能耗監測和空調節能控制系統的投資收益分析與優化研究

郁曉婷（上海市建筑科學研究院有限公司， 上海 200032）

“十二五”期間，國家相關部委發布了公共建筑能源管理的相關政策和指導意見，并持續開展政策推動、技術普及和市場培育工作。近年來，公共建筑能源管理系統也在全國范圍內全面推行，全國許多重點城市將基礎性的能耗監測系統安裝列為公共建筑建設的強制標準。通常規定公共建筑必須實時監測自身用能情況，包括電耗、水耗、氣耗、油耗、可再生能源消耗等所有自身消耗的一次能源。

經過多年的市場培育和大量建筑物的實際運行，不少建筑物運行管理者開始意識到能耗監測系統的作用，認可其對于建筑整體管理效率和建筑能源使用效率提升做出的貢獻，并愿意加大在能源管理方面的投資，希望獲得更好的收益。能耗監測系統的主要功能是實時監控建筑物能源消耗的情況，并不能直接降低建筑能源的總消耗量，產生直接經濟效益。通常還需要配合人工干預才可以實現能源節省和經濟收益。因此，許多建筑物管理者在升級能耗監測系統的同時會選擇安裝中央空調節能控制系統。中央空調系統通常都是大型公共建筑中能源消耗最大的系統，且其運行模式的復雜性多存在很大節能空間。空調節能控制系統即通過系統算法對于其中主要的大功率設備實現智能化的啟停、變頻控制，達到空調系統能源效率提升的效果。許多大型公共建筑由于后期招商情況和運行情況的不確定性，所以經常在樓宇竣工交付后再加裝深度的能耗監測和空調節能控制系統。但系統安裝后各個用戶對系統貢獻的經濟效益反饋不一，且此類系統需要根據每幢建筑量身定制，有一定技術復雜性，經濟效益確實受到每幢建筑實際用能情況和系統建設情況的影響。目前缺乏對能耗監測和空調節能控制系統投資收益的量化計算方法，缺少系統性的收益影響要素分析，這也是導致各建筑物管理者對其評價不一的重要原因。缺少經濟性收益對比，就難以從經濟性角度優化系統設計方案。

本文以一個大型商業綜合體項目為案例，分析其實際投入運行后每部分的實際運行情況和帶來的經濟收益，并提出一種模擬的優化方案，將兩種方案的經濟性進行對比分析。

1 項目概況及方案一

1.1 項目概況

某大型商業綜合體建筑，總建筑面積 155 611 m2。其中地上建筑面積 95 176 m2，包括 4 棟單體建筑及裙樓。裙樓部分為商場，4 棟單體建筑為辦公樓。地下建筑面積604 35 m2，為車庫。

1.2 現有能耗監測和空調節能控制系統建設方案

本文將該建筑現有的“能耗監測和空調節能控制系統建設方案”稱為“方案一”。方案一的技術路線為全局精細化能耗監測和中央空調節能控制。全局精細化能耗監測系統在建筑內部安裝多功能電表，實現了 1 443 個能耗點位的監測，其中總電能耗 12 處，暖通空調用電 49 處，照明插座設備用電 183 處，動力設備用電 76 處，特殊用電 34 處，其余樓層用能計量和單間用能計量共 1 089 處。該方案不僅涵蓋了暖通空調、動力輸配等各項主要用能系統，更是深入樓層和各租戶單元詳細監測了全局精細化的實時能耗監測數據，實現對整個建筑用能系統的用能突增、跑冒滴漏、能源浪費、能效低下、非正常用能等問題的警示，并可以及時將能耗異常、設備通信故障等情況提醒至能源管理負責人[1]。

