智慧楼宇节能低碳管理设计与实施

导读

建筑行业中大型商业建筑能耗极高，其单位建筑面积能耗是居民住宅的10-15倍，主要耗能设备为中央空调、给排水、照明和电气能耗等。

一、智慧楼宇节能低碳管理设计与实施背景

（一）“双碳”背景下智慧楼宇节能绿色改造迫在眉睫。实现“双碳”战略目标不仅是能源领域的改革和转型，也是一场广泛而深刻的经济社会系统性变革，更是维护我国资源安全，推进高质量发展的重大举措。《2022中国建筑能耗与碳排放研究报告》显示，2020年全国建筑全过程能耗总量为22.7亿TCE，占全国能源消费总量比重为45.5%，碳排放总量为50.8亿TCO2，占全国碳排放的比重为50.9%。特别值得关注的是建筑运行阶段能耗10.6亿TCE，占全国能源消费总量的比重为21.3%。因此，做好楼宇建筑节能管理对于实现“能碳双控”具有重要意义。

（二）建筑节能改造的重要性及应用现状。建筑行业中大型商业建筑能耗极高，其单位建筑面积能耗是居民住宅的10-15倍，主要耗能设备为中央空调、给排水、照明和电气能耗等。全国商业楼宇面广量大，是城市服务产业发展的主要载体。随着国家“双碳”战略的推进，传统商业楼宇由于建造年代、开发商投资规模以及物业管理公司节能管理理念的不同等，大多数无法进行有效的能源管理和控制，这不仅会对环境产生负面影响，也会给企业带来沉重的能源开销负担。因此，推行智慧楼宇节能低碳管理，能够有效促进能源的合理利用，对于企业建筑群内设备有条不紊、综合协调、绿色低碳运行以及节约能源成本、实现可持续发展有重要作用。

（三）楼宇节能管理面临的困境。本次研究项目的实施对象为某办公楼宇，该楼宇近三年平均年耗电量465万度，主要为空调、照明和电气能耗。由于业务快速增长，人员加班需求旺盛，导致能源费用高居不下；楼宇涉密区域较多，无法进行全面智能控制改造，导致节能管理手段较少、实施效果不佳等问题。

二、智慧楼宇节能低碳管理设计与实施的内涵和主要做法

（一）构建能效诊断方法，精确分析现状及建设条件

1.调研摸底能源数据，构建全方位能效诊断方法。基于现阶段对提升办公空间用能品质，建设消洁多元、绿色低碳的能源设施，打造绿色、低碳、智慧型示范办公楼宇的改造需求，成立智慧楼宇绿色低碳综合能源项目筹备组开展深入调研，充分剖析能源使用现状及节能改造条件。采用相关因素分析方法，罗列地理位置条件、气候条件、太阳能资源、日照数量、用电峰谷时段、高能耗设备运行以及近三年能源费用等影响因素，明确高耗能设备主要涉及空调系统、照明系统、配电系统、热水系统等。

2.强化统计分析，深挖楼宇节能降碳空间。核实并收集各楼宇主要设备能耗数据，检查设备利用负荷，测试判断空调系统、配电系统、照明系统等各类设备的运行工况。通过调研、对比、诊断和审核，并结合国家建筑能耗标准、数据模拟、图表统计等方式进行综合能耗分析，研判目前空调、照明、电梯等用能设备的能耗尚不处于节能区间，整体能耗数据已远超约束值，节能技术未广泛使用，节能管理水平不足。具体分析内容及结论如下：

地理位置分析。楼宇紧邻地铁站、公交站，交通便利，周围无遮挡物。

气候条件分析。楼宇所处地区属大陆性季风气候，位于温带与中温带、半干旱与湿润的过度地带。春季干旱少雨、蒸发强度大，夏季炎热多雨，秋季天高气爽、风和日丽，冬季受蒙古高压槽影响，干燥寒冷，总体无极端天气。分析数据图如下：

太阳能资源分析。楼宇位于北京地区太阳能辐射量高值区，太阳能辐射年总量在5000-6000MJ/(m2·a)之间。

中国太阳能资源分布图

日照数量分析。根据北京地区年日照时数分析，楼宇所在位置日照时数充足；空置的楼宇屋顶具备承载光伏组件、支架以及光伏线缆重量的能力。综上分析，初步可得出该楼宇屋顶适宜安装分布式光伏。

用电峰谷时段分析。高峰时段（10:00-15:00；18:00-21:00)，平段（7:00-10:00；15:00-18:00；21:00-23:00)，低谷时段(23:00-7:00)；夏季尖峰时段(7-8月11:00-13:00；16:00-17:00)。

