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大型商业建筑能耗数据分析及节能管理应用

 更新时间:2023-08-15 点击量:258

  摘要:在在国家构建低碳社会的战略背景下,建筑节能也越来越被重视。能耗数据是建筑能源管理的核心基础。通过对8个同类型商业项目的电耗实际数据进行数据分析研究,根据各项目的实际运营情况,提供节能降耗改进建议,优化运行提升能效。

  关键词:能源管理;数据分析;节能降耗

  0引言

  随着我国经济的快速发展,城市化进程不断加快,能源的使用量也出现快速上涨的趋势。而建筑能耗、工业能耗和交通运输能耗是我国能源消耗的三大主力,其中建筑能耗大约占据了总能耗的30%。

  党提出了建设资源节约型和环境友好型社会的目标,在这样的背景下,寻找新的建筑能源管理方法和技术,对建筑耗能设备进行整体管理优化是当前节能工作的趋势所在。当前,我国信息科技的快速发展,互联网技术成为国家各产业结构转型改革的切入点和带动者,基于互联技术发展的物联网研究逐渐成为各领域关注的焦点。物联网技术是信息科技技术非常重要的部分,利用物联网技术进行建筑能源管理平台的研究,结合物联网技术对建筑耗能设备的能源数据进行实时采集和管理,可以更加有效的实现建筑能源精细化管理,为大型公共建筑节能减排提供技术支撑。

  1商业建筑的能耗现状与评价标准

  1.1公共建筑节能降耗背景

  目前,我国已成为世界大能源生产国和大能源消费国。在国民经济快速增长拉动下,我国的能源需求增长较快,能源紧张已成为制约经济持续、稳定发展的重要问题。

  2021年10月26日,国务院发布《2030年前碳达峰行动方案》,该方案提出,到2030年,非化石能源消费比重达到约25%,单位国内生产总值CO2排放比2005年下降65%以上,顺利实现2030年前碳达峰目标,重点提出了构建绿色低碳循环发展经济体系、提升能源利用效率、提高非化石能源消费比重、降低CO2排放水平、提升生态系统碳汇能力等方面主要目标。

  首先要在经济增长和能源需求增加的同时,持续削减煤炭发电、大力发展和运用风电、太阳

  能发电、水电、核电等非化石能源,实现清洁能源代替火力发电。

  其次加快产业低碳转型、促进服务业发展、强化节能管理、加强重点领域节能减排、优化能

  源消费结构、开展各领域低碳试点和行动。

  1.2商业建筑能耗现状

  建筑能耗因建筑所处的不同气候区而异,不同气候区建筑能源消耗差异大。GB/T51161—2016《民用建筑能耗标准》中制定了针对商业建筑的能耗指标。商业建筑非供暖能耗指标的约束值和引导值如表1所示,可以看到夏热冬冷地区的指标*高,其次为夏热冬暖地区,而温和地区及严寒和寒冷地区的指标*低。

  为推进国家双碳战略的实施与落地,住房与城乡建设部新发布了GB55015—2021《建筑节能与可再生能源利用通用规范》,商业建筑供暖供冷与照明能耗指标如表2所示。要求新建建筑节能设计水平进一步提升,暖通空调系统效率和电气照明等要求全面提升。

  在建筑能耗中能源的类别通常可分为电力、燃气、水、蒸汽、冷热量等。上海地区典型商业建筑能耗构成如图1所示,商业建筑能耗在实际应用中,电耗占主要部分。

  电耗数据在结构上分为四大项,分别为照明和插座、空调、动力、其他。上海地区分项能耗强度指标如图2所示,根据数据分类汇总结果,可以看到:照明与插座分项占比*大,空调分项次之。空调与照明与插座之和在总建筑电耗中占比超70%。

表1商业建筑非供暖能耗指标的约束值和引导值

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表2商业建筑供暖供冷与照明能耗指标

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图1上海地区典型商业建筑能耗构成

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图2上海地区分项能耗强度指标

  1.3电耗的分析方法评价标准

  公共建筑能耗状态的查看以及能效管理分析都离不开运行数据的支撑,因此计量是能耗管理的核心前提条件。

  然而电耗数据的分项分类,因实际系统的设计实施以及成本造价的限制,基本均处于较粗放的状态。一般项目中,配电系统低压出线柜通常都设有计量表。低压柜之后的末端系统方面,通常也只有大型设备或有计费需求的负荷会设置计量表。照明用电尤为明显。

