王文標(biāo)，尹冰玉，汪思源

(大連海事大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，遼寧 大連 116026)

0 引言

建筑能耗約占我國社會總能耗的三分之一，且隨著經(jīng)濟的發(fā)展，建筑能耗的比重呈增長趨勢［1］。其中北方城鎮(zhèn)采暖能耗約占建筑能耗的50% ～65%，是建筑節(jié)能關(guān)鍵環(huán)節(jié)。我國供熱系統(tǒng)能源綜合利用率僅為35%～55%，遠(yuǎn)低于80%的世界先進水平［2］。準(zhǔn)確掌握供熱整體運行情況、查找能源“短板”、分析節(jié)能潛力，是節(jié)能規(guī)劃工作面臨的首要問題。由于供熱系統(tǒng)的運行效率和供熱單位的管理水平良莠不齊，節(jié)能評價指標(biāo)體系的設(shè)計就成為供熱節(jié)能的核心問題，其合理性直接決定評價結(jié)果準(zhǔn)確與否。此外，為了保證節(jié)能獎勵政策的實施與合同能源管理的推廣，以及幫助業(yè)主決策節(jié)能項目，營造比學(xué)趕幫超的良好氛圍，節(jié)能量的確定舉足輕重。

在對我國供熱現(xiàn)狀的廣泛調(diào)研和深入分析的基礎(chǔ)上，明確界定節(jié)能的含義以及節(jié)能量概念;探討三種不同的節(jié)能量評價辦法;分別建立以氣象指標(biāo)等能耗影響因素為修正的節(jié)能量評價模型［3］和基于度日能耗的節(jié)能量計算方法。幫助用能單位“看到”節(jié)能項目帶來的節(jié)能效果和經(jīng)濟收益，為項目決策提供理論依據(jù)，也是減少節(jié)能服務(wù)公司與用能單位爭議的有效手段，促進節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用和合同能源管理的推廣。

1 問題的提出

1.1 供熱系統(tǒng)節(jié)能后評價辦法［4］

1.1.1 后評價定義

節(jié)能后評價是指針對系統(tǒng)實際運行情況，依據(jù)評價指標(biāo)，分析節(jié)能工作取得的成效和存在的不足，借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)供熱信息有效反饋，從而提高節(jié)能決策水平和運營管理水平，旨在供熱系統(tǒng)的運行優(yōu)化。

1.1.2 對比法

供熱節(jié)能后評價辦法包括Delphi法、層次分析法(AHP)、熵技術(shù)法、對比法以及成功度法等。其中對比法是我國項目后評價最常用的方法，分為“前后對比法”和“有無對比法”?！扒昂髮Ρ确ā笔枪?jié)能改造后，比較供熱實際與預(yù)測，分析二者偏離程度及產(chǎn)生原因;“有無對比法”是比較節(jié)能項目實施前后系統(tǒng)的實際運行情況，無特殊說明本文采用后者。

指標(biāo)體系的構(gòu)建是后評價工作的最重要內(nèi)容，評價指標(biāo)選取是否適宜直接決定評價結(jié)果的科學(xué)性與準(zhǔn)確性。

1.2 供熱節(jié)能評價指標(biāo)體系的構(gòu)建［5－6］

供熱節(jié)能評價指標(biāo)體系［7］由一系列衡量供熱各環(huán)能效水平的指標(biāo)或標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)成，是影響節(jié)能評價結(jié)果因素的集合。

評價指標(biāo)主要分三大類，即安全指標(biāo)、工藝指標(biāo)和能效指標(biāo)。安全指標(biāo)是前提，工藝指標(biāo)是保證，能效指標(biāo)是方向。

1.2.1 安全指標(biāo)

保證供熱品質(zhì)是供熱節(jié)能的前提，以國家及行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范為約束條件，采取一票否決制。主要包括:

(1)室溫合格率

是衡量供熱品質(zhì)的重要指標(biāo)，用戶室溫合格率應(yīng)在97%以上。

(2)運行事故率［8］

《城鎮(zhèn)供熱系統(tǒng)評價標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定供熱系統(tǒng)完好率應(yīng)在98%以上;鍋爐房供熱可靠度應(yīng)在85%以上;設(shè)備事故率應(yīng)在2‰以下。

