基于PDCA循環的動態設備用能管理研究

孫麗平

中共青島市委黨校

0 引言

我國公共機構節能已進入法制化軌道，并逐漸形成了公共機構保障與節約并重的工作格局。目前有些公共機構雖有用能規劃設計，但由于設備管理相關人員專業化水平低，投入資金有限，執行過程中介入程度不深，設備能源管理精細化程度不夠，能源數據缺乏深入分析，檢查和反饋、改進相對不足等問題。分析用能數據，發現有的能耗指標連年攀升，而有的則由于有計劃采用了一系列的流量控制和管理措施，逐年下降。由此說明，節能管理關鍵在于“可控”[1]，而閉環是可控的重要條件。設定了年度目標，做好規劃和實施、檢查、反饋、改進，再檢查、再反饋、再改進，往復循環、不斷完善，節能才能取得成效，由此引入了PDCA循環理論。

基于PDCA循環理論的動態設備用能管理研究的提出，正是基于這一工作要求，力爭在滿足室內舒適度的前提下，使設備用能達到節能降耗要求。

1 公共機構設備用能現狀

以某市委黨校為研究對象,校內共有13 個建筑單元，占地面積7.1萬m2。空調采暖面積6.45萬m2，設備用能見圖2。黨校是公共機構的用能大戶，近三年水電暖總支出近1 000 萬元。近幾年培訓量連創歷史新高，每年比上一年度增長約1 000 人，加大了用能量；另一方面，雖有用能規劃設計，但執行過程中介入程度不深，檢查和反饋、改進相對不足。分析用能數據發現，對于某類能耗采用了一系列的流量控制和管理措施，費用逐年下降。由此說明，節能管理關鍵在于“可控”，而閉環是可控的重要條件。設定了年度目標，做好規劃和實施、檢查、反饋、改進，再檢查、再反饋、再改進，往復循環、不斷完善，節能才能取得成效。

基于PDCA 循環的動態設備用能管理與當下用能現狀相結合[2], 運用科學的管理理論和方法對用能進行全過程控制，從能源管理流程規劃、實施、檢查、處置入手，規范設備能源使用，旨在建立高效的能耗控制和管理體制，最終達到保證安全和舒適度前提下的延長設備使用壽命、減少維修成本、降低用能開支的目的。同時建立能耗預警機制，指導合理用能，將人均能耗控制在合理范圍內，使設備用能管理逐步走向標準化、規范化、科學化。

2 PDCA循環理論

2.1 PDCA循環理論概述

PDCA循環理論是著名的全面質量管理的理論模型，如圖 1 所示，由 P(Plan)計劃、D(Do)實施、C(Check)檢查及A(Action)處理組成，通過對這四個環節的精心運作以達到最初設定的目標。PDCA循環的特點是動態的，呈螺旋狀的上升式循環，每滾動一個周期，管理質量提高一步。其優點在于持續改進、不斷完善且永無止境。

圖1 PDCA循環理論模型

2.2 PDCA循環理論在動態設備能源管理方面的應用

將PDCA 循環理論應用于能源管理中[3]，從事前，事中，事后，將能源管理和設備運行管理集成，對用能實現全過程控制，并形成閉環，以實現持續改進的能耗預警和動態的能源使用優化。基于PDCA的動態設備用能管理循環的四個階段見表1。

在P 階段，制訂計劃。首先是找出問題，分析原因，確定主要因素，針對主要因素，制訂措施。具體到用能上，制訂節能方針，設定設備用能定額指標，設定用戶舒適目標，進行優化和排序。

在D 階段，實施用能管理方案。選取節能措施，跟蹤設備能耗數據，督導設備用能，進行節能潛力分析，按相應標準健全技術資料。

在C 階段，檢查糾正實施的結果。對比歷史數據和監測數據，分析關鍵績效指標，判斷是否達到預期效果。對能源計劃和執行情況進行考核糾正，進行再檢測。

在A階段，優化措施，準備進入下一循環。根據檢查結果進行總結，把成功的經驗和失敗的教訓都納入標準、規程、制度之中，鞏固已經取得的成績。

某市委黨校采用PDCA 循環理論進行設備用能管理取得了明顯成效,本文以其為例進行闡述分析。

3 研究過程

3.1 用能分析

青島市委黨校占地面積7.1 萬m2，現有18 個部門，編制人數260 人，編外職工260 人，全年培訓達5 萬多人次，高峰期培訓學員400 余人。校內建筑分為綜合樓、教學樓、多功能樓以及10座學員樓，總面積為7.1 萬m2。空調采暖面積64 517m2，特殊區域包括信息網絡中心及計算機房、廚房以及消防監控室，面積共3 700 m2。設備用能包括常規用能，特殊區域用能和水耗,如圖2。黨校培訓人數不固定，根據全年培訓總數平均到每個月的用能人數約870 人。

