大楼 65% 以上的能耗集中在空调用电和特殊用电，为进一步认识其所辖的二级能耗子项的情况，对这两项能耗的二级子项进一步拆解分析，如图5 所示。

图5 历年空调用电二级子项结构以及其各单项变化趋势图

由图5 可知，空调末端（新风及水源热泵主机）的能耗占到空调用电的 60% 左右，成为空调用电二级子项中的头部类别，而循环水泵、冷却塔和冷热源主机的各自占比均在11% 左右，相差不大。观察各单项的变化曲线（图5 次坐标），可知，除空调末端设备能耗呈现上升趋势以外，其他子项能耗基本与往年保持平稳。从绝对消耗量上来说，冷却塔、空调输配系统以及冷热源主机 3 个子项的能耗历年也较为接近。

对特殊用电二级子项的情况进行逐年分析，如图6 所示。由图6 可知，数据中心的能耗每年均占该类别能耗的70% 以上，属于特殊用电子项中的头部用户，随后的占比位次（2017 年除外）依次为厨房用电（约 13%）、试验室用电（约 6%）、地下车库用电（4%）、安保中心用电（3%）和会议中心用电。观察各单项曲线的变化情况（图6 次坐标），可知其二级子项中，数据中心的用电呈现出显著的逐年上升趋势，是特殊用电总消耗量上升的主要原因。厨房设备由于 2020 年疫情控制的原因，开业时间受到影响，相应能耗有所回落，其他子项每年基本呈平稳状态。

图6 2017－2020 年特殊用电二级子项结构及其各单项变化趋势图

3 节能潜力分析及建议

3.1 空调系统

空调系统用电占到大楼总能耗的 40% 以上，而其二级能耗子项中，空调末端系统（即新风机组和水源 VRV 主机）的能耗又占 60%。分析原因，大楼屋顶带热回收功能的新风机组和楼层组合式新风机组相接驳的方式，前者风机虽为变频但并未与风管内的送风压力进行联动，未能根据实际用量及时对总风量进行调节，导致屋顶新风机不能及时捕捉楼层新风机启停数量的变化，进而损失掉变频可带来的节能潜力。此外，大楼有相当部分的新风采用与 VRV 室内机合并出风管的方式送出，导致在 VRV 内机未启动时，新风的出风效果大打折扣，过渡季节本可以利用新风冷却的便利资源，因为新风送出效果受到影响而失去了应有价值，使得末端用户不得不开启室内机以加强送风效果，相应也加大了水源 VRV 主机的使用强度，使得其能耗长期高位运行。

另外，大楼空调采用水源 VRV 热泵，室内控制面板有主/分面板之别，且分面板的模式伴着主面板模式的切换而随之调整；此种特性对空调系统的分区提出了严苛的要求，否则会导致大量不必要的能源浪费。如大楼空调未按照内外区进行划分，导致面对“西晒”（建筑物西向区域在夏季的下午会面临大量的日照直射，对室内温度的控制提出挑战）问题时，原本可处于通风模式的内区空调，由于同处一个群组下，而不得不随着主面板切换为制冷而随之切换为制冷，内区用户可以手动再恢复至通风模式，但往往在意识到问题之时已为时久矣，或索性置之不理，无意中增加了水源 VRV 主机的电耗。此外，会议室、办公室等不同功能区的空调被划在同一群组，如会议室由于瞬时人员密度的增加需要制冷，此时又会将与其同处一个群组之下的办公区空调也切换至制冷模式，办公人员在面对此类问题时不堪其扰，无暇他顾。

3.2 照明系统

大楼仅走道区域的照明纳入照明控制系统中，其余各功能区域内的照明均由末端面板自行控制，如教室、会议室。该类区域仍具备一定的公共属性，由用户通过面板进行控制的方式在管理上有一定的粗放性，在可能的情况下应增配人体感应照明模块，以保证房间空置时及时关闭照明。同时，多数教室都有大面积的临窗区域，因此临窗区域的照明采用光感控制也极为必要。照明系统优化空间梳理如下。