(3)“三來”上訪率

指反映供熱問題經(jīng)查屬實的戶數(shù)占總用戶的比率，是衡量社會效益的重要指標(biāo)。

1.2.2 工藝指標(biāo)

用于評價供熱系統(tǒng)的先進工藝以及保障系統(tǒng)運行的調(diào)控手段。

(1)熱源配置合理性

熱源配置的合理性直接影響鍋爐效率。一直存在的“大馬拉小車”現(xiàn)象，就是由于選擇鍋爐的容量及臺數(shù)超過實際需求，導(dǎo)致鍋爐長期處于低負(fù)荷運行，造成資金和能源的極大浪費。保證主設(shè)備工作在設(shè)計負(fù)荷和工況下是節(jié)能的重要途徑。

(2)變頻節(jié)電技術(shù)

風(fēng)機、水泵作為鍋爐房的主要耗能設(shè)備，其耗電量占鍋爐房用電量的80%以上。利用變頻調(diào)速技術(shù)，當(dāng)轉(zhuǎn)速下降20%，耗電量減少48.8%，節(jié)電效果非常明顯。

(3)建筑物的熱工特性

建筑圍護結(jié)構(gòu)狀況及其所在地區(qū)氣候和采暖條件決定了建筑采暖耗熱量指標(biāo)。提高墻體保溫性能以及門窗氣密性能可以極大降低建筑采暖能耗。

(4)熱力、水力平衡工藝保障

水力失調(diào)嚴(yán)重影響供熱效果，冷熱不均造成能源的巨大浪費?！冻擎?zhèn)供熱系統(tǒng)評價標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定管網(wǎng)水力平衡度應(yīng)介于0.9～1.2。

1.2.3 能效指標(biāo)

(1)鍋爐熱效率

供熱節(jié)能效果必須最終落實到熱源處能源的節(jié)省量上，因此鍋爐效率的高低決定節(jié)能目標(biāo)能否實現(xiàn)?！冻擎?zhèn)供熱系統(tǒng)評價標(biāo)準(zhǔn)》對各類型鍋爐能效作出明確規(guī)定。

(2)管網(wǎng)輸送效率

主要受管道保溫材料、敷設(shè)方式、供熱半徑、泄漏等影響?！冻擎?zhèn)供熱系統(tǒng)評價標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定室外管網(wǎng)輸送效率不應(yīng)小于90%。

(3)采暖耗煤量

反映供熱系統(tǒng)整體效率，是衡量系統(tǒng)是否節(jié)能的重要指標(biāo)。

(4)供熱系統(tǒng)綜合效率

是指建筑物自身用熱量與供熱系統(tǒng)總能耗之比?？紤]各環(huán)節(jié)熱損失，是能夠描述供熱系統(tǒng)整體運行情況的指標(biāo)。

(5)單位面積(熱量)綜合能耗

綜合單耗全面地反映了供熱系統(tǒng)的總體能耗水平，具有良好的可比性。供熱節(jié)能評價須以確保社會效益和環(huán)境效益為前提，以降低能耗為目標(biāo)，以綜合單耗評價為重點，以節(jié)能措施為加分項。

1.3 相關(guān)概念

1.3.1 明確節(jié)能的定義

必須走出“減少能耗就是節(jié)能”的誤區(qū)。節(jié)能是一個相對的概念，是指在不影響生產(chǎn)發(fā)展和生活質(zhì)量前提下的用能管理;主要包括工藝節(jié)能、技術(shù)節(jié)能和管理節(jié)能。本文主要是指技術(shù)措施節(jié)能。

1.3.2 節(jié)能量概念

“節(jié)能量”是指滿足同等需要或達(dá)到相同目的條件下，一定時期內(nèi)能源消費減少的數(shù)量。需選定基準(zhǔn)指標(biāo)，通過對比得出［9］。