  项目实际的计量系统架构如图3所示,根据电耗的计量方式,为了便于运营管理,将电耗数

  据在结构上分为四大项,分别为商铺用电、空调用电、公区照明用电、其他用电。

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图3项目计量系统架构

  同时,规定了以下名词及计算方法,用于项目能耗数据的具体评价:

  (1)公区总用电量=空调设备总用电量+公区照明总用电量+其他用电量,(单位:度)。

  (2)空调设备用电总电量=空调主机用电量+空调水泵用电量+空调末端用电量,(单位:度)。

  (3)月度单位面积耗电量=月度街区总用电量费用÷项目总面积,(单位:kWh·m-2)。

  (4)月度单位面积耗电量(不含车库)=(月度街区总用电量费用-月车库总用电量)÷项目总面积,(单位:kWh·m-2)。

  (3)、(4)两项指标用于评价项目整体运营管理是否节能。

  (5)年度单位面积耗电量=年度街区总用电量÷项目总面积,(单位:kWh·m-2)。该指标用于评价项目运营管理整体是否节能、

  达到国家标准。旧规约束值为200kWh·m-2,引导值为170kWh·m

  -2,新规为106kWh·m-2。因此我们用该指标评价单个项目是否合格。该指标超过200kWh·m-2的项目,评价为不合格。200kWh·m-2以内为合格。

  (6)月度公区单位面积耗电量=月度公区总电量÷项目总面积,(单位:kWh·m-2)。该指标用于评价商管运营管理中能源管理是否到位有效。

  (7)月度公区单位面积耗电量(不含车库)=(月度公区单位面积耗电量-车库总用电量)÷(建筑总面积-车库面积),(单位:kWh·m-2)。对于设有车库的项目,因车库面积大,用电量小,容易稀释电耗指标,同时车库用电同照明用电规律相似,并且稳定,不随季节变化,仅同运营管理有关。因此采用这种排除车库用电的方式进行计算。该指标用于评价商管运营管理中能源管理是否到位有效(含车库的项目用该指标同其他项目的月度公区单位面积耗电量指标进行排名)。

  (8)月度单位面积空调耗电量=月度空调总用电量÷空调面积,(单位:kWh·m-2)。

  该指标用于评价空调系统运营管理是否节能。

  2地下商业项目能耗分析

  2.1地下商业项目介绍

  此次进行能耗统计的商业项目共计8个,主要分布在中国湖南省和湖北省,分别地处新邵、谷城、孝感、临澧、新化、张家界、隆回、凤凰等地。整体气候为夏热冬冷气候,气候温和、雨量充沛、

  四季分明。季节时段划分基本如下:夏季为5月至10月;冬季为12月至下一年2月;过渡季为3月至4月,10月至11月。

  各项目开业至今的年限为1~5a不等。主要业态为零售,其次为餐饮。营业时间为早9∶00至晚21∶30。

  所有项目均为地下商业街项目。建筑面积在15000~50000m2不等。空调系统分为两种

  形式,其中新邵、孝感、临澧、张家界、隆回为典型的中央空调系统,主机采用冷水机组+冷却塔的制冷方式,冬季除新邵采用电锅炉制热外,其余项目采用风冷热泵制热。谷城、新化、凤凰因项目地上用地限制问题,采用风冷热泵制冷制热。各项目空调末端为空调柜结合新风的系统形式。空调箱设回风口和送风口。因项目业态分布不同,动力设备系统形式不同,电量指标有明显的差异。各项目变压指标在100~180VA·m-2。

  2.2典型项目能耗分析

  新邵项目总建筑面积为18527m2。其中公共区域6046m2(包含4000m2车库),普通店铺面积为12481m2。项目业态为零售,无餐饮业

  态。变压器指标为135VA·m-2。空调主系统为两台制冷量为1045kW的冷水机组,两台电锅炉满足全年的制冷及制热需求。冷指标为112.8kW。

  新邵项目2020年1~12月总耗电量2098058kWh。2021年1~10月总耗电量1561428kWh。其中2020年2、3月份为疫情期,约60d街区为停业状态。

  新邵项目年度用电量曲线图如图4所示,可以对比看出2020年曲线呈双峰状态,整体规律同季节性的气温变化一致。2021年的曲线呈双峰状态,制冷季耗电量低于2020年。

