「深度好文」零成本 低成本的节能方法


大多数物业管理人员、设备经理都有两个困扰:1、没有充足时间,2、没有充足的预算去进行节能改造。本文介绍了5种提升能效的措施,帮助疲于奔波的运行管理人员在低成本甚至无成本的前提下提升舒适度,帮助管理者实现资产增值。
本文中提到的“低/零投入能效措施”的准确含义是投资回报期少于两年。文中提到5个措施,要解决的三个根本问题是:如何购买能源、使用多少能源、何时使用能源。

这五项提升能效的措施包括:

  • 夜间、周末和节假日模式设置
  • 智能开启策略
  • 惯性制冷
  • 参与需求响应
  • 因地制宜的节能策略

仅依靠简单的能耗账单并不能直接转变成有效能源管理措施。上述的五项能效措施,全部依赖于对设备运行参数、能耗数据的全面掌握。

1、夜间、周末和节假日的模式设置

定义和背景

优化夜间、工作日和节假日模式设置是最常见的、最容易实现的提升能效的措施。它普遍适用于各类商业建筑,它容易实施、且几乎不需要投入成本。这种方法仅需要根据建筑使用时间、空闲时间制作一张安排表,依据这张时间表,通过手动方式或借助BMS去控制设备设施的开启和关闭。如果建筑中装有能源管理系统,通过能源数据,则可以更加准确的确定各时段的能源需求,从而做出最为适用的夜间、工作日和节假日模式设置。

这种高效模式设置的关键是确保建筑空闲时段的能耗量降到最低,以大幅提高建筑运行效率。在24小时无间断运行的建筑电力系统中,夜间时段仍需开启的基本负载通常能耗需求最小,此时的能耗主要用于保证基本的运行安全、系统安全、服务器运行和照明管理。例如:供暖季中,商业建筑中较大的夜间基础负载主要用于保障水系统管道不冻结,并且在第二天清晨到来前使建筑物回到正常使用温度。不同于其他系统,暖通空调负荷会随着室外温度变化而变化,不论建立何种类型的设置模式,都需要监测夜间负载的运行参数是否准确。

实际案例

除了24X7X365无间断工况运行的项目外,优化夜间、节日和假期运行模式的措施,可普遍应用于大多数建筑类型的设备设施中。

我们将商业地产设备的夜间模式设置作为推荐案例详细介绍这种优化策略。虽然该案例只阐述了夜间模式设置,但将这种管理方法应用在节日、假日同样有效。

挑战:夜间模式中的夜间能耗异常

想要检查设备运行设定值是否有效,往往通过建筑内所有活动人员离开建筑后到清晨建筑重新投入正常运行前这段时间内,追踪建筑夜间负载的能耗需求来实现。一般来说,基本负载中任何突然的动态变化都代表着建筑中发生了能源浪费活动,例如不合理的温度设定、错误的模式控制或设备故障。

以某一建筑为例,在10月份的几天时间里,用电负载就出现了多次异常波动(如图1-1)。


图1-1

我们发现10月26日以后的几天里,建筑夜间基础负载没有像以前那样下降到一个较低值,并保持稳定。这表明设备的夜间运行模式的设定存在问题。

解决方案:无成本投入的BMS程序修正

为了找到夜间基本负荷改变,我们结合当时的室外温度,单独对夜间运行的几个小时进行了分析。最终发现在室外温度下降到4℃以下时,建筑的用能出现了大幅上涨和异常波动(如图1-2)。


图1-2

我们将此发现告知设备管理工作人员并提交了进一步调查报告,最终找到能源浪费的原因—风机控制程序被篡改导致了风机整晚工作。我们的一名服务人员仅用15分钟就修正了这个故障,夜间模式下的平均能源需求立刻降低了32%,从218千瓦降至148千瓦(如图1-3)。


图1-3

小结Summary

通过我们与运行管理人员的合作,通过分析能源数据,使设备的夜间能耗量减少了1/3。我们的分析师不仅帮助运行管理人员找到夜间运行的现有问题,还利用计量数据诊断出BMS里存在的一些bug,并进行了修复。

