我国寒冷地区覆盖区域大, 且具有冬夏两季持续时间长、温度差异大、日照丰富等特征。在全国已获得绿色建筑运行标识的办公项目中, 寒冷地区数量占38.9%, 居五大气候区之首, 因此以该地区为研究范围推行节能改造, 具有良好的带头作用。

据报道, 我国现有老旧公共建筑能耗较高, 其主要用能特点为:老旧大楼的冷热源设备因使用年限久远而效率降低, 采暖及制冷能耗突出;主要使用峰电, 很少使用谷电, 大部分系统没有设置蓄能装置, 且管理粗放。总体而言, 公共建筑用能密度偏高, 每平方米年耗电量约为70~300k Wh, 是欧洲等发达国家同类建筑的1.5~2倍, 节能改造潜力较大。

近年来, 在我国政府的推动下, 既有公共建筑的节能改造越来越多地以合同能源管理模式 (EMC) 开展。EMC项目指由节能服务公司承担全部改造费用, 并与楼宇业主签订节能效益分享合同, 在约定期限内按一定比例分享由节能改造而获得的节能效益。通常, 针对同一能源系统的不同改造技术, 会产生不同的节能效益和成本费用。例如, 风冷热泵替代电锅炉采暖的节能率为20%~40%, 设备回收期约2~4年;燃气锅炉替代电锅炉采暖的节能率为5%~20%, 设备回收期约3~6年。因此节能服务公司在以EMC模式实施节能改造前, 需基于技术选择理论综合衡量各项技术的改造成本和预计节能效益优选技术措施和方案, 以便快速回收成本并获取利润。

将技术选择理论应用于评估建筑节能改造项目, 是一个复杂且多指标综合分析的过程, 目前尚没有形成一套统一的节能改造解决方案的综合评估理论体系。为此, 本文以节能服务公司针对寒冷地区办公建筑EMC节能改造, 建立一套科学、可操作、适应性强的建筑节能改造综合解决方案评估模型, 作为选择投资收益最大化改造方案的决策依据。

参考《公共建筑节能设计标准》 (GB50189-2015) , 对公共建筑节能改造范围主要集中在围护结构、空调系统、照明动力系统、供配电系统和可再生能源利用五大方面 (图1) 。筛选适用于该类建筑的常用改造技术时考虑以下因素:

(1) 围护结构重点需要保温隔热; (2) 空调系统多为集中式而非独立式, 因此可采用针对空调系统的前端、输配和末端的改造技术; (3) 充分利用峰谷电价差来蓄能; (4) 采用一些可再生能源技术, 具有示范意义。图1的U_i表示第i个能源系统, U_ij表示从属于U_i层的子技术 (i=1, 2…5, j=1, 2…8) 。

中国老旧建筑 (使用20年以上) 的外围护结构保温隔热性能普遍较差, 外墙和窗户的传热系数为同纬度发达国家的3~4倍。根据工程经验, 空调系统占办公建筑总能耗的40%左右, 其中的50%由围护结构传热所消耗。对围护结构的改造主要通过增加保温隔热性能来实现节能 (表1) 。

空调系统负责向大楼供冷和供热, 分为冷热源系统、输配系统和末端系统。 (表2)

(1) 冷热源系统。办公建筑大多采用中央空调系统, 使用冷水机组和冷却塔作为冷源端。老旧办公建筑常用电锅炉等低效率设备供热, 同时在不需要采暖或暖气需求量不大的过渡季节, 没有调节热源而使设备全负荷运行, 造成大量热损失。

(2) 输配系统。老式建筑的风机水泵设备陈旧、运行效率低, 因此改造时常考虑更换为变频调速水泵。

(3) 末端系统。末端系统分散在庞大的用户群中, 各用户主观意识和操作技术参差不齐, 由末端系统向主控提供的信息不规律, 因此末端节能更依赖于自身硬件设备和后期运行管理的完善。

办公建筑中照明能耗仅次于空调系统, 占整体能耗的30%~40%左右, 而且老旧建筑以低效率照明为主, 具备很大的节能潜力。常用的改造方式有更换灯具和采用智能灯光控制系统 (表3) 。

虽然供配电系统没有直接计算的能源消耗量, 但该系统出现故障后会造成安全隐患和不必要的电能浪费。因此有必要对供配电系统进行优化改造, 提高电能资源的分配效率, 属于间接节能 (表4) 。

建筑的低品位能源需求和室内温度变化范围小, 使得可再生能源逐渐成为建筑采暖、生活热水的首选或补充;同时, 积极使用可再生能源对电网公司等大型央企具备示范意义。因此, 根据寒冷地区气候特征, 因地制宜选取下列常用技术 (表5) 。

实施节能改造工程需从建筑的全生命周期综合考虑, 影响要素有节能效益E₁ (资金流入) 、工程造价E₂和运营维护费用E₃ (资金流出) , 均通过打分确定。其中, 节能效益属于节能服务公司可得到的资金, 运营维护费用属于项目完工后需要的资金投入。由此建立一套针对图1各项技术的评估模型S, 选择同时满足节能效益大、工程造价低、运营维护费用低的最优解决方案。