空調節能控制系統在室內環境敏感區域安裝了 10 臺集環境溫濕度、CO2濃度和 PM2.5濃度監測為一體的多功能環境傳感器，在屋頂上安裝了 1 臺室外溫濕度計量儀，并在 10臺空調箱和新風機的送風管上各安裝 1 臺插入式溫度傳感器。安裝的執行設備包括若干電動開關閥門執行器、風閥執行器、變頻器和 PLC（Programmable Logic Controller，可編程序邏輯的控制器） 控制柜等。最終將現場安裝的環境監測傳感器和設備監測傳感器實時反饋的數據，以及能耗監測系統監測的實時用能數據傳輸至系統處理器。計算出中央空調系統運行最高效配置參數，并將該參數發送至執行設備，完成對空調系統主要用能設備的開、關、變頻等操作，最終實現全樓空調系統重點設備的智能化節能運行。

方案一中能耗監測系統對于用能監測點位的設置密度非常高，當建筑物在運行中出現問題時，可以通過系統迅速鎖定問題的目標點位。空調節能控制系統僅對大功率的高能耗設備開展節能控制，因考慮每個控制點位傳感器、控制器、變頻器、控制柜和施工安裝的成本，小功率設備通常散落在建筑各處且節能效果不顯著，所以放棄了對其節能控制。

1.3 方案投資收益分析

方案一的全局精細化能耗監測策略本身無法直接降低能源消耗和產生直接的經濟收益，但可以產出一些間接收益，主要體現為該系統的計量點位設計極為精細，全樓的設備管理抄表和租戶抄表工作均可以遠程完成，同時提高了抄表準確度、及時性、便利性，也減少了物業管理人員工作量。設備管理抄表和租戶抄表由于均是月度工作，并不能減少日常的管理團隊人員，因此也沒有帶來直接經濟效益。總體來說，全局精細化能耗監測系統獨立運行時對本項目的運行管理工作能級提升效果顯著，但并未產出可量化的直接經濟收益。

方案一的空調節能控制系統，通過 CPU 運算自動調節空調系統重點設備運行狀態，實現直接的能源使用效率提升，產生的直接節能收益是節省的電費。本項目以空調供冷季、采暖季和過渡季典型工況數據進行分析，選擇節能控制系統開啟 1 d 和關閉 1 d，對比實際能源消耗量。通過實際數據計算分析，應用該系統后整體建筑用電量下降 10%，全年節電量為 187.64 萬 kWh。以本項目平均電費 0.89 元/kWh 計算，重點設備節能控制系統在運行時產生的直接收益為 167 萬元，經濟效益顯著。

2 優化設計

2.1 優化設計方案

對方案一分析研究，在此基礎上提出了優化后的“方案二”，具體如下。

（1）能耗監測系統。此系統僅監測配電站中 12 個總用電回路和 342 個分項用能回路。取消所有樓層能耗監測計量點位，所有租戶用電安裝非遠傳電表，且不進行通信線鋪設，也不接入能耗監測系統，僅滿足租戶抄表收費的功能。

（2）節能控制系統。對使用中央空調系統的商場區域的所有設備（不區分功率大小）安裝傳感器、控制器、變頻器及控制柜，主要包括所有的冷/熱源設備、冷卻塔、冷凍/冷卻側的輸配設備以及樓層中全部的空調箱和新風機。實現所有空調設備開、關、變頻等智能化管理，最終實現空調系統設備的自動化、智能節能運行；且對于樓層內的傳感器和控制器優先使用無線傳輸設備，利用無線功能遠程傳輸用能數據和控制信號。方案二比之方案一減少了大量配套施工的工作量。

2.2 優化方案的收益分析

（1）能耗監測系統。降低了計量表具的安裝密度，取消樓層的計量表具，降低了租戶表具的規格及免除租戶電表的通信施工，也極大降低了能耗監測系統的建設成本。經測算， 方案二在能耗監測系統部分的建設成本，由原先的 470萬元下降至 210 萬元。取消樓層和租戶單元能耗監測后，物業管理人員每月定期抄表。表面上增加了物業管理人員工作量，但抄表工作不需要受專業化訓練即可勝任，且可以與日常安全巡檢同時開展，不直接產生增量成本。