  新邵项目2021年1~10月的能耗运营情况如图5所示。公区照明及其他设备用电量全年区域稳定。商铺用电量总值较大,但全年变化率较小,基本趋于稳定。空调用电随季节变化而变化。项目总用电量走势基本同空调设备总用电量走势一致。

  可以看出暖通空调的能耗随季节的浮动较大。3、4、5月为过渡季,6、7、8月份,季节趋暖,不如炎热的夏季,需打开制冷设备达到降温的效果。

  图6、图7、图8分别显示了2021年新邵项目冬季1月份、过渡季5月、夏季8月的能耗情况。可以看出在公区照明与其他设备总体趋于稳定的情况下,暖通空调的能耗全年随季节的浮动较大。夏季*高占比可达47%。

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图4新邵项目年度用电量曲线图

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图5新邵项目2021年1~10月能耗运营情况

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图62021年新邵项目冬季1月能耗情况

   新邵项目空调设备用电总电量如图9所示。2020年和2021年空调设备用电所占比重为27.3%和30%,是节能降耗优化的重点。空调设备用电量2021年优于2020年,其中

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图72021年新邵项目过渡季5月能耗情况

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图82021年新邵项目夏季8月能耗情况

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图9新邵项目空调设备用电总电量

  2020年2~3月因疫情原因,街区停业,故而2021年空调用电量高于2020年。冬季1月制热季空调能耗处于较高位置,原因在于该项目制热方案采用的是电锅炉,COP值低,耗能大。

  经查项目所在地区室外气象温度,1月1日~3月3日期间室外*低温度(约凌晨3点)高于5℃的天气共计47d,可以节能运行进行优化。同时,5月19日~10月8日期间室外*高温度(约午后2点)低于20℃的天气共计7d,可以节能运行进行优化。新邵项目空调主机运行天数统计图如图10所示。新邵项目月度单位面积耗电量如图11所示,

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图10新邵项目空调主机运行天数统计图

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图11新邵项目月度单位面积耗电量

  2020年新邵项目年度单位面积耗电量为113.24kWh/m2(注:2020年2、3月份为疫情期停业状态),2021年项目1~10月年度单位面积耗电量为84.28kWh/m2。2021年能耗指标整体来看有所下降。

  2020年及2021项目月度公区单位面积耗电量(不含车库)如图12所示。

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图12新邵项目月度公区单位面积耗电量(不含车库)

  新邵项目2021年在能耗指标上有所减低。项目物业管理降低了部分公区照明能耗,调整了照明灯具及回路,加强了空调设备的运行时间管控和设备运维,有效地降低了能耗。

  结合实际运营过程,新邵项目仍有一定的节能降耗空间。如冬季期间室外*低气温高于5℃时,可关闭锅炉。结合街区内人员、灯光等散热,街区内温度基本可达到16~18℃的要求,故可以减少锅炉运行天数。夏季室外*高温度低于20℃时,此段日期气温较低,通过全新风模式,可减少空调主机开启时间以达到节能运行的目标。同时,街区关闭前1~2h可关闭锅炉和空调主机,依靠空调水系统内的冷水和热水来持续供暖、供冷。

  2.3综合对比分析

  根据查询2021年8个项目的所在地的气温数据得知,8个项目整体温度曲线走势一致,属同一气候区域。孝感、谷城地处湖北省,纬度更高,夏季平均高温温度低于其他项目。

  8个项目的月度单位面积耗电量情况如图13所示。从单个月份来看,凤凰项目每月用电量指标*高,谷城次之。隆回、孝感、新化三个项目位列第二档。新邵、张家界、临澧三个项目月度单位面积能耗较少。

  8个项目2021年平均月度单位面积耗电量见图14,可以量化的看到凤凰、谷城、新化、孝感、隆回的平均单位指标较高。*高的凤凰平均月度单位面积耗电量为21.42kWh·m-2,是*低的新邵8.43kWh·m-2近3倍。

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图138个项目月度单位面积耗电量情况

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图148个项目2021年平均月度单位面积

  耗电量柱状图(1~10月)

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图158个项目2021年年度单位面积耗电量(1~10月)