表1 基于PDCA的動態設備用能管理循環的4個階段

圖2 青島市委黨校設備用能圖

3.2 借鑒PDCA循環理論

3.2.1 P（plan）計劃階段

分析原因，設定目標。根據“十三五”節能減排綜合工作方案，2020年公共機構單位建筑面積能耗和人均能耗分別比2015 年降低10%和11%。針對這一目標，對近五年設備用能情況進行盤點，深入分析各項數據，查找用能漏洞，分析節能潛力。

以2019 年的電耗為例進行分析，如表2 和圖3所示，總耗電量為2 615 516 kWh，分項電耗總計為2 510 895 kWh，差值為104 620 kWh。

表2 用電設備分項計量

圖3 用電設備能耗占比

從耗電量分項比例分布圖可見，特殊區域設備多且集中，部分設備24 小時運行，因此為主要耗電系統，其耗電量占總用電能耗的56%，其次為綜合服務系統，占總電耗的23%。由于黨校能源系統復雜，未對分系統分能源種類進行分項計量，正陸續對計量儀器的安裝工作進行完善，目前僅針對模塊的總量計算。圍繞電耗，查找總耗電量和分項耗電量存在較大誤差的原因如下：

1)外圍護結構熱工性能差

外圍護結構的熱損失是建筑物能耗的主要部分，占建筑物能耗的50%以上，因此需要發現外墻和外窗的節能潛力。綜合樓、多功能樓、1～3 號學員樓外墻實貼瓷磚，且有剝落現象，教學樓，8～12號樓為外墻涂料，熱工性能較差，增加了空調負荷，使能耗加大。需要對外墻進行保溫處理，提高保溫性能。

2)鋁合金外窗保溫效果差

綜合樓和教學樓為單層玻璃，保溫性能一般，使空調負荷加大。雙層窗的傳熱系數比單層窗降低一半，窗上加貼透明聚酯膜，使用低輻射玻璃，改善隔熱效果和透光性。在室內側的玻璃窗的傳熱系數比普通玻璃窗低40%左右，可大幅降低因輻射而造成的室內熱能向室外傳遞，改善保溫性能。

3)特殊區域線路老化

檢查發現，消防監控系統由于線路布置長以及線路老化等原因，其線路損失占用電量較大比例，需要檢修各線路，更換老化線路，以免造成電浪費和安全隱患。廚房設備多而雜，在非使用階段沒有及時切斷電源、開關等造成不必要的電能浪費。

4)綜合服務系統有節電潛力

對電梯系統的運行，除高峰時間，電梯在平時空載率較高，有不必要的能源消耗。需要對電梯進行技術改造和加強運行管理。

5)制度不夠健全

在制訂節能管理制度中，應著重特殊用能區域的節能管理，如廚房，能源種類多樣，設備多，能耗集中，極易忽視。要做到制度制訂的全面性，并做好落實，定期檢查，并公示檢查結果，納入部門考核。

6)目標不清晰

制訂了節電率、節水率等節能目標，但尚未制訂單位建筑面積能耗下降率、人均能耗下降率等節能目標。應建立健全節能目標責任制，根據國家要求，細化各項能耗指標，制訂單位建筑面積能耗下降率、人均能耗下降率等年度和長期節能目標，采取有力措施，加強過程控制，確保完成節能目標。

7)缺少獎懲激勵制度

目前節能工作的開展主要是建筑管理人員根據建筑的實際用能落實上級下發的節能目標。各部門沒有對超額完成指標的實行獎勵制度。行為節能作用不可估量，提高員工節能意識，激勵落實節能減排工作的積極性，減少不合理用能，對節能工作的開展具有重要意義。

8)能耗分項計量不精細

建筑年代較久，能源系統復雜，也未對采暖通風空調、照明系統、室內設備、綜合服務系統和特殊區域等分系統分能源種類進行分項計量。雖然相關負責人員對計量儀器的安裝工作進行完善，但是目前還只是針對模塊的總量，仍然無法區分每項系統的用能情況。

