智能樓宇用戶節能技術與策略探討

劉 旭 高林飛 施超寅

國網上海松江供電公司

0 引言

傳統電力行業技術日趨成熟，電力企業的外部矛盾從“用電需求增長和供電能力不足”已經轉化為“全社會電力成本承受能力與電網企業供電服務成本”之間的矛盾。電力體制改革需要在“安全”、“清潔”、“經濟”這三者之間尋求最合適的平衡。自用電環節，以提高清潔能源消納效率、實現源網荷儲的技術互動，并以客戶側泛在物聯網為手段，實現智慧能源綜合服務向低壓配電網和用電側延伸，并成為國網公司新業務的增長點。

2017 年，中國建筑能源消費總量為 9.47 億tce，占全國能源消費總量的21.11%,預測建筑能耗達峰年份 2040 年左右，達峰值為 12.18 億 tce。建筑CO2排放總量為20.44億t，占全國能源碳排放總量的19.5%，預測建筑CO2排放達峰年份2040年左右，達峰峰值為24.11億t。樓宇節能擁有巨大空間（見圖1）。

圖1 建筑能耗圖表

智能樓宇以建筑物作為基礎平臺，同時搭載信息設施、信息化應用、公共安全系統等，可以將建筑物或建筑群內的車庫管理、保安、照明、給排水、運輸、消防、電力、空調設備或系統進行統一有機管理，可將服務、系統、結構、管理優化組合為一體的智能建筑。目前，我國每年新增的建筑面積達20億m2，智能樓宇是未來城市建筑的發展趨勢，而樓宇節能將是節能發展中的重要一環。

1 樓宇的能源利用方面存在的問題

全球能源問題的日益突出及節能環保理念的不斷發展，建筑節能逐漸成為了緩解節能壓力的重要措施。目前，我國受建筑理念和技術水平的制約，建筑能耗普遍較高，主要是三個方面的問題（見圖2）：

1）運維水平低。運行人員依靠經驗運維，經驗不足易導致運行工況異常、問題頻發卻不知如何處理。員工事務多且雜，巡檢、抄表、開關機等，遇到故障等問題難以快速響應。

2）能源效率偏低。員工不能根據冷熱需求實時調控、能耗浪費現象明顯。設備運行處于非優化狀態，存在隱性浪費。

3）決策數據支撐不足。缺少設備運行數據的系統性分析，無法準確判斷設備能效，直接影響運行參數設定、設備更換、改造等決策合理性。

圖2 建筑節能制約原因

2 從技術方面分析智能樓宇的節能應用

2.1 暖通空調系統

智能樓宇的暖通空調系統是建筑能耗的主要部分，暖通空調系統的負荷包括熱負荷與冷負荷兩類，通過空調負荷量的數據分析，設計合理的系統設計方案，選擇空調設備及制定控制方案的策略。

暖通空調系統負荷占比為40%～60%，其在運行過程中存在的問題有以下三點（見圖3）。

當暖通空調系統處在部分負荷時，需對水泵進行臺數和運行頻率控制，保證水泵機組運行在最高效率點，降低水力輸送系統的運行電耗。

2）風機系統由于冷源系統實際出力偏小，為了維持設定的回風溫度，大部分空調箱風機工頻運行，導致風機能耗較高。

3）新風負荷作為空調系統的主要熱濕負荷，過大的新風量不僅增加了新風機組的耗電量，而且增大了冷源系統的耗電量。

圖3 暖通系統節能技術路徑

暖通系統實現節能可根據冷機能耗、制冷量、運行數據、環境數據、用戶行為數據、電價數據和國家相關標準，通過專業算法模型、控制策略庫對暖通系統實行負荷預測、設備能效評估、機組啟停優化和變頻改造等，最終達到節能目的。

2.2 照明系統

照明系統也是樓宇電能消耗的重要組成部分。照明系統負荷為15%～25%，可調節比例為3%～10%。一個科學的照明系統可以給樓宇節能減排帶來很好的效益。目前，樓宇照明的問題主要有電壓波動、運行功率低，用戶使用效率較低的電源、樓道等公共空間的燈長明不滅等，可采取如下措施：