（2）節能控制系統。優化方案將商場區域所有中央空調系統設備納入了節能控制系統，初投資成本從原先 85 萬元升至 135 萬元。

方案二由于新接入的設備基本屬于低功率的設備，對全年直接節省電費的收益影響甚微。此處謹慎考慮，全年電費節約產生的經濟效益不變，仍取 167 萬元整。此方案的收益增加在于，商場區域所有空調設備均可實現自動化控制，無須人工操作和管理原本未接入的設備。商場區域的空調系統管理人員可以從 5 人削減至 3 人。并且不同于普通物業人員，空調系統的操作和運維管理需要較強的專業性，因此預計全年技術型勞動成本支出可以減少 20 萬元。

3 優化前后經濟性對比分析

凈現值（NPV）和動態投資回收期是投資中較為常用且高效的投資收益評價方法，常被用于經濟性分析。為了評估本項目方案一和方案二的經濟性指標，現分別計算 NPV 和投資回收期。

將項目生命周期定為 8 a ，根據式（1）（2）進行計算[2]。其中所有用能均折成用電量進行計算，電價按照 0.89元/（kWh）計算。方案一項目總投資為 555 萬元，連續 8 a每年產生等額收益為 167 萬元（假設 8 a 收益等額），第 8 a 末有 50 萬元的殘值，每年運維成本為 10 萬元，資金使用成本年息 10%。方案二項目總投資為 345 萬元，連續 8 a 每年產生等額收益為 187 萬元（假設 8 a 收益等額），第 8 a末有 50 萬元的殘值，每年運維成本為 10萬元，資金使用成本年息 10%。

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式中：NPV—凈現值，元；

n—項目計算周期，a；

Ct—第t年現金流量，元；

r—折現率，%；

C0—初投資，元。

把各量實際取值代入式（1），可計算得方案一的 NPV為 305.9 萬元，方案二的 NPV 為 622.6 萬元。

式中：ΔPt—動態投資回收期，a；

t1—凈現金流量大于 0 的年份數量，a；

St－1—去年累計凈現金流量的絕對值；

N1—t1時的凈現金流量。

將式（1）中的計算結果代入式（2），可計算得方案一和方案二的動態投資回收期。動態回收期計算表如表 1所示。

表1 動態回收期計算表

把各量實際取值代入式（1）（2）可得，方案一的NPV 為 305.9 萬元，投資回收期約為 5.59 a；方案二的NPV 為 622.6 萬元，投資回收期約為 3.28 a。方案一在人力資源成本方面擁有一定的隱性優勢，但無法精確量化產生直接收益。方案二的在人力資源成本上存在一定的承壓，且在 8 a 的運行時間中有可能會轉化成為直接的經濟損失。但是，凈現值和動態投資回收期的計算結果表明，方案二的經濟性要優于方案一，且可行性更強，投資周期的大幅縮短，也極大降低了投資的不確定性。因此，方案二總體的經濟性更好。

4 結 語

本文以某商業綜合體為例，分析了能耗監測和空調節能控制系統在大型公共建筑中的投資收益，提出了優化方案，并分別計算了經濟性評價指標，對比了投資收益情況。 針對能耗監測系統，建議重點考量樓層計量和租戶計量的投資收益，鼓勵以每月人工干預的方式提高項目整體的投資回報率。針對空調節能控制系統，建議進一步考慮實現重點區域的全覆蓋控制，有效提升管理效率，減少技術型勞動成本，獲得直接的經濟收益。大型公共建筑在加裝能耗監測和空調節能控制系統時，收益影響因素有很多，需因地制宜地開展客觀科學的投資分析，對比數據分析結果確定收益最優的方案。本文提到的 2 個方案在 NPV 值和動態投資回收期上均表現良好，具有較好的經濟性，值得更多商業綜合體類型的公共建筑在加裝能源管理系統時借鑒和參考。本文提出的能耗監測和空調節能控制系統優化策略，以及 NPV 和投資周期的計算方案，在廣泛的實際工作中可以幫助投資者對項目的經濟性作判斷，有著較強的實踐意義和參考作用。