9)節能知識培訓欠缺

進一步加大宣傳力度，提高員工節能意識，有利于節能工作的順利開展。

3.2.2 D 實施階段：實施計劃，技術改造，嵌套PDCA循環

全校用電占水、電、油、燃氣等能源總消耗的一半，空調電耗占總能耗的比例約為13%，是電能消耗的首要來源之一。以空調電耗為例進行嵌套PDCA 循環，此分支循環用P"D"C"A"表示，從運行管理和技術改造兩個方面進行空調的節能研究。

P’計劃：分析空調設備能夠節能的主要部分和實際空間

節能目標是為了降耗、減排，保證正常能源使用不受影響，房間溫度舒適度正常，而不是能源使用的控制。分析能夠節約的主要部分和實際空間,實現空調使用過程中的各環節的控制、報警及故障定位、安全監測, 使能源管理發揮最大的作用, 保證廣大學員和教職工的合理用能。分析原因，發現問題如下：

(1)綜合樓和教學樓部分空調室外主機的連接管保溫層的外保護層老化脫落，造成冷熱損失，且空調外機換熱器較臟，影響外機的傳熱效果。

(2)三號樓和多功能樓的變壓器負荷分配不均，三號樓變壓器在空調不運行期間處于低負荷運行，造成能源浪費。

(3)制冷系統冷卻水泵和冷凍泵使用時間較長，能耗、噪音大且漏水。

(4)綜合樓的鋁制窗跑氣漏風嚴重，冬天不保暖，夏天不隔熱，造成能源浪費。

D’實施:進行技術改造，抓好流量管控

(1)對空調系統進行全面維護保養，定期對空調系統的室外和室內機進行清洗，提高空調的換熱效率。

(2)通過改變接線方式和運行方式，提高變壓器運行負荷率，以提高變壓器運行經濟性。

(3)對辦公樓、1～3 號學員樓進行維修改造，對外立墻面、屋面防水節能保溫處理及門窗進行改造更換。

(4)對上述區域水泵系統進行更新。

(5)根據天氣變化，隨時修正空調和采暖機組的工作參數，夏季控制辦公室溫度不低于26 ℃，冬季不超過20℃，改變了過去設置參數保持不變的操作方法，從而達到節電的目的。

(6)縮短空調的開機時間，將開機時間推遲1 小時，關機時間提前1小時，并且要求在空調運行期間關閉門窗，以減少能量損失。

C’檢查：檢查實施，進行評估

嚴格執行設備管理規定，加強設備檢修，全過程做好節能評估工作，及時維護保養設備，確保其安全高效運行。經統計，2019-2020 年度整個供暖季共用熱量14 409 GJ，較上一年度17 931 GJ，熱量消耗下降了19.6%，采暖費較上一年節約28.9 萬元。

A’處置：總結經驗，轉入下一循環

下一步研究的方向轉入下一個PDCA 循環。下面是節能潛力再分析，規劃技術改造新目標：

(1)根據制冷需求，升級控制系統。使空調系統能夠遠程控制機組開啟次數和參數。

(2)引入余熱回收技術，進行節能降耗。集中式空調設備可以使用熱回收技術，用于加熱生活熱水，以減少空氣源熱泵的消耗，可以大幅提高能源利用效率。

(3)對空調系統末端設備安裝遠紅外空調電源控制器，在使用率低的區域，安裝在場傳感器，自動控制空調的開關。

(4)安裝室內溫濕度感應器，以調節供能端的能源供給。

D階段采取其他措施全面實現能量管控：

（1）電梯：對1～3 樓層設置為高區運行，低區走樓梯，電梯節電率達30%，節能又健身。在寒暑假關停部分電梯，每棟建筑只保留一部電梯運行，減少空載率和待機耗電。

（2）暖氣：在做好日常設備管理的同時，注重優化機組運行管控，在整個供暖季，根據人員在校情況和天氣情況及時變換機組運行方式，靈活調整暖氣閥門大小，將出水溫度控制在50～60 ℃之間（天氣寒冷時溫度在80～90 ℃），放假期間使部分樓宇低溫運行，有效降低熱流量；控制生活熱水的使用，減少管網損耗；加大跑冒滴漏的檢查與處理工作。