（1）大楼公共区域的照明已采用 LED 灯具，但大量的功能区内的光源仍为荧光灯，此类光源的改造会有可观的节能效益。

（2）楼梯间转角处照明和踏步上方（应急）照明，均为 24 h 常亮，可将转角处的普通照明设为声控感应功能的照明，减少长明灯的存在。

（3）公共区域靠近外窗处的照明，未借助自然光线资源进行室内照明。应配置照度感应功能的照明，应控制系统以减少人工照明。

（4）核心筒内卫生间照明未纳入照明控制系统，由后勤人员手动定时管理的方式亦出现疏漏。宜为此区域的照明增配时钟控制功能。

3.3 插座用电

插座用电主要取决于用户末端的用电行为。除常规的办公用电取自插座以外，部分科研设备仪器也取自插座。这部分的节电空间完全取决于末端用户的行为意识。基于插座用电的特点，建议大楼可定期开展节能巡检，对公共区以及用户区的用电行为进行抽检，尤其是针对用户自行配置的小电器（如空气净化器、取暖油汀等），及时督导其在使用过程中落实行为节能。

3.4 动力系统

大楼动力分项用电主要在于电梯能耗。目前大楼所有电梯均为全天候 24 h 待机，即使在夜间时段，大楼进出人员较少，所有电梯及其轿厢照明仍处于全负荷待机状态，存在较大的节能优化空间。查其原因，大楼电梯系统缺少休眠模块，无法在低使用频次时进入自我休眠以节约待机能耗，从长期使用的角度建议电梯增配该功能。

3.5 特殊用电

由于数据中心的特殊性，内部设备的使用和管理相对独立，其内部的基础环境控制亦由用户自行调节，设施运维团队仅可监测其总能耗，未能对其内部的空调运行施行精细化管理，对实施统一的用能管理带来不便。建议设施团队每月对数据中心的总能耗进行同比和环比分析，通过月报的形式告知责任用户，以便激励其自主进行能耗管控。关于厨房设备的能耗，其与供餐量也有密切关系，但对厨房人员的行为节能意识加强培训和督导，仍应是长期不懈的工作着力点。

试验室区域的用电子项除涵盖其专有设备的负载，还包括试验室配置的自有空调，因此其能耗具有一定的季节性特征。由于试验室对其内部环境的温湿度有相对较高的要求，且其自有送排风机均设置了变频机组并与风管静压联动，因此本次评估认为该区域在设备运维上的节能空间相对有限。地下车库分项虽在特殊用电类别中占比很小，但据现场勘察，车库区域的照明存在较大的节能空间，部分未开放的车库区域仍如开放区域一样，照明全负荷 24 h 供应。照明回路虽有区分车位照明和车道照明，但实际运营并未进行利用，需加强对工程运行方案的精细化管理。

4 结 语

节能运维是楼宇在运维阶段的重要任务。本文通过标的建筑物的分项计量大数据进行细致分析，对标的建筑物后续的节能运行给出了针对性的方向和切入点。大楼用电分项中，空调用电与特殊用电合计占据了总用电量的 60% 以上，而空调末端用电和数据中心用电又分别作为两者的二级能耗子项的主体，在其用电分项中占据着重要位置。空调系统的原始设计为空调末端的节能运行设置了诸多挑战，需要后期运维人员以及终端用户的通力协作，方可实现节能运维的应有之义。数据中心的精细化管理需突破用户主体之间的壁垒，引入激励机制，以贯彻全面的节能运维。

与公共能耗监测平台的大数据相比，标的物近年的用电能耗强度一直处于高位水平，存在极大的节能必要性。自动化控制手段的不完善和用户行为节能意识的淡薄，均是大楼实施节能运维的突破点。