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綜合能源的一角—如何提高(園區)建筑能效?

作者:中國儲能網新聞中心 來源:交能網 發布時間:2019-11-07 瀏覽:
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為滿足日益增長的能源需求和應對氣候變化,一種新型的、為滿足終端客戶多元化能源生產與消費的能源服務方式在各國應運而生,即我們所說的綜合能源。但綜合能源的所涉及實在太廣,根據規模定義,有大的能源系統層面的綜合能源規劃,涉及到多種能源的集中生產、協調運輸分配、銷售、消費等;小范圍內的綜合能源則主要是指以需求為導向的綜合能源服務,涉及分布式能源生產供應規劃與用戶側的能源需求的相協調,目的在于追求能效的提升,以達到節能減排的目標。

目前我們所說的綜合能源服務,主要是指園區層面或一定范圍內城區的電、氣、冷、熱等的多元化能源供應和多樣化增值服務。就園區來說,主要能耗來自于,建筑、工業與交通三大部門,因此,建筑能效管理可以說是綜合能源服務的重要組成部分。

交能網將以建筑能效管理這一主題開啟新的系列,就實際技術層面,探討建筑綜合能源該如何實施。

建筑能源現狀

在能源消費結構中,建筑能耗已經占到我國社會總能耗的30%,隨著人民對生活品質的要求不斷提升,這一比例有望繼續增加。2010年7月5日,聯合國環境署在上海世博會發布的中文版的《建筑與氣候變化:決策者摘要》報告顯示,建筑行業占全球溫室氣體排放的30%,并消耗了40%的全球能源。因此,建筑節能被認為是實現碳減排目標的關鍵領域。

“十一五”以來中國建筑節能在法規制度、激勵政策、標準體系、技術進步、產業支撐等方面均取得了一定進展,新建建筑節能、既有建筑節能改造、可再生能源規模化應用、綠色建筑推廣等專項工作成效顯著。據報道十一五期間:“全國累計節能建筑面積40.8億平方米,可形成3600萬噸標準煤的節能能力,每年可減排二氧化碳9360萬噸;北方采暖地區既有建筑供熱計量改造穩步推進,截止2009年采暖季前,北方15個省份完成節能改造面積共計1億多平方米。在國家發改委和國家能源局發布的《能源發展“十三五”規劃》中,也明確規定了在“十三五”期間,即2020年以前,單位能耗進一步降低15%以上。

盡管如此,中國在建筑節能方面仍然存在著一些矛盾和問題,主要包括新建建筑仍有不少沒有完全執行建筑節能標準,建筑節能改造任務十分艱巨,供熱采暖系統運行效率不高,以及建筑節能技術、產品和材料等還不能滿足實際需要等問題。截止至2015年底,中國的既有建筑總面積約560億平方米,其中城鎮既有建筑面積約273億平方米,而未按節能標準建造的高能耗建筑占76.9%。這些問題的存在,是多方面因素的結果,因此我國建筑節能事業仍有待進一步提高。

建筑節能改造的途徑

就園區建筑節能改造來說,通常可分為建筑維護結構節能改造、建筑用能設備節能改造、建筑供能方案改造及建設能源管理系統等幾方面。本系列將從以上幾點分別介紹建筑節能該如何進行,以下僅簡單概述各方面要點:

建筑圍護結構改造

其中建筑維護結構改造,可以從以下方面進行:

1、建筑墻體屋頂等圍護結構的保溫:通過增加維護結構保溫層,降低建筑熱傳導系數,從而降低建筑冬季熱負荷及夏季冷負荷。此外,改造過程中還需著重考慮建筑冷熱橋處的保溫,即傳熱系數比相鄰部位大得多的部位,需著重考慮。                        

2、建筑相變材料:除此之外,建筑維護結構改造還可從建筑材料本身著手,如墻體部分材料或天花板可采用采用PCM相變材料,相變材料能作為儲熱材料,可有效將建筑本體維持在一定溫度范圍。

3、建筑外涂及綠化:針對建筑外觀,可以適當原則建筑外涂層涂料,以改善建筑墻體的光線吸收和反射情況。或可采用建筑綠化,即通過在建筑物室內外墻壁或屋頂栽植各種植物來綠化、美化建筑,營造一種局部的自然生態氛圍。這種建筑改造,不僅能夠美化建筑外觀,也可有效降低夏季室內溫度2~5度。

4、建筑遮陽:適當采用建筑墻體或窗體遮陽,也能有效降低建筑負荷。

建筑用能設備節能改造

對于建筑用能設備節能改造,則可從建筑內部暖通空調、照明系統等用能設備著手。

其中暖通空調可分為建筑供暖系統及空調通風系統:

