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综合能源的一角—如何提高(园区)建筑能效?

作者:中国储能网新闻中心 来源:交能网 发布时间:2019-11-07 浏览:
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为满足日益增长的能源需求和应对气候变化,一种新型的、为满足终端客户多元化能源生产与消费的能源服务方式在各国应运而生,即我们所说的综合能源。但综合能源的所涉及实在太广,根据规模定义,有大的能源系统层面的综合能源规划,涉及到多种能源的集中生产、协调运输分配、销售、消费等;小范围内的综合能源则主要是指以需求为导向的综合能源服务,涉及分布式能源生产供应规划与用户侧的能源需求的相协调,目的在于追求能效的提升,以达到节能减排的目标。

目前我们所说的综合能源服务,主要是指园区层面或一定范围内城区的电、气、冷、热等的多元化能源供应和多样化增值服务。就园区来说,主要能耗来自于,建筑、工业与交通三大部门,因此,建筑能效管理可以说是综合能源服务的重要组成部分。

交能网将以建筑能效管理这一主题开启新的系列,就实际技术层面,探讨建筑综合能源该如何实施。

建筑能源现状

在能源消费结构中,建筑能耗已经占到我国社会总能耗的30%,随着人民对生活品质的要求不断提升,这一比例有望继续增加。2010年7月5日,联合国环境署在上海世博会发布的中文版的《建筑与气候变化:决策者摘要》报告显示,建筑行业占全球温室气体排放的30%,并消耗了40%的全球能源。因此,建筑节能被认为是实现碳减排目标的关键领域。

“十一五”以来中国建筑节能在法规制度、激励政策、标准体系、技术进步、产业支撑等方面均取得了一定进展,新建建筑节能、既有建筑节能改造、可再生能源规模化应用、绿色建筑推广等专项工作成效显著。据报道十一五期间:“全国累计节能建筑面积40.8亿平方米,可形成3600万吨标准煤的节能能力,每年可减排二氧化碳9360万吨;北方采暖地区既有建筑供热计量改造稳步推进,截止2009年采暖季前,北方15个省份完成节能改造面积共计1亿多平方米。在国家发改委和国家能源局发布的《能源发展“十三五”规划》中,也明确规定了在“十三五”期间,即2020年以前,单位能耗进一步降低15%以上。

尽管如此,中国在建筑节能方面仍然存在着一些矛盾和问题,主要包括新建建筑仍有不少没有完全执行建筑节能标准,建筑节能改造任务十分艰巨,供热采暖系统运行效率不高,以及建筑节能技术、产品和材料等还不能满足实际需要等问题。截止至2015年底,中国的既有建筑总面积约560亿平方米,其中城镇既有建筑面积约273亿平方米,而未按节能标准建造的高能耗建筑占76.9%。这些问题的存在,是多方面因素的结果,因此我国建筑节能事业仍有待进一步提高。

建筑节能改造的途径

就园区建筑节能改造来说,通常可分为建筑维护结构节能改造、建筑用能设备节能改造、建筑供能方案改造及建设能源管理系统等几方面。本系列将从以上几点分别介绍建筑节能该如何进行,以下仅简单概述各方面要点:

建筑围护结构改造

其中建筑维护结构改造,可以从以下方面进行:

1、建筑墙体屋顶等围护结构的保温:通过增加维护结构保温层,降低建筑热传导系数,从而降低建筑冬季热负荷及夏季冷负荷。此外,改造过程中还需着重考虑建筑冷热桥处的保温,即传热系数比相邻部位大得多的部位,需着重考虑。                        

2、建筑相变材料:除此之外,建筑维护结构改造还可从建筑材料本身着手,如墙体部分材料或天花板可采用采用PCM相变材料,相变材料能作为储热材料,可有效将建筑本体维持在一定温度范围。

3、建筑外涂及绿化:针对建筑外观,可以适当原则建筑外涂层涂料,以改善建筑墙体的光线吸收和反射情况。或可采用建筑绿化,即通过在建筑物室内外墙壁或屋顶栽植各种植物来绿化、美化建筑,营造一种局部的自然生态氛围。这种建筑改造,不仅能够美化建筑外观,也可有效降低夏季室内温度2~5度。

4、建筑遮阳:适当采用建筑墙体或窗体遮阳,也能有效降低建筑负荷。

建筑用能设备节能改造

对于建筑用能设备节能改造,则可从建筑内部暖通空调、照明系统等用能设备着手。

其中暖通空调可分为建筑供暖系统及空调通风系统:

