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大型公共建筑能耗调查分析

大型公建节能会诊（三）—— 调查分析篇
大型公共建筑能耗调查分析
□ 清华大学 王远 魏庆 薛志峰 江亿

不同规模的公共建筑，其全年的用能特点和能源消耗总量不同。通过对北京市41座大型公共建筑的能耗调查，得到各个建筑的全年电耗现状以及各系统设备构成、运行状况。结合正在建设的公共建筑能耗数据库，对北京市几类大型公共建筑的用能现状、能耗差异及特点进行描述。提出在建筑缺乏用能设备分项计量的条件下，需要对大型公共建筑重点用能设备运行状态进行监测。

国内大型公共建筑能耗现状
我国各地研究者对某些城市大型公共建筑进行了能耗调查与节能潜力分析，得到表1的结果。
表1 各大城市公共建筑的能耗调查结果
城市
能耗特点
上海[1]
对9幢写字楼的调查表明，办公楼的最大平均耗能量与最小平均耗能量相差2.21倍，平均能耗量为1.8 GJ/m2·a。另外对上海9家星级宾馆的单位面积年一次能耗量的调查结果表明，其平均耗能量为2.698 GJ/m2·a。
深圳[2]
对15幢高层办公建筑的抽样调查结果，写字楼的单位面积能耗最小的45 kWh/m2·a，最大的为150 kWh/m2·a，平均值为96 kWh/m2·a。其中空调、照明、办公设备大约各占30%。
天津[3]
对公共建筑的能耗采用访问方式进行调查，按照一次能耗来计算，单位建筑面积能耗最大的为5.7 GJ/m2·a，最小的为0.86 GJ/m2·a，平均值为2.86 GJ/m2·a。
武汉[4]
对9幢大楼的全年能耗进行调查和现场测试，建筑能耗为0.386~2.579 GJ/m2·a，空调能耗为0.137~0.868 GJ/m2·a，最大的建筑能耗与最小的建筑能耗相差6.68倍，最大的空调能耗与最小的空调能耗相差4.41倍。商场、办公楼、酒店的平均空调能耗为0.495 GJ/m2·a。空调能耗占总能耗的22.33%～79.41%。
香港[5][6][7][8]
总计16000幢大型商业建筑的能耗要占到总能耗的30%。其中空调系统的电耗为43%、办公设备17%、电梯扶梯7%、照明34%。对16家星级宾馆的调查结果表明，宾馆的平均能耗高达564 kWh/m2·a。部分商场的调查数据为电耗391～454 kWh/m2·a，平均430 kWh/m2·a，其中照明和空调系统占到了85%以上。
台湾[9]
对24家县政府机关、33家“中央”政府机关、929幢中低层办公建筑、8幢高层办公建筑、3幢智能型办公建筑的电耗进行调查，其用量指标依次为136、171、149、194、219 kWh/m2·a。商业性写字楼的能耗高于政府办公建筑，建筑规模越大、智能化程度越高的办公楼能耗越高。
根据北京市城市总体规划以及产业结构调整中继续加大第三产业比重的需要，未来几年内写字楼、公寓、饭店、会展中心及奥运场馆等大型公共建筑会大幅度增加，同时一批普通公共建筑由于使用功能改变进行改造后，能源需求成倍增长，在用能特点上转变成为大型公共建筑。加上现有存量，北京市的大型公共建筑面积在未来几年内将达到4000万m2。按照现有的能耗指标推算，北京市仅大型公共建筑的全年电耗就会高达60 亿kWh。将会对北京市的能源供应造成巨大压力，并制约北京市的经济发展。

大型公建能耗调查统计与数据库建设
1、能耗调查统计方法
对北京市大型公共建筑能耗调查采用普查和重点调查相结合的方式。
2005年3月初，向百余栋大型公共建筑的管理负责人发出了能耗调查表，通过回收此表得到的数据和几年来北京市政府积累的统计数据，为建立能耗数据库奠定基础。
在进行问卷式能耗普查的同时，作者于2005年4月至5月期间对北京市41座典型建筑入户调查，深入了解了几类大型公共建筑的能耗情况，空调系统运行情况，其他设备运行情况等。表2是进行深入调研的各类建筑基本情况。

