基于合同能源管理模式的既有公共建筑用能系統節能改造與評估

常儇宇

（昆山市建設工程質量檢測中心，江蘇 昆山 215337）

能源緊缺是目前國際臨的首要問題。“十三五”建筑節能和綠色建筑發展專項規劃提出要深入開展既有公共建筑能效提升。清華大學建筑節能研究中心發布的《中國建筑節能年度發展研究報告 2020》顯示，2018年我國建筑面積總量約601億 m2，其中公共建筑面積128億 m2，民用建筑建造能耗為 0.177 億 GJ，約占全國能耗的 11%，建筑運行的化石能源消耗相關的 CO2排放為21億 t，公共建筑碳排放占比為 30%。由此可見，隨著公共建筑規模的增長及平均能耗強度的增長，公共建筑的能耗已經成為中國建筑能耗中占比最高的一部分。相對于居住建筑而言，公共建筑體量大、用能系統復雜且管理難度較大，故而公共建筑能耗是關系整個國家節能減排順利實施的重要因素[1-3]，公共建筑節能改造大有可為。

在傳統的節能投資方式下，節能改造的投資風險和所有收益都由實施節能投資的用戶承擔，但在合同能源管理方式中，用戶自身對節能項目無須大量投入，由此，用戶的接受程度較高。合同能源管理模式起源于發達國家，在國外應用較為廣泛。其是由節能服務公司與用戶簽訂能源管理服務合同，為用戶實施和管理節能項目，通過節能效益回收投資、獲得合理利潤，并在合同完成后將節能項目無償交付給用戶使用的服務方式，也是目前政府大力提倡和推廣的一種既有建筑節能改造市場化模式[4]。

相比發達國家，我國現階段合同能源管理仍處于起步階段。本文以實際改造工程為例，對采用合同能源管理方式的既有公共建筑用能系統節能改造案例進行分析和評估，以期為公共建筑改造模式和改造方案的選擇提供參考。

1 改造項目簡介

項目為酒店建筑，總體建筑面積為10800 m2，建造于2010年，為框架剪力墻結構，擁有1個宴會大廳、9個大小包間、2個會議室、147 間客房。其中，地上 1～2 F 為酒店宴會廳、包廂等，3～7 F 為酒店客房，地下1F 為車庫。項目節能改造于2018年11月開始正式實施，于2018年12月完成相關改造項目。

1.1 外圍護結構

外墻采用30mm 厚 EPS 外墻外保溫系統，屋面保溫材料采用65mm 厚 XPS 板，外窗采用6LOW-e +9A +6斷橋隔熱鋁合金窗。

1.2 空調通風系統

酒店空調系統冷熱源采用2臺風冷冷水（熱泵）機組，置于酒店屋頂，型號為 KCA1130AR，制冷量 451.1 kW，制冷功率 142.3 kW；制熱量 523.3 kW，制熱功率 138.6 kW。平時開啟1臺即可滿足要求，高峰期間需開啟2臺主機。空調系統共采用3臺冷凍水泵，流量為 91.2 m3/h，揚程 28.8 m，功率 11.0 kW。

1.3 生活熱水系統

酒店生活熱水由2臺常壓熱水鍋爐制取，鍋爐供熱量分別為 233.0 kW、348.0 kW。鍋爐配有4臺熱水泵，功率為410W，另配1個15t 熱水箱。

1.4 照明系統

酒店大堂、餐廳、客房、走廊及地下車庫等主要采用筒燈、T8熒光燈、白熾燭泡燈、螺口節能燈、鹵素射燈等大量高能耗燈具。

1.5 供配電系統

酒店供配電系統的三相電壓偏差、三相不平衡率、電壓諧波奇次畸變率等均未超過 DGJ 32/TJ 127—2011 《既有建筑節能改造技術規程》標準中的限定值，滿足國家標準要求。酒店雖然安裝了部分電表用于日常管理，但其均為老式電表，需采用人工抄表的方式進行數據記錄，不支持數據遠傳。且酒店未按照空調、照明、特殊、動力的用電類型進行分項計量，未進行電量監測與控制。

2 改造方案

建筑在圍護結構設計時參照 GB 50189—2005《公共建筑節能設計標準》，按照節能率為 50% 設計，外保溫系統及門窗構造均維護完好，且滿足節能要求。因此此次改造不考慮圍護結構。沈旸等對常見節能技術進行了統計，并選取了來自不同氣候區的三座典型城市（上海、北京、廣州），通過能耗模擬軟件建立基準模型，與實測數據相差不到 10%，可信度較高，模擬結果給出建議。若建筑圍護結構的熱工性能已滿足節能標準，則改造潛力微乎其微[5]。