对于建筑供暖系统节能改造,可从供暖管道保温着手,降低供热传输过程中热损失;或通过调节管道系统水力平衡,辅以高效的变频节能泵,降低泵的能耗损失;此外还可通过调节管道中水流量及供回水温度达到节能目的,如采用可自动调节暖气阀,结合传感器及建筑自控系统,实现按需供暖,此类措施可实现节能效果20%以上。

同理,对于建筑空调通风系统可通过采用变流量/变体积系统,结合传感器及自控阀实现自动调节送风状态点,如降低送风与室内温差,以实现节能。

对于建筑照明系统节能,首先可以用LED灯管替换老旧高能耗灯管,仅仅这一步,在实践中就可实现照明节能效率提升50%以上。若采用可调节照度照明技术,同时也结合传感器及建筑自控系统,能效可进一步提升20%以上。

建筑供能侧改造

建筑供能侧改造是目前综合能源服务的焦点,城区及园区的能源供应包括电、热、冷、气等。对于我国南方不供暖区域小型建筑或一般商业建筑,一般不配备供能设备,或仅配备小型柴油发电机或储能电池,以作备用电源。然而对于大型商圈或工业园区,能源的自给尤为重要。

其中电力可部分或全部通过可再生能源供应,剩余电力负荷从电网获取,电力自主供应一般可通过分布式光伏、风电等多种新能源,配合储能及小型(冷)热电联产;热需求可通过锅炉、热电联产、光热、热泵配合储热供应;冷量通过压缩式或吸收式制冷机或冷热电联产供应;燃气则多与当地气网直接获取,或就近生产生物质燃气。

综上,一般采用的高效供能方案设备包括,锅炉+(冷)热电联产+新能源设备+热泵+制冷机+储能设备+热网电网。这些设备的选择对于能效提升也尤为重要:

锅炉:其中锅炉改造尤为重要,现阶段我国供热多为锅炉供热,大量锅炉仍十分老旧,效率低下。锅炉改造可从以下几点入手:以低温废气节能锅炉更换传统锅炉,普通锅炉由于废气温度很高,效率较低;低温废气锅炉,可将废气中的热量回收,废气温度可降至50℃,大大提高锅炉效率。

热电联产:此外,园区电热还可通过小型热电联产同时供应,由于热电联产燃料利用效率可以高达92%(燃料电池热电联产高达97%),且回收期较短一般6-8年,在国外,如德国、日本比较受青睐。但目前由于我国气电价格比过高,经济性难以保证,一般燃气热电联产仅作为示范项目。

新能源设备:新能源设备主要包括光伏、光热、分布式风电。其中分布式光伏可与多种建筑维护结构结合起来,形成建筑光伏一体化的特殊建筑形式;光热及分布式风电目前常安装于屋顶,以节省空间资源。此外,还可使用生物质燃气或合成燃气,以代替传统化石能源,作为锅炉或热电联产燃料来源。储能设备:包含储能电池和储热初冷设备,其中储能电池是用于电力负荷较低时,存储风电光电的剩余电力,保障新能源的有效利用;储热设备,可将光热产生热量存储,或新能源电力过剩时,由热泵或制冷机,将电力转换成热量或冷,存储起来。

建筑管理系统建设

上面提到的几点都是从硬件改造层面对建筑进行改造来提高能效;在实际运营过程中,通过对需求侧用户的用能行为数据进行分析,结合建筑自控系统,也能够达到一定节能效率。为了帮助建筑或园区更好的节能减排,实现能源消耗可视化管理及自动管控,能源管理系统当然必不可少。通过建立智慧的能源管理系统,在能源需求侧实施有效的、按需使用的能源管理和利用体系,将极大的提高能源的利用效率,避免能源的无效浪费。互联网技术的迅速发展,人工智能的火热,为建设高效智能的能源管理系统提供了非常好的技术支持。

建筑能源管理系统包括建筑能耗监控系统及建筑自动化系统两部分(BEMS=Energy monitoring + building control)。随着物联网技术的逐渐成熟,基于物联网的建筑能耗监控系统更加受到青睐。通过物联网技术,可以通过各类信息传感器,将室内信息如:温湿度、照度、人数、CO2浓度等舒适性相关参数,以及各类用能及供能能设备,比如:暖通空调、灯管、泵、锅炉或其他供能设备的运行参数收集起来,然后通过各类网络技术上传至本地服务器或云端,再结合可视化技术,实现建筑能耗的全面可视化管理。对用能数据进行分析,也可以有效发掘建筑运行过程中的节能潜力,根据实际操作经验,节能潜力可达20-40%不等。