  8个项目2021年在年度单位面积耗电量方面如图15所示,仅1~10月凤凰项目能耗指标已经超过200kWh·m-2能耗*高,项目运营管理方面需提高。谷城项目能耗指标非常接近200kWh·m-2,需加强节能管理。隆回、孝感、新化三个项目能耗指标均超出170kWh·m-2,属第二梯队,需进一步提高节能管理。新邵、张家界、临澧项目的数据优于106kWh·m-2的标准,项目能耗处于较低水平。为了更客观地评价各项目能耗水平,有效地评价项目运营管理水平,减掉商铺业主自己控制管理承担的电量———商铺用电。同时将耗电量低,占地面积大,用电稳定的车库用电过滤掉。具体计算方式如下。公区总用电量=街区总用电量费用-商户总用电量费用,(单位:kWh)。月度公区单位面积耗电量(不含车库)=(月度公区单位面积耗电量-车库总用电量)÷(建筑总面积-车库面积),(单位:kWh·m-2)。再计算8个项目2021年平均月度单位面积耗电量,结果如图16所示,其中张家界、隆回、新邵项目不包含车库用电。可以看到凤凰依然是*高的,其次为谷城、隆回。新化和孝感在过滤了车库用电和商铺用电后,展现了真实的公区能耗水平。临澧成为耗电量*低的项目。

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图168个项目2021年单位面积耗电量

  空调耗电量方面,张家界项目因空调计量问题不纳入统计。7个项目2021年夏季和冬季的

  单位面积空调耗电量分别如图17、图18所示。从月度单位面积空调系统用电量指标可以看出,

  夏季以冷水机组为主制冷的项目(新邵、临澧、孝感等),其指标均小于以风冷热泵为主制冷的项

  目(新化、谷城)。风冷热泵与冷水机组相比,COP值普遍低30~50%,故而设备运行能耗节省约40%。

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图177个项目2021年夏季单位面积空调耗电量

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图187个项目2021年冬季单位面积空调耗电量

  因此空调系统冷源方式选择方面,冷水机组与冷却塔结合的方式,节能效果优于风冷热泵,后续项目中应优先选用冷水机组;如当地项目有地上用地紧张的问题,也可选用地源热泵或水源热泵的方式。

  空调系统相近的情况下,指标仍有很大的不同,这取决于机电基础建设情况,以及实际运维和运行策略。

  如临澧项目,其冬季几乎不使用空调系统,仅开启新风系统即可满足日常需求。而凤凰项目因包含了酒吧业态,营业时间较长,空调冬季使用的时间要多于同系统的谷城和新化项目。因此控制好空调系统每天的运行时间可以有效地较低能耗。

  良好的机电基础建设以及后期运维,也影响这机电系统使用效率。如隆回项目,其空调回风口过滤网经检查已被空气中的污垢堵塞,物业未

  能及时清洗,使得空调出风量减小,空调系统无法满足正常需求。而营业时,仍通过不断调低空调主机出水温度以达到降低室温的目的,导致能耗增加。

  3对能耗管理的建议

  能耗管理主要从设计和运营两方面进行节能降耗的优化。

  设计方面,室内灯光设计时既要考虑灯光效果,也要考虑节能设计。

  建筑的走廊、楼梯间、门厅、电梯厅及停车库照明,在满足规范要求的前提下,应根据照明需

  求进行节能控制。公共照明区域应通过智能照明系统或强电回路开关控制,根据灯光效果采取分区、分组的方式设计,应使区域照明灯具能够按照节约30%、50%、80%灯具的使用方式开启,以满足运营日常使用需求。

  弱电智能化方面,应建立完备的能耗管理监测系统,对基础设备实现数字化管理对基础设备

  实现自动控制。建立完善的物业管理信息系统,加强基层物业管理的质量与效率。

  空调系统应选择能效比更高的主机形式,夏季制冷时冷水机组优于风冷热泵。

  运营方面,物业运维部门应定期清理空调水系统过滤器(水泵、主机、末端柜机前的过滤器),

  清理空调末端设备进风处的过滤网。建议1~2个月清洗一次,冬季3个月清洗一次。

  冬季商街室内温度控制在16~18℃;夏季商街室内温度设定在26~28℃,不得低于26℃;过渡季*大限度利用室外新风提供商街冷气。

  商街关店前1~2h关闭空调主机,通过循环管网内冷冻水进行供冷。

  在入夏初期和夏末,可适当提高空调主机的出水温度,以达到节能要求。

  4Acrel-EIOT能源物联网云平台

  (1)概述

  Acrel-EIoT能源物联网开放平台是一套基于物联网数据中台,建立统一的上下行数据标准,为互联网用户提供能源物联网数据服务的平台。用户仅需购买安科瑞物联网传感器,选配网关,自行安装后扫码即可使用手机和电脑得到所需的行业数据服务。

