建筑用能的累計值與負荷值
——節(jié)能與經(jīng)濟性應用研究

博銳尚格科技股份有限公司 彭 琛深圳市建筑科學研究院股份有限公司 郝 斌 孫冬梅

0 引言

隨著建筑部品和能源利用技術(shù)的發(fā)展，提高系統(tǒng)或設備的某項效率和性能所帶來的節(jié)能效果越發(fā)有限。例如，相對于10年前，空調(diào)能效或圍護結(jié)構(gòu)保溫性能提升空間有限，而節(jié)能設計、運行與評價越來越需要從能源系統(tǒng)和建筑兩方面進行綜合考慮。在我國北方，實現(xiàn)區(qū)域供暖節(jié)能，不僅要求建筑物性能提升，還要考慮提高熱源側(cè)效率和減少輸配過程中的熱量損失[1]。從能源系統(tǒng)看，電力供應面向工業(yè)、交通和建筑等領域各終端用能用戶，以往建筑用電節(jié)能較少涉及到電力生產(chǎn)、輸配和存儲問題。然而，隨著光伏、儲能和直流供電等技術(shù)與建筑用電結(jié)合日益緊密，對建筑的供用電系統(tǒng)整體設計與評價越發(fā)必要。

從2001年到2017年，電能在建筑終端能源消費總量中的占比從23%增長到43%[2]，一方面是電力逐漸取代煤、天然氣等化石能源直接用于炊事、生活熱水供應等；另一方面，家用或公共建筑電器設備的數(shù)量增加和種類豐富，也使得建筑用電量比例增長。同時，由于建筑性能和設備效率提升，空調(diào)供暖能耗增長明顯低于其他終端用能的增長，在建筑用能中的比例下降。

建筑供用電系統(tǒng)主要采用累計用電量(單位為kW·h)和用電負荷(單位為kW)2個指標進行統(tǒng)計和評價。在建筑節(jié)能設計和評價相關標準中，常以能耗值(kW·h)作為關鍵指標，以GB/T 51161—2016《民用建筑能耗標準》[3]為例，對公共建筑、北方城鎮(zhèn)供暖和城鎮(zhèn)住宅都給出了相應的能耗約束指標，單位為kW·h[4]，但未涉及到單位為kW的指標；在GB 50189—2015《公共建筑節(jié)能設計標準》[5]和JGJ 26—2018《嚴寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設計標準》[6]中，強調(diào)提高圍護結(jié)構(gòu)性能，旨在減少建筑能耗，并對變壓器的經(jīng)濟性提出要求。在北京市的地方標準DB 11/687—2015《公共建筑節(jié)能設計標準》[7]中，要求變壓器負荷率設計值宜在60%～80%范圍內(nèi)，也是從負荷指標(單位為kW)經(jīng)濟性影響出發(fā)。而在諸多關于建筑的能耗與能效評價作用的討論[7-10]中，并未考慮負荷指標(單位為kW)在節(jié)能中的作用。

那么，從整個能源供給與消費系統(tǒng)來看，建筑用電負荷指標對節(jié)能和經(jīng)濟運行有什么影響，是否應該將電負荷指標納入到節(jié)能管理中，如何進一步提升能源系統(tǒng)和建筑整體的節(jié)能效果和經(jīng)濟性，本文從建筑供用能系統(tǒng)角度進行討論。

1 負荷指標對建筑節(jié)能和經(jīng)濟的影響

本文討論的建筑用能指標，指的是建筑用電負荷，即設計或?qū)嶋H運行時瞬時的功率；對應用能的累計值指的是一定時間范圍內(nèi)運行累計用電量。兩者的關系可以表示為

Q=Q0τ

(1)

式中Q為累計負荷，kW·h；Q0為負荷，kW；τ為時間，h。

1.1 供需平衡與選型偏大

建筑能源系統(tǒng)包括用能和供能兩部分。用能側(cè)主要是各類機電設備，包括照明燈具、空調(diào)、電梯、水泵等；供能側(cè)包括發(fā)電和輸配電設備。電力來源主要是電網(wǎng)。供用電的平衡關系可以表示為

Sd=Uj+Lx

(2)