如果说建筑能耗监控系统是节能潜力的发掘者,那么建筑自控系统就是建筑节能的实施者,通过建筑自控系统,可实现建筑各类用能及供能设备的自控控制的同时,为用户提供安全、舒适、便捷高效的工作与生活环境,并使整个系统和其中的各种设备处在最佳的工作状态,从而延长能耗设备寿命、减少管理成本、降低建筑物整体能耗。传统的建筑自控系统一般有一下两种模式:

· 按日程表控制,例如空调、暖气的定时开关,

·  按参数控制,事先设定各类设备参数的阈值,当参数达到某种阈值时自动启停设备。

建筑能耗监控系统和自控系统的联结,需要有个信息的传递和发号施令的角色,即我们所说的算法。以上两种控制模式,即是通过简单的算法实现。

物联网的兴起和人工智能的火热,为另一种按需控制的模式带来了可能。通过人工智能算法,可以对大量历史和实时数据进行分析,从而判断或预测出用户的实时需求和设备的最佳运行状态。

例如:通过对大量的设备或室内历史数据进行分析,预测出用户实时负荷,从而实现自动调节设备目的;或者,通过传感器检测出室内实时的参数或人数,实时自动调节用能设备。这两种新兴技术,能真正实现能源管理系统的“智能”。

建筑节能改造是建筑节能的重要步骤,然而仅改造还是不够的,为了保证节能改造的效果,还需要对建筑进行能源审计,可以说,能源审计是对建筑节能的“测验”。能源审计的定义是:

审计单位依据国家有关的节能法规和标准,对企业能源利用的物理过程和财务过程进行的检验检查和分析评价,是加强企业能源科学管理和节约能源的有效方法,也是政府节能主管部门节能监督和管理的重要手段。

即对建筑用能和能耗支出进行考核,并颁发相应证书,或发掘节能潜力,以保障建筑的能耗达到预期的标准。能源源审计主要包括开展工作、现场诊断及用能分析、现状及节能分析、报告汇总等步骤。具体实施步骤,我们在之后的文章也将详细介绍。值得一提,完善的能源管理系统,可以收集详细的历史数据,并且定期生成报告,能为能源审计带来极大的便利。

商业模式:合同能源管理

当然各类综合能源服务公司或节能服务公司需要存活、盈利,不会无偿为客户提供节能服务,因此促生了一直商业模式“合同能源管理”。

合同能源管理,是双方签订合同,各取所需,来达到经济节能效益的一种手段。其中,一方提出诉求,希望节约能耗的同时节省开支;另一方接受诉求,提供相应解决方案,并从中获取一定提成。合同能源管理不是一个具体的产品或技术,而是一种减少能源成本,使得合同双方均获利的商业模式。合同能源管理公司的经营机制是一种节能投资服务管理;客户见到节能效益后,合同能源管理公司才能与客户一起共同分享节能成果,取得双赢的效果。

合同能源管理主要分为两种基本的模式——供能合同管理和节能合同管理,这两种模式原则上追求同样的目标,都是为了减少能源消耗及能源成本,但它们各自采用了不同的方法:供能合同管理主要从能源生产角度减少能耗及成本;而节能合同管理则侧重于高效的能源分配和使用。

供能合同管理是指通过建筑物能源生产系统的安装和改造以及供能系统来实现节能效果。根据所需的服务范围,节能服务公司需要完成设计、融资、建造(项目执行)、运行和维护几个步骤,节能服务公司出资进行能源系统的节能改造和运行管理,然后通过将产生的终端能量(如冷、热、电等)销售给建筑物业主来得到报酬。因此系统运营越高效,节能服务公司的获益也就越多。这也是目前国内大部分售电+综合能源服务公司所追求的商业模式。

节能合同管理是指通过优化能源分配系统及用户用能的方式来降低能耗,用能单位与节能服务公司双方分享节能效益。这种模式经常要考虑到用户用能行为的重要性,因为这其中有相当大的能效提升的空间。通过节能合同管理实现的节能效果根据系统大小的不同可以达到节省20%-60%能源。

总结

随着中国城市化的快速发展,生活水平的不断提高,建筑能耗的总量还将持续增长。如此巨大的能源消费,关系到国家的能源供应和能源安全。因此,做好建筑节能工作,降低单位建筑面积能耗,对节约能源、保护环境、应对全球气候变化,推进国家经济社会的可持续发展意义非凡。本系列将从技术出发,针对以上个点分别讨论,和读者一起深入探索建筑能效管理的实施方案。

参考资料:

1. http://www.fon.org.cn/《中国建筑节能现状概述》

2. 中国建筑节能协会,《中国建筑能耗研究报告2016》

3. WAYNE C. TURNER, 《Energy ManagementHandbook》

4. 交能网,《合同能源管理系列》

5. 交能网,《能源管理如何促进智慧城市节能减排?》

关键字:综合能源服务 储能

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