表2 被调查的建筑类型和数量
建筑类型
数量
总建筑面积/万m2
综合性商务楼
10
119.56
写字办公楼
14
50.70
商场
12
63.89
宾馆饭店
5
41.69
其中综合性商务楼指的是汇集商业、办公、娱乐、居住等多种功能的建筑物单体或建筑群，而其他三种类型建筑——写字办公楼、商场、宾馆饭店则功能相对较为单一，通常为单体建筑。
2、能耗数据库主要框架
公共建筑能耗数据库框架服务于公共建筑的节能。对于大型的公共建筑，从节能建筑的内容看，可以总体分为两类，一是建筑物本体的热工性能，即通过提高建筑围护结构的保温隔热性能、门窗的密闭性能和充分利用通风、太阳能、自然采光等措施来降低为达到相同的室内舒适程度所需要的采暖和空调的能耗；二是提高建筑物内的能耗系统及设备的能源效率，包括采暖、空调系统、照明灯具、热水器、家用电器及办公设备等。其中暖通空调能耗分三部分：冷热源能耗、末端设备能耗和输送系统设备能耗，这与运行调节方法也密切相关。结构如下：
按照大型公共建筑能耗统计方法，将数据库设计成为能够方便快捷地反映的建筑物具体信息如下：
3、能耗数据库建设概况
清华大学建筑节能研究中心结合多年来对大型公共建筑进行节能诊断测试的经验，搭建了一整套大型公共建筑能耗数据库。
截至2006年2月，已在大型公共建筑能耗数据库中为484栋公共建筑建立初步档案，其中北京市建筑404栋，按建筑类型和面积将其归类，数量分布如表3。
表3 大型公共建筑能耗数据库北京市建筑概况
建筑面积（m2）
小于2万
2～5万
5～10万
大于10万
总计
写字楼办公楼
28
30
21
12
91
商场
12
14
9
2
37
宾馆饭店
33
42
25
9
109
综合性商务楼
6
8
6
11
31
医院
4
3
4
1
12
博物馆、展览馆
0
2
0
0
2
体育馆
7
3
0
3
13
学校
0
1
1
0
2
机场车站、广播台
2
0
1
1
4
北京市地方政府建筑
26
21
3
1
51
中央在京机关办公建筑
2
29
3
2
36
其他
3
6
3
4
16
总计
123
159
76
46
404

大型公共建筑能耗现状分析
大型公共建筑所消耗的能源种类根据建筑物内用能系统的不同而有所差别，一般以电为主，辅以天然气、煤、蒸汽和市政热水等。
1、各类型建筑能耗现状
抽取数据库中大型公共建筑样本64个进行粗略估计。由于电制冷是目前大型公共建筑的制冷的主要形式，故选取的64座建筑均为电制冷形式，其使用的能源为单一电。
（1）年耗电量
根据数据可以看出，商场类建筑较其他类型相比全年耗电量较大，大部分在200kWh/m2·a至300kWh/m2·a之间。商场耗电设备较多，照明设备数量多，空调系统设备容量大且运行时间长。宾馆饭店和办公楼类建筑耗电量相当，基本在200kWh/m2·a以下。综合性商务楼由于其建筑功能分散，基本是建筑群，所以其单位面积年电耗参考性不强，需要对不同功能建筑的用电量进行拆分才能反映不同功能的耗电量情况。
根据统计学，我们在80％的置信度下对北京市的各类大型公共建筑年单位面积的耗电量进行区间估计。
（2）逐月耗电量
将64座建筑按照各自类型对每月单位面积电耗进行平均，可以看到夏季由于空调系统的使用，电耗显著上升。在大型公共建筑全年能耗中，照明、动力等电耗是基本稳定的，而供冷、供暖能耗是随季节而波动的。因此，供冷季节的电耗高于过渡季节，可见空调制冷系统能耗在建筑能耗中占有相当大的比例。对于不同功能的建筑这一比例也不相同。如果将夏季各月电耗增加的部分作为空调系统的电耗，那么从图中面积关系不难得到增加部分的电量占夏季总用电量的30％左右。所以大型公共建筑节能的关键在于空调系统的高效运行。
表4 电制冷形式各类建筑年单位面积平均电耗
建筑类型
样本数量
平均电耗
(kWh/m2·年)
抽样极限误差
(kWh/m2·年)
置信区间
(kWh/m2·年)
商场
12
216
24
192 240
宾馆饭店
25
121
8
113 129
办公楼
18
111
8
103 119
综合性商务楼
9
125
21
104 146