1）應選用節能燈具，如LED燈、OLED燈、高壓鈉燈等。

2）制定照明系統的合理控制方案，根據使用環境實現照明區域分塊、分區域、分功能智能控制，如聲控和光控等。

案例分析：上海市黃浦區某大廈，車庫四層照明燈具約3 100 盞，光源為T5 燈管，每個燈管功率28 W，工作方式為7×24 h全亮。以智能雷達感應LED 燈管更換原燈管，節能率68%，對每條照明回路的電氣數據進行監控、實時掌控照明能耗，并進行動態控制。總投資85 萬，原車庫全年電費53萬，改造后電費每年17 萬，2 年半即可收回投資（見圖4）。

圖4 照明節能改造效益

2.3 供配電系統

樓宇的供配電電網線損一般都超過5%～10%以上，選用合理容量變壓器和投入自動無功補償裝置可以減少配電系統的損耗。

1）變壓器容量的選擇。變壓器容量偏小，樓宇的配電系統將長期處于超負荷運行狀態，導致增加過載消耗。變壓器容量偏大，其負載率將大幅下降，使其偏離合理的運行區段，增加空載損耗。選擇合適容量的變壓器，使負載率在60%～80%之間，將有利于減少變壓器的損耗。

2）無功補償裝置的選擇。變壓器的負載不變時，供、配電系統的電能利用率與功率因數成正相關。在實際運行中，因為負荷波動、諧波等因素干擾，功率因素會滿足不了系統運行在最優區段，因此配置運行容量至少30%的無功補償裝置，并使用自動投且裝置，可以提高系統電壓水平和功率因素，并提高綜合電能質量。

2.4 儲能系統

冰蓄冷技術是在通過低谷用電時段，將電能轉化為冰冷進行儲存，在用電高峰時段溶水，與冷凍機組共同供冷，將冰冷進行釋放。目前，上海市一般工商業的高壓用戶的分時電價差價較大，尤其在夏季峰、平時段的電價與谷時段電價差有約0.3 元和0.7元之多。冰蓄冷技術提高了對低谷時段電能的利用，減少了高峰時段電能的消耗，在優化了能源負荷的同時降低了用電費用。

2.5 電動汽車停車系統

為響應國家節能減排政策，電動汽車逐漸成為未來購車趨勢。在大型樓宇的地下停車庫增加充電樁的數量，可以充分利用夜間低谷電價為電動汽車充電，開源節流。

2.6 屋頂光伏系統

大型樓宇的屋頂面積廣闊，可利用閑置屋頂面積安裝屋頂光伏發電系統，根據意愿采取“自發自用，余電上網”來減少電費開支并獲取專項補貼，對優化能源結構、推動節能減排、實現經濟效益有重要意義。

3 供電公司可為樓宇用戶提供節能策略

分析樓宇歷史用電情況：對比不同時段不同用電系統的用電量；分析不同用電系統能耗等級；分析不同時段電能質量的信息和電能質量的提升。

根據節能數據的分析，節能策略主要包括以下方面：

1）根據不同的電價結構制定出最優的用電策略，實現系統的削峰填谷，節約電費的支出。

2）分析整棟樓宇負荷，制定出保證負荷平衡的用電策略，選擇最優的方案，以降低電網壓力，增加發電設備的效率，延長設備使用壽命。

3）分析歷史用電情況，為每個不同子系統制定相應的運行策略，以確保用電設備的高效運行。

4）分析樓宇用電負荷、電能質量、和電價結構等信息，從而制定新能源并網策略或充放電策略，最終達到節能的目標。

4 結語

綜合能源服務的大力開展，電力行業的“重資產”投資發展模式正在被驅動轉化由“信息化、精細化”為代表的輕資產服務模式替代，樓宇客戶對電力企業具有戰略意義，他們具有一些鮮明的特點：人員密集，事故停電甚至閃絡將會造成嚴重的社會影響；地位特殊，與電力企業有著長期密切關系；對電力企業未來的業務發展有著巨大的潛力等。電力企業其服務水平的高低，不但僅企業社會形象和經濟效益有關，也與社會經濟的發展息息相關。公司客戶服務的目標是增強公司服務水平和服務能力，提高對樓宇客戶供用電服務的品質，不斷提升客戶滿意度，實現社會效益和經濟效益的統一，因此做好樓宇節能工作有著非常重要的現實意義。