式中Sd為電網(wǎng)向建筑的供電量；Uj為機電設備用電量；Lx為建筑中各種線路電力損失。

由于考慮了最不利天氣和保障能力，集中空調(diào)系統(tǒng)經(jīng)常被認為容量選型過大。夏季空調(diào)運行大多在低負荷下，機組效率低，造成能源浪費。空調(diào)設備容量選大，會影響建筑配電容量的選擇，使得配電容量偏大。由于空調(diào)系統(tǒng)容量選擇偏大，制冷機實際開啟臺數(shù)少于設計值，制冷機負荷率低，空調(diào)系統(tǒng)效率也偏低；由于空調(diào)供暖系統(tǒng)中機電設備容量選型偏大，建筑配電容量也就大大超出實際需求量。

確定建筑配電容量時，通常需要統(tǒng)計各個用電設備的負荷，當配電容量大于一定量時，需要安裝無功補償器，以補償無功功率、降低線損，減小發(fā)、供電設備的設計容量等。由于建筑用電負荷晝夜變化很大，如果配電變壓器選型過大，容易出現(xiàn)欠載運行的問題，使變壓器和電動機的效率降低，功率因數(shù)低，就會造成能源浪費。由此來看，負荷指標(以kW為單位)是影響建筑節(jié)能效果的重要因素。

從電力系統(tǒng)整體看，由于用電側(cè)選型偏大導致配電系統(tǒng)偏大，還將引起以下問題。

1) 用電側(cè)。通常配電容量越大，配電系統(tǒng)的初投資越大。在運行過程中電費包括兩部分：一部分是電表電費，按用電量收取；另一部分是基本電費，按月收取，與最大需電量和變電器容量正相關。

以某商業(yè)綜合體項目為例，建筑面積約10萬m2，變壓器容量選擇為12 000 kV·A，配電初投資約為1 800萬元(每kV·A有250元變壓器本體費用+1 130元外線費用+120元的多回路容量費)；按照項目所在城市的變壓器容量月收費標準22.68元/(kV·A)計算，每個月需收取27.2萬元變壓器容量費。如果在容量設計時優(yōu)化20%，初投資可節(jié)省360萬元，以20 a壽命期計算，運行成本可節(jié)省1 306萬元，共計可節(jié)省1 666萬元。

2) 供電側(cè)。一定區(qū)域內(nèi)的建筑配電容量，也將影響該區(qū)域電網(wǎng)的設計容量，進而影響區(qū)域配置電廠的容量。為了滿足不斷增加的用電側(cè)容量，只能不斷新建發(fā)電廠，增加了電廠投資和相應的土地、能源和各類資源的消耗，也增加了運行過程中的損耗成本，這也是收取容量費的原因。

從系統(tǒng)角度看，容量選擇影響用電和供電兩側(cè)的經(jīng)濟性，實際也反映對各類資源消耗的影響。

1.2 建筑用電負荷波動峰谷差大

工業(yè)用能，尤其是鋼鐵、水泥等生產(chǎn)用能，在一定周期內(nèi)需求相對穩(wěn)定，對于電網(wǎng)負荷容量沖擊不大；而建筑用電具有多個波動周期的特點：白天與夜晚、工作日與節(jié)假日、四季變化等波動，且波動幅度較大。例如：辦公建筑用電時段大多在09:00—18:00，節(jié)假日全天用電較少；居民家庭用電伴隨居民在家活動時間，用電負荷多在工作日的晚上和節(jié)假日全天。

建筑配電容量選擇通常是考慮極端條件下的空調(diào)負荷，公共建筑中空調(diào)系統(tǒng)的設計負荷通常占建筑系統(tǒng)負荷的40%～50%。夏季，建筑中空調(diào)負荷較大，戶用或公共建筑空調(diào)大多采用電驅(qū)動，且隨著氣溫升高，建筑空調(diào)用電負荷會顯著增大(開啟空調(diào)的居民家庭數(shù)量、空調(diào)運行功率都會增大)，南方地區(qū)許多城市夏季停電重要原因是空調(diào)負荷過大[11-12]。冬季，北方地區(qū)建筑供暖用能需求較大，通常由區(qū)域集中供暖(熱力站或鍋爐房)燒煤或天然氣制備熱水滿足，“煤改氣”促進一批戶式燃氣壁掛爐的應用，也出現(xiàn)了因能源供應能力產(chǎn)生的問題[13]；一些北方清潔取暖項目，推動電供暖也增加了冬季的用電負荷。在春秋季，建筑通常沒有空調(diào)和供暖需求，用電負荷相對小很多。