對于建筑供暖系統節能改造,可從供暖管道保溫著手,降低供熱傳輸過程中熱損失;或通過調節管道系統水力平衡,輔以高效的變頻節能泵,降低泵的能耗損失;此外還可通過調節管道中水流量及供回水溫度達到節能目的,如采用可自動調節暖氣閥,結合傳感器及建筑自控系統,實現按需供暖,此類措施可實現節能效果20%以上。

同理,對于建筑空調通風系統可通過采用變流量/變體積系統,結合傳感器及自控閥實現自動調節送風狀態點,如降低送風與室內溫差,以實現節能。

對于建筑照明系統節能,首先可以用LED燈管替換老舊高能耗燈管,僅僅這一步,在實踐中就可實現照明節能效率提升50%以上。若采用可調節照度照明技術,同時也結合傳感器及建筑自控系統,能效可進一步提升20%以上。

建筑供能側改造

建筑供能側改造是目前綜合能源服務的焦點,城區及園區的能源供應包括電、熱、冷、氣等。對于我國南方不供暖區域小型建筑或一般商業建筑,一般不配備供能設備,或僅配備小型柴油發電機或儲能電池,以作備用電源。然而對于大型商圈或工業園區,能源的自給尤為重要。

其中電力可部分或全部通過可再生能源供應,剩余電力負荷從電網獲取,電力自主供應一般可通過分布式光伏、風電等多種新能源,配合儲能及小型(冷)熱電聯產;熱需求可通過鍋爐、熱電聯產、光熱、熱泵配合儲熱供應;冷量通過壓縮式或吸收式制冷機或冷熱電聯產供應;燃氣則多與當地氣網直接獲取,或就近生產生物質燃氣。

綜上,一般采用的高效供能方案設備包括,鍋爐+(冷)熱電聯產+新能源設備+熱泵+制冷機+儲能設備+熱網電網。這些設備的選擇對于能效提升也尤為重要:

鍋爐:其中鍋爐改造尤為重要,現階段我國供熱多為鍋爐供熱,大量鍋爐仍十分老舊,效率低下。鍋爐改造可從以下幾點入手:以低溫廢氣節能鍋爐更換傳統鍋爐,普通鍋爐由于廢氣溫度很高,效率較低;低溫廢氣鍋爐,可將廢氣中的熱量回收,廢氣溫度可降至50℃,大大提高鍋爐效率。

熱電聯產:此外,園區電熱還可通過小型熱電聯產同時供應,由于熱電聯產燃料利用效率可以高達92%(燃料電池熱電聯產高達97%),且回收期較短一般6-8年,在國外,如德國、日本比較受青睞。但目前由于我國氣電價格比過高,經濟性難以保證,一般燃氣熱電聯產僅作為示范項目。

新能源設備:新能源設備主要包括光伏、光熱、分布式風電。其中分布式光伏可與多種建筑維護結構結合起來,形成建筑光伏一體化的特殊建筑形式;光熱及分布式風電目前常安裝于屋頂,以節省空間資源。此外,還可使用生物質燃氣或合成燃氣,以代替傳統化石能源,作為鍋爐或熱電聯產燃料來源。儲能設備:包含儲能電池和儲熱初冷設備,其中儲能電池是用于電力負荷較低時,存儲風電光電的剩余電力,保障新能源的有效利用;儲熱設備,可將光熱產生熱量存儲,或新能源電力過剩時,由熱泵或制冷機,將電力轉換成熱量或冷,存儲起來。

建筑管理系統建設

上面提到的幾點都是從硬件改造層面對建筑進行改造來提高能效;在實際運營過程中,通過對需求側用戶的用能行為數據進行分析,結合建筑自控系統,也能夠達到一定節能效率。為了幫助建筑或園區更好的節能減排,實現能源消耗可視化管理及自動管控,能源管理系統當然必不可少。通過建立智慧的能源管理系統,在能源需求側實施有效的、按需使用的能源管理和利用體系,將極大的提高能源的利用效率,避免能源的無效浪費。互聯網技術的迅速發展,人工智能的火熱,為建設高效智能的能源管理系統提供了非常好的技術支持。

建筑能源管理系統包括建筑能耗監控系統及建筑自動化系統兩部分(BEMS=Energy monitoring + building control)。隨著物聯網技術的逐漸成熟,基于物聯網的建筑能耗監控系統更加受到青睞。通過物聯網技術,可以通過各類信息傳感器,將室內信息如:溫濕度、照度、人數、CO2濃度等舒適性相關參數,以及各類用能及供能能設備,比如:暖通空調、燈管、泵、鍋爐或其他供能設備的運行參數收集起來,然后通過各類網絡技術上傳至本地服務器或云端,再結合可視化技術,實現建筑能耗的全面可視化管理。對用能數據進行分析,也可以有效發掘建筑運行過程中的節能潛力,根據實際操作經驗,節能潛力可達20-40%不等。