本文將其界定為立足現(xiàn)有規(guī)模設(shè)備，剔除氣象等因素影響的供熱系統(tǒng)實際節(jié)能量。

2 供熱系統(tǒng)節(jié)能量評價模型

節(jié)能量是節(jié)能改造項目最重要的產(chǎn)出，是合同能源管理的核心產(chǎn)品，也是政府落實節(jié)能獎勵政策的主要依據(jù)。但節(jié)能量不屬于直觀的產(chǎn)出，必須通過實際監(jiān)測或計算得到。下文將詳細(xì)探討節(jié)能量評價辦法。

2.1 節(jié)能量基準(zhǔn)模型［10］

式中 Eb/Ea——節(jié)能改造前/后系統(tǒng)能耗/ tce。本文以改造前后能耗偏差為基準(zhǔn)模型，以理論實踐為支撐，對該結(jié)果進行修正。

2.2 “國標(biāo)”節(jié)能量模型［11－12］

式中 eb/ea為節(jié)能改造前/后建筑端單位熱量能耗;

Pa——節(jié)能技改后采暖建筑用熱量。值得注意的是，為衡量供熱系統(tǒng)整體能效，須考慮熱源及熱網(wǎng)效率，故計算單位熱量能耗e時，分子選取熱源側(cè)總能耗量，分母選取建筑實際用熱量。

2.3 基于能耗修正系數(shù)的節(jié)能量模型

節(jié)能效果主要取決于供熱系統(tǒng)能效，同時受諸多外界因素約束。缺乏消除擾動量影響的有效措施，極大地制約了合同能源管理在供熱領(lǐng)域的應(yīng)用。為準(zhǔn)確評價真實節(jié)能量，必須將供熱能耗修正到基準(zhǔn)條件下，這直接決定了節(jié)能量評價結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.3.1 室內(nèi)熱環(huán)境修正系數(shù)ηe

首先，必須構(gòu)造相同的熱環(huán)境條件。修正公式如下

式中 to——室外計算溫度;

tb/ta——節(jié)能改造前/后室內(nèi)平均溫度。

2.3.2 室外氣象修正系數(shù)ηw

供熱能耗受室外氣象環(huán)境的影響較大。采用基于采暖度日數(shù)的氣象修正辦法，構(gòu)造相同室外環(huán)境。修正公式如下

式中 HDDd——當(dāng)?shù)卦O(shè)計采暖度日數(shù)/℃·d;

HDDr——當(dāng)年實際采暖度日數(shù)/℃·d。

2.3.3 系統(tǒng)運行時間修正系數(shù)ηr

系統(tǒng)運行時間也是導(dǎo)致能耗差異的重要因素。修正公式如下

式中 tb/ta——節(jié)能改造前/后運行時間/h。

必須注意，同一地區(qū)暖/寒差異引起采暖天數(shù)的調(diào)整，納入公式(2)的氣象修正更為合理。

2.3.4 供熱負(fù)荷修正系數(shù)ηl

供熱面積變化容易導(dǎo)致供熱能耗的大幅增減。修正公式如下

式中 Ad/Ar——系統(tǒng)設(shè)計/實際供熱面積/m2。

2.3.5 節(jié)能量修正模型

以設(shè)計條件或節(jié)能技改前為基準(zhǔn)，對氣象條件等四個主要影響因素進行修正，構(gòu)建了節(jié)能量評價的修正模型

公式(7)改變了目前供熱節(jié)能評價多為定性評價的局面，推動企業(yè)節(jié)能改造項目的開展以及節(jié)能量獎勵機制的完善，也為合同能源管理提供了節(jié)能量認(rèn)定方法［13］。

2.4 基于度日能耗的節(jié)能量模型

2.4.1 采暖度日值

是指采暖期室內(nèi)溫度與室外溫度差值的和。計算公式如下

式中 Tn——室內(nèi)基準(zhǔn)溫度/℃一般取18℃;

Ti——室外日平均溫度/℃; z——冬季Ti＜18℃的天數(shù)。

2.4.2 單位面積度日能耗概念［14］

單位面積度日能耗，下文簡稱度日能耗，是指采暖期單位面積建筑室內(nèi)溫度每提升1℃的綜合能源消耗量。計算公式如下

式中 ∑E——采暖季綜合能源消耗量/tce;

HDD——當(dāng)年采暖度日值/℃·d;