此次改造中，空調通風系統是主要目標。商宇軒研究發現賓館建筑的單位面積能耗指標分別達到 134.0 kWh/(m2·a)，其中空調系統能耗分別占 50.6%，無論指標還是空調系統占比均處于較高能耗水平。對于節能改造效果而言，總體上空調系統優于生活熱水供應系統、優于外圍護結構[6]。空調系統主要影響因素有主機 COP、冷水進出口溫度、水泵效率等。楊美林選取夏熱冬冷地區商業綜合體建筑進行研究，提出若干節能措施，如水系統大溫差運行技術、變風量送風技術、排風熱回收技術、冷卻塔免費供冷技術以及集中冷熱源技術等[7]。唐浩等以100余棟實際公共建筑的節能改造項目為基礎，總結了各項節能改造技術并分析各自的節能改造效果，在改造進程中，將照明插座系統以及空調制冷系統置于首位，供配電系統以及動力系統次之[8]。

考慮項目自身特點和改造效益比，項目的節能改造主要包含空調系統節能改造、生活熱水系統節能改造、照明系統節能改造、可再生能源利用節能技術改造及能耗監測與節能物管。此次改造前后能源節約比例目標為 24%，全年節約能耗為 6.142 GJ。

2.1 空調系統節能改造

2.1.1 風冷熱泵主機霧化降溫節能技術

酒店空調系統采用2臺風冷冷水（熱泵）機組，配備3臺循環水泵，水泵與主機可根據負荷情況自由組合。酒店供冷期為5月至10月，年平均運行152d；供暖期為11月至次年3月初，年平均運行121d。風冷冷水（熱泵）機組制冷時，冷凝器散熱存在以下問題。① 在高溫天氣運行時，為了向環境中散熱，壓縮機不得不提高排氣溫度與壓力，導致壓縮機耗電量增加、風冷機組能效下降。② 多臺散熱器同時運行時，易形成“熱島”效應，進一步惡化機組運行工況。

改造方案為對酒店原有空調機組翅片換熱器進行清潔、保養和維護，主機增加霧化降溫節能系統。其優勢主要如下。① 高速電機使得噴口產生“微霧”，擴大散熱面積，增強相變散熱能力。② 降低并穩定冷凝溫度，恢復并提高空調室外機，特別是高溫工況下的散熱能力，節能效果顯著。③ 徹底解決壓縮機高壓保護，確保空調主機安全運行，并可以延長使用壽命。④ 整個安裝過程不會對現有設備和機房造成任何影響與破壞，而且當霧化節能設備出現故障時，空調系統仍然能夠按照改造前的狀態運行。⑤ 對風冷熱泵機組的翅片進行定期清潔和保養，可以延長機組使用壽命。⑥ 以明顯減少風冷機組的維護及維修成本，經濟效益顯著。

2.1.2 增設基于負荷隨動的循環水泵變流量控制系統

酒店共有3臺空調循環水泵。經過現場檢測和診斷，酒店冷熱負荷隨季節或使用情況變化較大，而循環水泵無變流量控制功能，無法隨系統負荷以及外界溫濕度的變化而進行自動調節，導致系統長期處于“大流量、小溫差”的運行狀態，存在能量浪費問題。

改造方案為對空調循環水泵增設基于負荷隨動的變流量控制系統，其核心控制策略是溫差結合壓差控制，同時確保主機流量保護。即通過現場測試找出系統中最不利工況點所需的壓力，設定主機不同開啟臺數的冷凍水流量保護值，并以同時滿足最不利工況點所需的壓力以及主機冷凍水流量保護值這兩個條件作為循環水泵變頻的下限值。在兩個條件都滿足的情況下，以冷凍水實際供回水溫差與設計供回水溫差的偏離值作為依據，實時調整水泵的運行參數，使實際供回水溫差與設計供回水溫差趨于一致，實現在主機安全運行、滿足使用要求的前提下，輸配系統能耗最低。

2.2 照明系統節能改造

酒店內 3.5 寸筒燈、6 寸筒燈、螺口節能燈、MR16鹵素射燈、白熾燭泡燈、1.2 m T5熒光燈帶、0.6 m T8熒光燈、1.2 m T8熒光燈等高能耗燈具，未更換為高效節能 LED 光源，且部分區域燈具光衰嚴重，照度值不滿足國家照明標準。

改造方案為采用高效節能 LED 燈對酒店照明燈具實施改造。LED 燈具有質優、耐用、節能等主要特點，故而采用 LED 燈具既可滿足酒店要求，又可大幅降低照明能耗。

2.3 可再生能源利用節能改造

酒店現有生活熱水的熱源為2臺燃氣熱水鍋爐，酒店生活熱水用量大，燃氣消耗量大，熱水成本較高。酒店樓頂有可利用空間，且采光條件好，樓頂符合增設太陽能熱水系統的承重標準。