由于建筑用電波動幅度大且建筑物數(shù)量大，難以統(tǒng)一調(diào)節(jié)控制，春秋季和冬夏季的負荷差別顯著，對于建筑而言，是減少空調(diào)和供暖設備開啟的問題；對于供電側(cè)而言，是大量發(fā)電設備閑置的問題，2018年全年發(fā)電時長僅為3 862 h(占全年時間的44%)[14]。為了滿足高峰時段用電需求，興建的一些電廠設備效率較低，但為了維持經(jīng)營，不得不保障其一定的發(fā)電時長，從而導致發(fā)電效率偏低。

從建筑用能的波動性來看，跨季節(jié)的峰谷負荷差別顯著，是造成全網(wǎng)發(fā)電時長偏低、發(fā)電側(cè)效率偏低的重要原因。

1.3 以kW為單位的指標的重要性及其他表現(xiàn)

1) 電能屬于高品位能源，以kW為單位的負荷指標考慮了做功能力。

建筑中用能需求主要包括電和熱，熱力主要用于炊事、供暖和生活熱水的制備，電能則可以作為建筑中所有用能設備的能源。從能源使用的品位來看，電能屬于高品位能源，制備1 kW·h電需要消耗約2.5 kW·h熱值的天然氣(天然氣的單位為m3,以發(fā)電效率40%計算)。在進行能源消耗總量統(tǒng)計時，宜將其與燃氣、熱力等能源的累計值區(qū)分開來，然而，實際工作中常常將電能按熱量與燃氣、熱力的耗熱量直接相加，忽視了電力作為高品位能源在生產(chǎn)過程中損耗大量熱量，且做功能力有著顯著差別(光伏、水電等除外)；此外，由于建筑用電是一個動態(tài)變化過程，在有多種供能類型時，優(yōu)先采用可再生的光電、水電能源或低品位的能源保障基本需求，用高品位能源滿足變化較頻繁的用能需求，也能起到節(jié)約能源、減少碳排放的效果，這個動態(tài)變化需求指標的單位為kW。

2) 電力現(xiàn)貨市場中，將kW為單位的指標與電價掛鉤。

2015年開始的第三次電力體制改革，將“有序放開輸配以外的競爭性環(huán)節(jié)電價，有序向社會資本開放配售電業(yè)務”，建設電力現(xiàn)貨市場，將實現(xiàn)“降低電力成本、理順價格形成機制，提高能源利用效率，提高安全可靠性，促進公平競爭、促進節(jié)能環(huán)保”作為目標。

在將電力負荷曲線作為報價依據(jù)，中長期協(xié)議價格結(jié)合日前市場節(jié)點電價、實時市場節(jié)點電價等作為電力雙方結(jié)算依據(jù)的情況下，一方面，將迫使能效低的電廠提高發(fā)電效率、降低成本，提升發(fā)電側(cè)整體效率；另一方面，也會促進用電側(cè)加強用電負荷管理，提高實施用電功率預測和控制能力，以節(jié)省購電成本。

與工業(yè)用電相比，建筑用電負荷變化波動對電網(wǎng)實時負荷控制影響更大，增加參與到市場交易的公共建筑用戶，重視用電負荷的管理，既是響應電力體制改革，實現(xiàn)能源系統(tǒng)發(fā)電效率提升的保障，又是節(jié)省建筑用電購電成本的一項必要舉措。

3) 光伏發(fā)電與建筑用電需求曲線的關系。

可再生能源發(fā)電主要包括光伏發(fā)電、風力發(fā)電和水力發(fā)電等。其中，光伏發(fā)電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徑之一。光伏發(fā)電提高建筑中光伏發(fā)電使用量，需要考慮光伏發(fā)電曲線與建筑用電曲線的關系。

充分考慮建筑用電負荷曲線的特點，將光伏發(fā)電曲線、建筑用電負荷曲線，以及儲能裝置的剩余電量和容量相結(jié)合，在考慮儲能裝置充放電損失的前提下(建筑中用電輸配的損失較小)，最大程度利用光伏發(fā)電量，實際也是減少了由電網(wǎng)提供的以火電為主的電能，實現(xiàn)了節(jié)能。