  该平台提供数据驾驶舱、电气安全监测、电能质量分析、用电管理、预付费管理、充电桩管理、智能照明管理、异常事件报警和记录、运维管理等功能,并支持多平台、多语言、多终端数据访问。

  (2)应用场所

  本平台适用于公寓出租户、连锁小超市、小型工厂、楼管系统集成商、小型物业、智慧城市、变配电站、建筑楼宇、通信基站、工业能耗、智能灯塔、电力运维等领域。

  (3)平台结构

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(4)平台功能

  ◆电力集抄

  电力集抄模块可以实现对各种监测数据的查询、分析、预警及综合展示,以保证配电室的环境友好。在智能化方面实现供配电监控系统的遥测'、遥信、遥控控制,对系统进行综合检测和统一管理;在数据资源管理方面,可以显示或查询供配电室内各设备运行(包括历史和实时参数,并根据实际情况进行日报、月报和年报查询或打印,提高工作效率,节约人力资源。

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变压器监控

  配电图

  ◆能耗分析

  能耗分析模块采用自动化、信息化技术,实现从能源数据采集、过程监控、能源介质消耗分析、能耗管理等全过程的自动化、科学化管理,使能源管理、能源生产以及使用的全过程有机结合起来,运用先进的数据处理与分析技术,进行离线生产分析与管理,实现全厂能源系统的统一调度,优化能源介质平衡、有效利用能源,提高能源质量、降低能源消耗,达到节能降耗和提升整体能源管理水平的目的。

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能耗概况

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◆预付费管理

  1)登陆管理:管理操作员账户及权限分配,查看系统日志等功能;

  2)系统配置:对建筑、通讯管理机、仪表及默认参数进行配置;

  3)用户管理:对商铺用户执行开户、销户、远程分合闸、批量操作及记录查询等操作;

  4)售电管理:对已开户的表进行远程售电、退电、冲正及记录查询等操作;

  5)售水管理:对已开户的表进行远程售水、退水、记录查询等操作;

  6)报表中心:提供售电、售水财务报表、用能报表、报警报表等查询,本系统所有的报表及记录查询,都支持excel格式导出。

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预付费看板

  ◆充电桩管理

  通过物联网技术,对接入系统的充电桩站点和各个充电桩进行不间断地数据采集和监控,同时对各类故障如充电机过温保护、充电机输入输出过压、欠压、绝缘检测故障等一系列故障进行预警。云平台包含了充电收费和充电桩运营的所有功能,包括城市级大屏、交易管理、财务管理、变压器监控、运营分析、基础数据管理等功能。

  ◆智能照明

  智能照明通过物联网技术对安装在城市各区域的室内照明、城市路灯等照明回路的用电状态进行不间断地数据监测,也可以实现定时开关策略配置及后台远程管理和移动管理等,降低路灯设施的维护难度和成本,提升管理水平,并达到一定节能减挂的效果。

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监控页面

  ◆安全用电

  安全用电采用自主研发的剩余电流互感器、温度传感器、电气火灾探测器,对引发电气火灾的主要因素(导线温度、电流和剩余电流)进行不间断的数据跟踪与统计分析,并将发现的各种隐患信息及时推送给企业管理人员,指导企业实现第一时间的排查和治理,达到消除潜在电气火灾安全隐患,实现“防患于未然"的目的。

  ◆智慧消防

  通过云平台进行数据分析、挖掘和趋势分析,帮助实现科学预警火灾、网格化管理、落实多元责任监管等目标。原先针对“九小场所"和危化品生产企业无法有效监控的空白,适应于所有公建和民建,实现了无人化值守智慧消防,实现智慧消防“自动化"、“智能化"、“系统化"、用电管理“精细化"的实际需求。

  (5)系统硬件配置

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5结论

  结合8个项目2021年能耗实际运行数据深度分析研究来看,建筑功能区域、每日运行时间、

  每日天气温度、季节变化、机电基础建设、能源计量、物业运维等众多因素,均影响着建筑实际能耗。想要做好能源管理,节能降耗,需要多部门多方面的协同努力,从细部入手,逐一分析把控,才可做到节能降耗,*终实现国家“双碳"目标。

  参考文献

  [1]彭化强.商业建筑能耗数据分析及节能管理研究

  [2]谭洪卫.图说公共建筑能耗的数据挖掘与模型方法[M].上海:同济大学出版社,2021.

  [3]企业微电网设计与应用手册2022.05版

苏公网安备 32028102001319号