高能耗设备运行情况分析。一是办公大楼内大负荷用电设备主要集中在空调、照明、电梯运行系统以及食堂、厨房等。二是制冷机房目前处于人工手动运行模式，冷冻水、冷却水系统均处于工频定流模式，设备运行不能随工况变化调节，加班时需设备全开，运行效率偏低，运行费用和系统能耗较高。三是楼宇存在大量传统荧光灯具使用情况，部分灯具已出现严重光衰，对办公环境光线存在一定影响。

近三年能源数据分析。根据办公楼宇近三年用电量统计数据分析，用电高峰在6、7、8月，用电低谷在3、4、11月。根据《民用建筑能耗标准GB/T51161-2016》，办公建筑非供暖能耗指标的约束值和引导值分别为70和50kWh／(m2·a)，目前能耗数据已远超约束值。

（二）创建以能碳双降为核心的智慧楼宇节能改造方案

1.科学设计降碳路径，分步实施节能改造。筹备组成员结合调研、能源诊断及节能需求情况，制定了能源供给清洁化、能源需求电气化、整体能效提升及管理数字化4大实施路径，协同国家电网、国网综合能源规划设计研究院等专家充分研究，结合前沿节能技术，科学设计照明节能改造、屋顶分布式光伏建设、制冷机房改造、充电桩建设等15个节能项目。在综合考虑节能量、建设成本及保密要求影响因素的基础上，将项目实施步骤划分为近期、中期、远期。近期以制冷机房、照明节能改造为切入点，增加屋顶分布式光伏和能源管理系统（含分项计量）作为补充手段的智慧楼宇节能低碳管理方案。

2.构建以能碳双降为核心的智慧楼宇节能改造方案实施路径。实施制冷机房改造。经研判，空调机组暂不具备改造条件，因此首先将冷冻水泵、冷却水泵调整为变频控制，进行并联改造，增加空调机组整体智慧控制系统，对机组进出水进行并联改造，对冷却塔进行并联及变流量喷嘴改造。其次安装对应计量表具、数据采集系统、能耗监测软件系统，实现对电能消耗数据的收集、存储与分析诊断。同时，在不影响空调效果、末端服务质量及机组设备安全运行的前提下，通过控制系统实现对各主机、冷冻冷却水泵运行时间及能耗的计量，生成设备能耗报表及趋势曲线，实时进行全局优化控制、预警、诊断、分析，实现空调系统综合节能率16%以上。增加智能变频控制柜、主机控制柜及智能控制系统，实现冷机系统效率的提升。

实施照明节能改造。组织实施节能灯具采购，在各照明区域清理、摸清传统灯具数量及灯具瓦数、备用灯具情况等，将传统荧光灯具更换为LED节能灯具。更换12670盏灯具，年电量节约37万度，不仅满足了办公环境照度需求，还提高了照明舒适度。

实施屋顶分布式光伏建设。充分利用楼宇屋顶面积及良好的光照条件，采用“全部自发自用”模式，建设150kWp分布式光伏。采购安装太阳能电池阵列及支架、逆变器等组成部件，能够满足在无人值守的情况下维持25年使用寿命，提升可再生能源利用水平，减少屋顶对阳光直射、雨水侵蚀的承受能力，增加屋顶使用寿命，实现无光污染、无辐射、零排放的绿色发电。

加强智能能耗监测及环保宣传。通过物联网、大数据、人工智能等技术，建设建筑能源管理系统，在符合保密要求的基础上对楼宇的电梯、开水器、充电桩、照明、动力用电、屋顶分布式光伏发电量、碳排放数据、机房用能等数据进行分项采集、统计、归类、分析和处理，以日常运行监测代替人工抄表，跟踪日、周、月、季、年度用能数据，构建楼宇能效评估指标体系，实施精细化、科学化节能管理，提高能源使用效率。同时，将建筑能源管理平台显示屏幕设置于楼宇大厅处，每日动态提示各项能源数据波动情况，对楼宇内的办公人员、来访人员进行环保节能宣传，提醒并警示企业更加关注能耗使用情况。

（三）以能源费用托管的创新模式推动节能项目落地

1.构建“双赢”模式，推广能源费用托管。目前，节能改造的专业化人员不足、掌握的节能技术不够先进，无法满足能碳双降的节能管理要求。在充分考虑市场化、成本控制等多重因素下，采用能源费用托管模式推动项目落地。能源费用托管模式强调降本增效与节能低碳管理水平提升的有机融合，由第三方节能公司出资进行能源系统的节能改造，负责对供能用能、设备运维实施综合性节能管理，双方约定总能源托管费用基准及每年节能费用，共享节能效益。合同到期后，节能设备及后续产生的节能收益归我司所有，实现企业与第三方节能公司的“双赢”。