4) 建筑電氣化趨勢明顯，負荷設計要求更高。

由于電能使用方便、清潔、無污染(使用過程)和調(diào)節(jié)靈活，在建筑能源使用構(gòu)成中比例越來越高，建筑用能電氣化趨勢表現(xiàn)在以下幾方面：第一，城鎮(zhèn)住宅中炊事和生活熱水用電的比例越來越高，農(nóng)村住宅中生物質(zhì)和煤的用量持續(xù)減少，逐漸被電取代；第二，電器數(shù)量和種類越來越多，家庭用電量持續(xù)增加，空調(diào)供暖標準提升，用電負荷也將顯著增加；第三，商業(yè)及公共建筑的體驗式服務和消費提升，建筑用電需求進一步增加。根據(jù)國家統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)可知，相比2000年，2017年建筑領域人均用電量增長了近6倍，總量增長近1萬億kW·h[15](見表1)。隨著智能家居的推廣，建筑電氣化程度將進一步提升。

表1 建筑用電發(fā)展 億kW·h

電氣化程度提升，意味著更大的用電需求，在設計環(huán)節(jié)面臨的場景將更復雜，更容易造成容量選擇過大帶來的經(jīng)濟性和節(jié)能性問題。

2 負荷指標的節(jié)能設計與運行

2.1 建立以kW為單位的負荷指標導向的設計與運行標準

在GB 50189—2015《公共建筑節(jié)能設計標準》中，與建筑負荷設計相關的內(nèi)容出現(xiàn)在電氣章節(jié)，對于供配電部分主要從變配電與用電和供電關系角度提出選型和位置要求等。

根據(jù)前面討論，應該對建筑整體用電負荷指標(以kW為單位)有規(guī)定，例如，要求建筑運行負載率(用η表示)達到一定的指標值。設計時，配電專業(yè)設計人員應考慮充足的調(diào)節(jié)能力，避免實際運行時出現(xiàn)出力不足的問題。尤其是推行設計師終身責任制后，對于設計負荷冗余問題，更需要從標準規(guī)范、評價制度等方面綜合考慮。

選擇合理的設計負荷，需要借鑒實際項目運行情況，借助現(xiàn)有數(shù)據(jù)基礎優(yōu)化設計工作方式和產(chǎn)出。在設計階段，可以通過對比同地區(qū)同類型建筑的實際用電負荷情況進行評價，如果設計配電容量過大，需要給出充分的說明；不能給出充分理由的，應調(diào)整配電設計容量，反要求空調(diào)、照明、電梯等各類機電系統(tǒng)進行精細化設計，避免因各種安全系數(shù)導致設備選型過大。在運行階段，針對長期處于低負荷率運行的建筑，應從各類機電設備選型、配電容量設計等方面進行校核，負載率過低、不符合節(jié)能設計要求的，進行公示；借助能耗監(jiān)測大數(shù)據(jù)，不斷優(yōu)化負荷選型設計，使變壓器的實際負荷率達標。

通過加強設計階段對以kW為單位的負荷指標的管理，有助于減少建筑配電初投資及運行過程中的電能成本，提升空調(diào)系統(tǒng)的運行效率，降低運行能耗；同時，降低區(qū)域變配電站的容量要求，有助于供電側(cè)的能源節(jié)約。

2.2 積極利用光伏+儲能技術(shù)

隨著光伏發(fā)電成本的大幅下降[16]，建筑光伏技術(shù)應用項目將越來越多；另一方面，儲能電池可解決用電負荷波動與光伏發(fā)電量波動、不同時段峰谷電價的供應調(diào)節(jié)問題，有助于盡可能增加可再生能源利用量，節(jié)省電費，也將有較大的應用潛力。光伏+儲能技術(shù)還能解決建筑配電容量跟不上用電峰值負荷增加(老舊住宅中時有發(fā)生)，以及區(qū)域變電站容量限制(城市核心區(qū)加裝電動汽車充電樁會遇到)問題，未來將會有很大的應用空間[17]。此外，建筑直流供電技術(shù)的發(fā)展，儲能和光伏技術(shù)整體效率提高，更有利于節(jié)能[18-20]。考慮上述情況，建筑中供用電存在以下關系：