为方便命名, E_{1, i}表示第U_i能源系统的节能效益权重, E_{1, ij}表示第U_ij项技术的节能效益权重, E_{3, ij}表示第U_ij项技术的运营维护费用权重。且满足∑⁵_i=1 (E_{k, i}) =1和∑ⁿ_j=1 (E_{k, ij}) =100, 其中k=1, 2, 3, i=1, 2…5。E_{k, i}和E_{k, ij}值越大, 代表该能源系统或该项技术的节能效益越大、工程造价越高、运营维护费用越高。

在技术选择的过程中, 合理确定各指标权重, 是进行多因素综合评估的前提。目前权重值的确定有客观赋值法和主观赋值法。前者通过对客观数据资料进行整理、计算、分析, 得到权重值, 避免了主观影响, 但可能出现结果与实际情况不相符的情况;后者依据人为制定的打分规则请专家打分而得到权重值, 准确性取决于专家的认知程度, 对实际问题的解释性强。本文所要解决的问题来源于工程实践, 依赖于丰富的实际经验, 因此具有极大的不确定性, 可收集的信息少, 故采用主观赋值法。

主观赋值法中, 专家评分法通过多轮征询专家意见, 使专家意见趋于集中, 因此具有权威性;环比评分法适用于各指标具有明显关联性的评价体系, 本评估模型中各指标间相互关联性不明显, 故不宜采用;层次分析法通过建立同级指标间的判断矩阵得出权重值。本评估模型有5项一级技术指标的共19项二级技术指标, 以及3大评估指标, 共75个权重系数。涉及指标多, 不宜全部采用层次分析法, 因此建立“专家评分法+层次分析法”的组合方法, 结合两种方法的赋值优势, 得出最接近实际的权重值。具体操作方式见表6。

具体赋值步骤如图2和图3所示。本模型采用的专家评分法默认至少经过一次结果反馈, 即两轮征询的过程, 以得到准确的结果;另外, 只有通过一次性检验的判断矩阵才能作为层次分析法有效的权重计算依据, 通过Expert Choice软件得到计算结果。

本文邀请所在公司在节能改造方面具有丰富经验积累的工程师进行打分, 确定各项权重值E_k, E_{k, i}, E_{k, ij}, 为同类建筑提供技术选择依据 (结果如表7, 8) 。需要注意的是, 当业主主观提出不想改造某一能源系统或不想采用图1的某一项技术, 则剔除该能源系统或改造技术后, 剩余各能源系统或技术随比例相应调整, 作为评估模型的输入参数。这样, 即保持了权重值的相对关系, 也使本模型的输出结果更符合实际意义。

得到各项权重系数后, 需要建立综合评估模型以对19项技术进行选择。若选择第U_ij项技术, 赋值U_ij=1;若不选择, 赋值U_ij=0。

则节能效益权重和为:

工程造价权重和为:

运营维护费用权重和为:

因此, 存在一个技术组合 (U_ij=1, 0) , 使得:

即为本模型寻找的最优解决方案。

山东省滨州供电公司担负着滨州市六县一区、经济开发区、高新区、北海新区及胜利油田部分供电任务, 是国网山东省电力公司直属的大型供电企业。公司办公楼于1995年投入运营, 包括调度中心主楼和东、西两侧辅楼;主楼建筑高约50m, 其中地上15层, 地下1层, 总建筑面积为12223平方米;东辅楼建筑面积为4300平方米, 西辅楼建筑面积为4000平方米;办公楼的总建筑面积为20523平方米, 日常使用人数约450人。

供电公司的主要用能系统包括:空调系统、照明系统、电梯系统、生活给水系统和其他用电设备系统。大楼的主要消耗能源为电力和水, 无其他形式能源使用, 具体各能源系统如表9。

假设业主接受图1的各项改造技术和改造系统, 表10给出了本案例模型输出结果, 表11为根据模型结果得到的改造方案。

分析认为该方案对改造滨州办公楼各能源系统具备操作性, 可作为对该办公楼实施EMC项目的参考方案。另, 更新输送管路、更换冷却塔填料等属于优化项而非技术, 不包含在本文的技术体系中, 但对该案例有间接节能效果, 因此在实际操作时可考虑纳入EMC合同。

需要注意的是, 外墙保温系统和能耗监测系统无直接的节能效益且投资回收期较长, 因此未被模型选择, 不包含在EMC合同中, 这与实际情况相符。在实践中可根据业主要求, 以工程承包的形式单独实施。本模型的不足之处在于:一方面, 因权重值为无量纲, 因此无法用工程造价金额限制本模型的技术选择;另一方面, 本文选取的三要素评价标准与实际施工面积、设备容量和数量有关, 各项系统和技术的权重值存在偏差, 因此后期需根据项目边界条件、现场实际工况等调整方案内容。

根据实际案例的验证, 模型输出结果符合预期改造项, 因此本模型可用于节能服务公司以EMC模式开展节能改造的技术方案选择和预评估, 实现在建筑全生命周期里节能效益最大化、工程造价和运营维护费用最小化。在本文的基础上, 后续需进一步细化技术参数和评分项, 完善评分机制, 实现模型的成本输入和收益输出等功能。