（3）空氣源泵：對余熱機組進行升級改造，使機組的氣密性更加可靠，機組真空始終保持在要求值以下，減少開機頻次，從而達到降耗目的。

（4）辦公樓水電設備：按時檢查辦公樓內的水電設備的運行狀況，發現問題及時處理，避免設備帶病工作。

（5）照明：堅決杜絕長明燈、長流水，要求各部門工作結束離開要及時關閉相應電器電源，減少待機損耗，大部分區域都安裝了感應燈。

（6）獎懲：加強節能管理，將節能降耗工作納入部門年終考核，實行節獎超罰的管理制度。

3.2.3 C 檢查階段：定量分析，診斷評價目標完成情況

對能源利用效率、消耗水平，能源經濟和環境效果進行監測，評價目標完成情況[4]。通過現場測試，選取典型功能房間，對建筑室內的溫度，濕度，CO2濃度和光照度進行抽檢，分析室內環境狀況。檢查總能耗，分析照明、空調、電梯、辦公設備和特殊區域等主要用能子系統的能耗，計算各系統的能耗指標。

通過分析總能耗得出，2019年水電熱力消耗較前兩年有明顯下降的趨勢，人均一次能源消耗下降12.21%，單位建筑面積一次能源消耗下降12.21%。2016年水耗有所上升，原因是冬季利用換熱板塊加熱生活熱水，導致市政用水增加，在采取積極的節能措施后，下降4.6%。2019 年培訓人次增加，在基礎設施不變的情況下，能耗量下降，體現用PDCA 循環理論進行設備用能管理的優良成果。

單獨分析用能大戶——電耗，以2017 年和2018 全年電耗數據為例，如圖5 所示，全年逐月用電除1、8、9 月份外較平均。由于1 月份處于冬季采暖季，以集中供熱為主，也輔以部分的分體式空調。8月份電量偏高與天氣炎熱開啟空調有關，9月偏高與秋季開學學員人數增多有關。2 月份處于假期，用電量最小。圖4 為2017 年和2018 年電耗比較縱向曲線。

根據表3近五年電能消耗數據，將電耗、水耗和熱力消耗進行標煤系數折算：

熱力(1 000 MJ)折標煤系數 34.12，水(萬 t) 折標煤系數0.857，電力(萬 kWh) 折標煤系數(當量值)1.229。

建筑面積按照7.1 萬m2計算，每日用能人數按870 人計算。由于天然氣并非每月繳費，而是采用充值消費或季節繳費的方式，此處不作討論。

圖4 2017 年和2018 年電耗比較縱向曲線

表3 2015-2019五年能耗折標煤數據

根據“十三五”節能減排綜合工作方案，2020年公共機構單位建筑面積能耗和人均能耗分別比2015 年降低10%和11%。由表3 計算得出，2019年人均能耗比2015 年人均能耗下降了27.18%。單位建筑面積能耗下降了27.22%。

3.2.4 A 處理階段：總結經驗教訓，修正管理標準，轉入下一個PDCA管理循環

基于PDCA 循環的設備用能管理結果驗證：2019 年實際總電耗為2 615 516 kWh，分項電耗總計為2 510 895.36 kWh。

電耗平衡驗證系數為：分項電耗之和/總電耗=2 510 895.36 kWh/2 615 516 kWh=0.96,

滿足《國家機關辦公建筑和大型公共建筑能源審計導則》誤差小于0.15 的要求。分項電耗之所以低于實際值，是因為某些設備統計困難以及使用率預估與實際有偏差造成。將其作為來年能源數據統計和節能指標[5]的參考。圖5 為2020 年7月建筑總用電月耗比較縱向曲線圖。

圖5 2020年7月建筑總用電月能耗比較縱向曲線圖

將近五年能耗逐月數據納入對比圖，如圖6 所示，可以看出，2015-2019 年，電耗呈現平穩下降趨勢，這和黨校一系列節電措施的實施有著不可分割的關系。新的節能思路的計劃和落實待轉入下一個PDCA循環的P 環節[6]，不斷循環下去。

圖6 2015-2019 電耗和熱力消耗比較圖

4 結論

在設備用能管理過程中，要不斷推進技術改造研究和實施, 通過實現科學管理,發現消耗漏洞、管理漏洞，加快節能減排新技術的應用，并持續探索節能工作的新模式和新途徑,把能源管控工作做好做細,將有限的資源用于保障教學科研工作。