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

(3)

式中Sg為建筑物光伏發(fā)電量；Sc為儲能電池供電量；Uc為儲能電池存電量；Us為建筑物光伏發(fā)電上網(wǎng)電量；Lq為光伏發(fā)電棄電量。

在充分利用儲能和光伏技術(shù)條件下，建筑的配電容量設計有更大的彈性空間，有助于降低設計容量；在運行階段，通過優(yōu)化充放電策略，充分利用光伏發(fā)電，有助于節(jié)省運行電費。圖1顯示了某光伏+儲能用戶項目電力負荷曲線。

注：縱坐標負值指儲能的實際充電功率。圖1 某光伏+儲能用戶項目電力負荷曲線示意

實現(xiàn)儲能電池和光伏技術(shù)應用的節(jié)能目標，需要對各部件運行策略進行精細化調(diào)節(jié)控制，運行策略時刻關注的是以kW為單位的負荷指標值，這同樣表明，要實現(xiàn)建筑節(jié)能，需要將建筑負荷作為一項核心指標。

2.3 建立能源管理平臺動態(tài)跟蹤

從大量工程實踐來看，能源管理系統(tǒng)是支持建筑精細化運行效果的有效手段，其中，建筑用電負荷(以kW為單位)是支持深度挖掘節(jié)能措施、實現(xiàn)全過程節(jié)能的重要指標。

對于大型公共建筑，運行管理人員面對的是成千上萬個用電設備，以及大量的傳感器和控制器。在實際工程中，常常存在以下問題：

1) 由于設備系統(tǒng)的傳感器或控制器出現(xiàn)故障，設備不能得到有效控制，長期運行導致能源浪費；在實際工程中，由于設備數(shù)量眾多，輸送和施工安裝中難免會磕碰個別設備，不能保障設計預期的效果，也造成了能源浪費。

2) 運行管理人員工作疏忽，未能及時調(diào)節(jié)諸如空調(diào)末端、空調(diào)箱閥門等部件，導致系統(tǒng)效率低，或者能源浪費。

3) 由于二次裝修、空間功能調(diào)整等，造成線路調(diào)整或設備失控，不能正常調(diào)節(jié)，導致能源浪費。

此時，建立能源管理平臺，并設置專業(yè)技術(shù)人員跟蹤評估負荷值，才能及時發(fā)現(xiàn)由于設備或控制器的故障、管理疏忽、二次裝修等造成的能源浪費問題。如果僅僅分析能耗總量值，難以發(fā)現(xiàn)上述問題，并且也不能及時止損。因此，建立能源管理平臺，對以kW和kW·h為單位的負荷指標動態(tài)跟蹤和智能化評價，能達到顯著的節(jié)能效果。

3 結(jié)論

1) 從建筑用能需求側(cè)看，建筑用能負荷的波動性大，用電設備種類和數(shù)量越來越多，可再生能源利用技術(shù)深度發(fā)展，以kW為單位的建筑負荷在節(jié)能工作中越來越重要。

2) 在建筑設計和運行階段，應重視建筑配電系統(tǒng)負載率，采用精細化設計；積極采用光伏+儲能技術(shù)，增大配電容量設計的彈性，優(yōu)化運行過程中的控制策略；同時，建立能源管理平臺，以kW為單位的負荷指標支撐精細化運行管理等措施，都將有助于建筑能源系統(tǒng)取得經(jīng)濟和節(jié)能收益。

3) 從能源供應側(cè)看，全年發(fā)電時長偏低，整體發(fā)電效率較低。電能屬于高品位能源，隨著電力改革朝電力現(xiàn)貨市場發(fā)展，加強對建筑負荷指標(以kW為單位)的管理，對電能供應側(cè)的節(jié)能很重要。

建筑用電的負荷指標對建筑本身，乃至能源供應系統(tǒng)的節(jié)能都有較大影響，而這個指標在以往的節(jié)能設計和節(jié)能運行管理過程中被忽視。為推進建筑節(jié)能的深度發(fā)展，未來需要在設計和運行方面，充分考慮以kW為單位的負荷指標。