A——熱源帶暖面積/m2。

2.4.3 基于度日能耗的節(jié)能量模型

將采暖季同期能耗數(shù)據(jù)進行比較，計算度日能耗差值Δqhdd，得到單位采暖周期內(nèi)供熱系統(tǒng)節(jié)能量ΔE。計算公式如下

由于消除了氣象條件干擾，節(jié)能量ΔE主要取決于供熱系統(tǒng)效率和節(jié)能管理能力，作為供熱節(jié)能量評價指標(biāo)具有普遍適用性。

3 某高校應(yīng)用實例分析

某高校建立了基于物聯(lián)網(wǎng)的供熱節(jié)能監(jiān)管系統(tǒng)(如圖1)，通過對能耗的實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，使節(jié)能管理更加科學(xué)、細(xì)致，實現(xiàn)供熱系統(tǒng)優(yōu)化升級。

圖1 供熱節(jié)能監(jiān)管系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Heating system block diagram

該校供熱系統(tǒng)于2011年10月和2012年10月進行了兩次節(jié)能改造，改造前后供熱數(shù)據(jù)如表1所示。

采用上文所述三種模型確定該校采暖節(jié)能量，模型中各參數(shù)計算結(jié)果如表2所示。

表1 改造前后供熱數(shù)據(jù)Tab.1 Heating data before and after reformation

表2 節(jié)能量計算模型中的參數(shù)Tab.2 The parameters in energy－saving quantity models

容易看出:利用三種不同模型得到的節(jié)能量指標(biāo)存在一定差異。其中“國標(biāo)法”得到的節(jié)能量最少。分析其產(chǎn)生原因，發(fā)現(xiàn)“國標(biāo)法”在保證建筑側(cè)用熱量基本不變時，評價結(jié)果準(zhǔn)確可靠;而當(dāng)技術(shù)措施實施前后有較大變化時，其計算值存在一定誤差，導(dǎo)致節(jié)能量核查結(jié)果的虛增或低估［15］。而由于帶暖面積和氣候條件等因素影響，這種情況往往普遍存在。這也是“國標(biāo)法”的主要不足。

三個采暖季的單位面積度日能耗如表2所示，度日能耗指標(biāo)呈下降趨勢，主要源于工藝技術(shù)的優(yōu)化和節(jié)能監(jiān)管力度的加強。其中2012～2013年采暖季度日能耗指標(biāo)下降幅度較大，這要歸功于節(jié)能監(jiān)管系統(tǒng)的可靠運行和績效考評體系的合理構(gòu)建。

值得注意的是，表1中2012～2013年采暖季的綜合能耗最高，主要是因為采暖季供熱負(fù)荷面積的擴充以及采暖期氣候較往年偏冷，此外，為改善師生工作、學(xué)習(xí)環(huán)境延長供暖5天。利用方法二的節(jié)能量修正模型，消除采暖能耗影響因素的干擾，得到相對公平準(zhǔn)確的評價結(jié)果。

該高校2012～2013年采暖季完成環(huán)比節(jié)能1 552.7 tce。累計節(jié)約能源成本240多萬，約減少排放CO26 000 t，SO240 t，實現(xiàn)經(jīng)濟效益、社會效益和環(huán)境效益三方共贏。

4 結(jié)論與展望

從影響能耗的主要影響因素入手，建立基于外因修正的節(jié)能量模型，得到供熱系統(tǒng)真實節(jié)能量，實現(xiàn)供熱系統(tǒng)節(jié)能成效量化評比;而度日能耗指標(biāo)，剔除了氣象環(huán)境的干擾，客觀描述建筑物的用熱需求，直接反映供熱系統(tǒng)能效，作為節(jié)能后評價指標(biāo)具有普遍適用性。

借助新興物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，輔以適當(dāng)供熱計量，最終實現(xiàn)節(jié)能管理“由粗到細(xì)，由表及里”。本文節(jié)能量修正模型中的部分參數(shù)有待細(xì)化修正;采暖度日值僅是基于溫度計算而得，其準(zhǔn)確性尚待提高。選用恰當(dāng)?shù)墓?jié)能量確定方法是保證供熱節(jié)能后評價準(zhǔn)確性和公正性的前提，也是發(fā)揮合同能源管理先進性的重要條件。

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