2、各类型建筑能耗特点及差异
● 商场类建筑
商场营业时间每天长达12个小时以上，且全年营业。由于内部发热量大，空调开启时间也较其它公共建筑长，调查中了解到北京市一些商场的制冷机从3月下旬开启运行到11月上旬。因此其单位面积的电耗在大型公共建筑中是最高的。
（1）电耗与冷机容量的关系
从数据库中抽取的12座商场类建筑的制冷机容量与建筑面积的关系，从中可以看到一些建筑的装机制冷量过大，有的制冷容量甚至超过了170W/m2。在重点调查过程中，了解到个别建筑冷机在负荷高峰时仅用两台，而4台备用，在制冷机选型上缺乏节能意识。在确定制冷机台数和每台机组的容量时，往往过多地考虑一次投资，很少考虑全年动态负荷曲线，不能做到使同时运行的制冷机总容量尽可能地接近建筑的动态空调负荷。因此对于新建建筑，在设计时不仅要考虑设备单独运行的特性，还要考虑系统的特性曲线、机组在部分负荷下的COP。
各商场相互之间用电量差异较大，电耗高的商场用电量达到了电耗低的商场的近3倍。上述差异表示北京市大型商场存在着巨大的节能潜力。
（2）空调系统装机功率与电耗的关系
表5给出了其中8家商场的空调系统装机电功率数据及年单位面积电耗数据。图3更直观地反映出空调系统各部分装机电功率的参考比例。可以看到8家商场建筑面积不同，空调系统各部分装机容量的比重也不同。
表5 8栋商场建筑空调系统装机电功率及电耗
商场代码
建筑面积
万m2
制冷机
kW
冷冻泵
kW
冷却泵
kW
空调箱
kW
冷却塔风机
kW
年单位
面积电耗
kWh/m2·a
A
3.1
1008
160
195
241.1
52.5
244
B
3.1
891
165
225
128.7
18
220
C
3.6
1338
165
165
405
88.2
286
D
5.6
1640
231
280.5
490
30
134
E
6
1810
590
506
192.7
147
260
F
7.7
1455
370
225
663
132
229
G
9.6
1043
600
300
1047.1
66.9
188
H
20
1543
166.5
468.5
651
96
125
图3 8家商场空调系统各部分装机电功率比例
总体来讲，制冷机的装机电功率占有较大比重，但经调查得到一般建筑的制冷机组均为两用一备或一用一备，故其装机电功率不能说明实际运行的设备功率值，冷冻泵、冷却泵也会存在同样的问题。但由于商场类建筑内部空间大，功能单一，都在营业范围内，所以对于商场的空调箱或新风机组来讲，基本上不存在备用现象，各风机随空调系统的运行时间变化。空调箱风机为商场类建筑的长期运行设备，在注重提高水泵效率的同时，不能忽视空调箱风机的高效节能运行。
● 宾馆饭店类建筑
宾馆饭店类建筑与商场和写字楼不同，虽然营业时间长，但由于受到旅游季节变化和入住率波动的影响，多数时间是在部分负荷下工作。
通过25栋宾馆2004年的单位面积电耗数据的比较，可以看出宾馆类建筑平均电耗在100～150kWh/2·a，但也有个别建筑耗电量超过200 kWh/m2·a。
从25栋宾馆类建筑中找出年单位面积电耗最高和最低的建筑进行逐月电耗数据比较，可以看出，夏季为旅游旺季，空调系统需长期运行，故总体上来看宾馆类建筑用电高峰亦在夏季。宾馆类建筑风机盘管功率虽小，但数量多，且一般宾馆冬夏均采用风机盘管系统，故其耗电量也不容忽视。
● 办公楼类建筑
办公楼类建筑，全年使用时间约为250天，每天工作8小时，设备全年运行时间为2000小时左右。由于人员数量决定电脑等设备的开启数量，室内照明相对固定，故写字办公楼类建筑室内热扰与人员数量密切相关。表6给出了选取6栋写字楼类建筑空调系统装机电功率数据及年单位面积电耗数据。
表6 栋办公室楼类建筑空调系统装机电功率及电耗
建筑
代码
建筑面积万m2
冷机
kW
冷冻泵
kW
冷却泵
kW
冷却塔风机kW
新风机
kW
空调箱
kW
风机盘管
kW
年单位
面积电耗
kWh/m2·a
A
5.5
875
222
105
79.2
55.6
623.7
9.146
138
B
5.6
1008
165
165
16.5
95.5
204.2
20
113
C
7.1
1588
375
300
90
35.2
203.5
52
101
D
8.3
1792
397
397
33
56.1
123.1
58.53
139
E
8.4
1895
238
238
36
93
88
81
109
F
11.6
1920
180
300
44
201
740
1.812
110

结 论
对于大型公共建筑而言，能源消耗情况非常复杂。建筑物的空调、照明、办公设备耗电三者性质不同。例如空调系统用电决定于运行方式和物业管理水平，而照明和办公设备用电则在很大程度上和建筑使用者的节能意识有关。对上述三者应采用不同的政策和管理手段。由于建筑物实际能耗和使用条件、入住率、设备效率衰减等诸多因素相关，只有实现建筑内各耗能环节分项计量，才可能真正把实际各类系统的能耗状况和合理的用能配额相比较，确定差异如何形成，明确进一步的节能潜力。
对于目前的建筑节能工作而言，首先需要对建筑物各用能环节和各系统的设备现状做一全面了解，包括各设备台数、装机容量、与之相关的参数等。其次，在没有分项计量工具的条件下，运行管理人员需要对重点用能设备进行详细记录，以便于分析各设备的运行状况和能耗水平。