改造方案為在酒店樓頂增設28組真空管式太陽能集熱器，單臺集熱器規格為Ф58×2100 × 30，總集熱面積為 202.6 m2，設計日產水量為12t，為酒店提供部分生活熱水。同時，燃氣鍋爐作為輔助熱源，當太陽能熱水系統提供的水溫不能滿足要求時，再經燃氣鍋爐加熱提供生活熱水。

2.4 能耗監測與節能物管

在能源管理方面，項目增設了能耗監測與節能物管，實現了用能的實時監測和統計，方便運行管理。對酒店配電系統各饋線回路增加分項計量裝置，按照空調、照明、動力、特殊四大分項安裝智能化遠傳數字電表，通過智慧能源數據采集器對能耗數據進行實時采集與傳輸，并通過用電能監測系統進行實時監測。基于能耗監測平臺上的能耗仿真、數據挖掘、考核評價、輔助決策、能耗定額等功能，制定行之有效的節能管理策略。并以此作為能源管理和節能物管的基礎。

3 評 估

酒店合同能源管理項目于2017年4月立項，2018年11月開始實施，于2018年12月完成相關項目改造。通過能耗賬單分析，得到 2016～2019 整年及2020年1～6 月份的能耗情況。從改造項目進度來看，以2018年1月～2018年12月底為節能改造前的計算周期，并以此計算節能改造前的能耗基準。以2019年1月到2019年12月底為節能改造后的計算周期，并以此計算節能改造后的能耗數據。

3.1 改造前后總體耗能情況

項目2016～2020年耗電情況折線圖如圖1所示，改造前后耗電情況對比圖如圖2所示。項目 2016～2020年耗天然氣情況折線圖如圖3所示，改造前后耗氣情況對比圖如圖4所示。

圖1 項目2016年～2020年耗電情況折線圖

圖2 改造前后耗電情況對比圖

圖3 項目 2016～2020年耗天然氣情況折線圖

圖4 項目改造前后耗氣情況對比圖

3.2 評估

3.2.1 經濟效益評估

根據以上數值可知，2018年1月至2018年12月共消耗電量為1951387kWh，消耗天然氣量為92614 m3；2019年1月至2019年12月共消耗電量為1443705kWh， 消耗天然氣量為74786 m3。改造后年節省電量為507681 kWh，年節約天然氣量17828 m3。當地物價局商業電價格為 0.6715元/kWh，天然氣價格為 3.235 元/m3，年節約費用為 0.6715×507681＋3.235 ×17 828＝398 581.37 元，約 39.9 萬元。

根據節能改造方案，本項目改造總投資約 172.5 萬元。根據上述節能改造前后運行費用分析，本項目改造后年節約費用約 39.9 萬元。本項目靜態投資回收期約 4.33 a。

3.2.2 環境效益評估

根據2018年及2019年兩年用電與耗汽量，換算成能源量分別為 25.809 GJ（756.42 tce）和 19.354 GJ（567.24 tce），改造前后能耗節約量為 6.455 GJ（189.18 tce），節約比例為 25.01%。

根據項目全年常規能源替代量的計算結果，該項目的全年常規能源替代量為 6.455 GJ（189.18 tce），換算成 CO2、SO2及粉塵減排量如表1所示。

表1 CO2、SO2 及粉塵減排量

3.3 評估結果

通過改造前2018年及改造后2019年前后用能對比，得出改造后每年費用節約 39.9 萬元，改造前后能源節約比例為 25.01%，全年常規能源替代量為 6.455 GJ，完成了年節能量 6.142 GJ、節約能源比例 24% 的改造目標。CO2減排量 467.28 t/a、SO2減排量 3.78 t/a、 粉塵減排量 1.89 t/a，符合 DGJ 32/TJ 127—2011 《既有建筑節能改造技術規程》的改造要求。

4 結語

（1）公共建筑節能改造資金數量大、項目施難度大、維護困難，合同能源管理模式可以很好地解決這些困難，大幅降低了用戶的投資和運營風險，從而更好地推動公共建筑節能改造項目的發展，是今后節能改造主要的推廣模式。

（2）節能改造技術的選擇需根據項目自身情況定奪。如在圍護結構基本達標并運行維護情況較好的前提下，因其投入與節能效果相比效益較低，不推薦選擇。圍護結構的改造主要為外墻、屋面、外窗保溫以及加裝遮陽設施等，改造時根據項目實際情況加以選擇。

（3）空調通風系統的節能改造技術還有新風免費供冷、排風熱回收（包含顯熱回收和全熱回收）、冷卻塔風機變頻、冷卻塔直接供冷、空調熱源應用熱泵等技術可以選擇。

（4）生活熱水供應系統中還可以采用變頻水泵、熱泵及冷凝熱回收機組代替燃氣熱源等節能改造形式。

（5）供配電與照明系統中，除采用節能燈具替代外，電梯自動控制、設備無功補償等節能改造技術也是較好的選擇。

（6）能耗監測與綜合能耗管控裝置應加強維護，有效運行，從而實現精準控制。