2.确认节能基准量，明确合同期节能量。结合建筑用能设备设施、用能时段、用能人数、能源价格、疫情变化等因素进行节能量预测，以常规办公状态下的用能数据作为基准量。通过节能改造设计方案进行模拟测算和运维费用确认，与第三方节能公司约定托管范围、托管期限、托管费用、节能目标。

（四）建全项目实施与数字化运维能力，提升节能管理水平

1.建立安全事故专项排查机制。在实施节能改造前与相关方签订安全环保协议，安排项目经理在施工现场监督、检查，定期开展项目重大事故隐患专项排查,涉项目告示牌及安全警示牌展示、安全作业及安全防护条件、危险作业许可办理审批、作业人员持证上岗及安全教育培训、施工过程消防安全及电器安全等情况。加强对节能改造中节能产品型号和安全性、耐久性的检查、审核，在监管过程中安排专人专责，记录相关数据，在验收时做好节能量计算，确保项目高质、高效、安全完成。

2.搭建数字化节能管理平台。数字化节能管理的核心是能源监测和数据分析。打破传统的机械性抄表和数据孤岛等，利用能源管理平台的数据采集优势，周期性展示、分析能耗统计数据，不断发现能源使用过程中的问题，提出节能改造方案。同时，通过外部专家研讨模式对于无规律数据进行专业的节能诊断和运行指导，提高能源管理水平和使用效率。

三、智慧楼宇节能低碳管理设计与实施效果

（一）“解锁”绿色清洁能源，实现能源供给向清洁化转变。与楼宇实施节能改造前相比，通过屋顶分布式光伏建设，减少了对化石燃料的依赖，大幅度降低环境负荷；通过电力交换，实现了碳排放减少的互补效果。项目运行2个月以来，实现光伏发电3万多度并全部消纳，预计首年将减少碳排放约160吨。同时，屋顶分布式光伏系统不影响用户电压环境和建筑环境，使建筑自身成为能量制造的动力系统，较好协调了建筑外观和光伏发电系统的建造，提高建筑防雨、防晒效果，使楼宇降温节能。

（二）降低整体运行能耗，实现楼宇用能向高效化转变。通过制冷空调改造、照明节能改造、屋顶分布式光伏建设等方式，将建筑能耗水平降至理想状态，实现年节约电量61万度，节约标煤209吨，二氧化碳减排615吨，二氧化硫减排18吨，能源费用明显下降，大楼综合节能率达到11%左右。同时，对老旧管道阀门、机电漏水等问题进行检测、维修和节能改造，挖掘空调系统、照明系统节能减排潜能，提高了机电系统运行效率，构建了可持续、可再生的能源消费模式。

（三）能源数据多维度追踪，助力节能管理向精细化转变。以数据促管理，提升楼宇内的智慧建设水平。大力推广楼宇节能技术在中央企业中的应用，建设建筑能源管理平台，对建筑运营情况、设备运行状态、能源消耗数据、用能指标参数、碳排放数据等建筑多维度信息进行可视化展示，让节能管理工作更加数据化、科学化、智能化，形成消洁多元、绿色低碳的能源体系，进一步提升办公空间品质。

（四）打破传统项目推进模式，推动能源托管模式落地。采用能源费用托管模式有利于推动贯彻落实党中央、国务院关于碳达峰、碳中和的决策部署，通过市场化机制激发市场主体能碳双降活力，推进能源资源绿色低碳利用，以消耗减量实现碳排放降低；有利于推动落实过紧日子要求，利用市场在资源配置中的决定性作用，减少能源消耗和运行中不必要的能源资源保障支出，减轻节能改造资金压力；有利于推动绿色低碳转型，引入节能专业化服务，提高节能管理专业化水平。

（五）多维度节能降碳，助推企业降本增效。结合能源托管模式，实施制冷机房、照明灯具等节能改造，探索出一条降本增效的新路径。预计能源托管合同期内总节约电费500余万元，共计获得节能收益148万元，综合节能率达到11%左右，降低了能源消耗和成本，并带来长远经济效益，实现生态效益和经济效益相统一。

四、结语

推进碳达峰碳中和是党中央的重大战略决策，事关中华民族永续发展和构建人类命运共同体。作为中央企业，开展以能碳双降为核心的智慧楼宇节能低碳管理研究，既有必要又具有实际意义，为企业协同推进生态优先、节约集约、绿色低碳发展提供了遵循。未来，我们将探索更多节能降碳的科学路径，构建完善清洁多元、绿色低碳的用能结构和能源信息化管理体系，着力提升节能管理水平，解决企业在资源环境约束下的突出问题，推动企业实现高质量、可持续发展。

（文/中国兵器装备集团有限公司、国综万友(北京)综合能源科技服务有限公司赵伟周密李雨轩杨帅波崔艳张春雨）