如果說建筑能耗監控系統是節能潛力的發掘者,那么建筑自控系統就是建筑節能的實施者,通過建筑自控系統,可實現建筑各類用能及供能設備的自控控制的同時,為用戶提供安全、舒適、便捷高效的工作與生活環境,并使整個系統和其中的各種設備處在最佳的工作狀態,從而延長能耗設備壽命、減少管理成本、降低建筑物整體能耗。傳統的建筑自控系統一般有一下兩種模式:

· 按日程表控制,例如空調、暖氣的定時開關,

·  按參數控制,事先設定各類設備參數的閾值,當參數達到某種閾值時自動啟停設備。

建筑能耗監控系統和自控系統的聯結,需要有個信息的傳遞和發號施令的角色,即我們所說的算法。以上兩種控制模式,即是通過簡單的算法實現。

物聯網的興起和人工智能的火熱,為另一種按需控制的模式帶來了可能。通過人工智能算法,可以對大量歷史和實時數據進行分析,從而判斷或預測出用戶的實時需求和設備的最佳運行狀態。

例如:通過對大量的設備或室內歷史數據進行分析,預測出用戶實時負荷,從而實現自動調節設備目的;或者,通過傳感器檢測出室內實時的參數或人數,實時自動調節用能設備。這兩種新興技術,能真正實現能源管理系統的“智能”。

建筑節能改造是建筑節能的重要步驟,然而僅改造還是不夠的,為了保證節能改造的效果,還需要對建筑進行能源審計,可以說,能源審計是對建筑節能的“測驗”。能源審計的定義是:

審計單位依據國家有關的節能法規和標準,對企業能源利用的物理過程和財務過程進行的檢驗檢查和分析評價,是加強企業能源科學管理和節約能源的有效方法,也是政府節能主管部門節能監督和管理的重要手段。

即對建筑用能和能耗支出進行考核,并頒發相應證書,或發掘節能潛力,以保障建筑的能耗達到預期的標準。能源源審計主要包括開展工作、現場診斷及用能分析、現狀及節能分析、報告匯總等步驟。具體實施步驟,我們在之后的文章也將詳細介紹。值得一提,完善的能源管理系統,可以收集詳細的歷史數據,并且定期生成報告,能為能源審計帶來極大的便利。

商業模式:合同能源管理

當然各類綜合能源服務公司或節能服務公司需要存活、盈利,不會無償為客戶提供節能服務,因此促生了一直商業模式“合同能源管理”。

合同能源管理,是雙方簽訂合同,各取所需,來達到經濟節能效益的一種手段。其中,一方提出訴求,希望節約能耗的同時節省開支;另一方接受訴求,提供相應解決方案,并從中獲取一定提成。合同能源管理不是一個具體的產品或技術,而是一種減少能源成本,使得合同雙方均獲利的商業模式。合同能源管理公司的經營機制是一種節能投資服務管理;客戶見到節能效益后,合同能源管理公司才能與客戶一起共同分享節能成果,取得雙贏的效果。

合同能源管理主要分為兩種基本的模式——供能合同管理和節能合同管理,這兩種模式原則上追求同樣的目標,都是為了減少能源消耗及能源成本,但它們各自采用了不同的方法:供能合同管理主要從能源生產角度減少能耗及成本;而節能合同管理則側重于高效的能源分配和使用。

供能合同管理是指通過建筑物能源生產系統的安裝和改造以及供能系統來實現節能效果。根據所需的服務范圍,節能服務公司需要完成設計、融資、建造(項目執行)、運行和維護幾個步驟,節能服務公司出資進行能源系統的節能改造和運行管理,然后通過將產生的終端能量(如冷、熱、電等)銷售給建筑物業主來得到報酬。因此系統運營越高效,節能服務公司的獲益也就越多。這也是目前國內大部分售電+綜合能源服務公司所追求的商業模式。

節能合同管理是指通過優化能源分配系統及用戶用能的方式來降低能耗,用能單位與節能服務公司雙方分享節能效益。這種模式經常要考慮到用戶用能行為的重要性,因為這其中有相當大的能效提升的空間。通過節能合同管理實現的節能效果根據系統大小的不同可以達到節省20%-60%能源。

總結

隨著中國城市化的快速發展,生活水平的不斷提高,建筑能耗的總量還將持續增長。如此巨大的能源消費,關系到國家的能源供應和能源安全。因此,做好建筑節能工作,降低單位建筑面積能耗,對節約能源、保護環境、應對全球氣候變化,推進國家經濟社會的可持續發展意義非凡。本系列將從技術出發,針對以上個點分別討論,和讀者一起深入探索建筑能效管理的實施方案。

參考資料:

1. http://www.fon.org.cn/《中國建筑節能現狀概述》

2. 中國建筑節能協會,《中國建筑能耗研究報告2016》

3. WAYNE C. TURNER, 《Energy ManagementHandbook》

4. 交能網,《合同能源管理系列》

5. 交能網,《能源管理如何促進智慧城市節能減排?》

關鍵字:綜合能源服務 儲能

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