BMS按照设定值和时间表运行,所以不恰当的设置会导致能效低下,例如BMS时间表很容易被临时修改,且不易被发现。在没有运行优化策略的情况下,异常运行和在预设模式下低效运行等此类状态可能持续数周、数月甚至数年都不会被发现。对节假日时段运行效率的追踪会更为复杂,因为每年的节日的时间会改变,不能简单借用往年的运行策略。

监测实时能源数据和运行数据可以帮助建筑管理者发现之前夜间、节日和假期设备运行模式中的低效行为,可以为设备在这几类时间段找到最佳的运行方案。

2、智慧开启策略(smart start-ups)

定义和背景

另一个可以提高建筑设备运行能效的方法是针对暖通空调(HVAC)系统实施smart start-ups。smart start-ups主要有两种形式—延迟启动和最优化启动。

首先介绍一下典型的启动方式,一旦系统进入夜间的负荷运行状态,建筑中的温度逐渐背离工作时间的温度。很多建筑中的暖通空调系统都由建筑管理系统(BMES)控制,在建筑用户将要进入建筑之前开始运行,保证在第一位客户进入建筑之时,区域的温度能够达到要求的设定值。通常情况下,物业经理都会打起十二分的精神去应对客户提出的热舒适度问题(过热或过冷),但是他们并不知道这种传统的应对方式正在耗费建筑的运行成本。

现在让我们来了解一下smart start-up的两种选择。延迟启动的工作原理类似于,通过程序控制建筑管理系统,尽量晚的启动耗能设备,直至达到用户舒适标准的温度值或者区域温度控制标准值。最优化启动在延迟启动的基础上,进一步将季节因素和天气变化情况作为控制系统的数据输入。然而,解释以下两个问题至关重要:何时才是最优化启动的合理启动时间或时机;最优化启动到底能为您节能多少?用户首先关注的部分,是寻找“最易获得的节能成果”。

实际案例

延时启动

智能自动-延时启动

延时启动的方法适用于集中供冷、供暖的绝大部分建筑类型—写字楼、医院、酒店、学校、政府建筑等,同时适用于集中供冷供暖的高端公寓、生产企业中的办公区域等。

挑战:建筑开始供冷/供暖时的能耗浪费

翼虎团队对一个商业建筑的区域,持续收集了一个月的数据,用于证明建筑设备启动策略对于整体能效的影响(图2-1)。


图2-1

灰色区域是建筑用户在建筑中活动的时间段,蓝色曲线表示现有的冷热量供给情况,红色曲线表示了满足实际需要的最迟供应情况,绿色竖条区域即表明了节能潜力。

通过这个简单的分析,我们可以看出原本该建筑设备设定为每天5:00开机,事实上直到8:00建筑用户才陆续进入。在该案例中,建筑实际并不需要长达3小时的预热/预冷时间,因此使用延迟启动的方式是一个很好的选择。

解决方案:渐进式的延迟启动

绝大多数受控的建筑根据使用需要,通过建筑管理系统做了定制化的设定,以保证暖通空调系统、照明系统在需要的时间区间满足用户的需要。为了减少上面项目案例中的长达三小时的预热/预冷造成的能源浪费,我们建议使用一种“实验-检验”的方法,即通过BMS逐渐延迟启动的时间(每次尝试延后15分钟),通过观察建筑的响应情况,找到最恰当的、刚好满足预热/预冷要求的提前启动时间。这种“实验-检验”的方法,每年可以为一个建筑面积5万平米的商业建筑减少3万元以上的能源费,并且丝毫不会影响舒适度。

如果您的建筑中没有使用BMS,延时启动策略则需要通过按计划时间(依然每次尝试延后15分钟)人工开启,人工测量各使用空间温度的手动方式,直至找到最恰当的、刚好满足预热/预冷要求的提前启动时间。

这种“实验-检验”的方法可以应用在资产组合的多栋建筑中,去发现哪些建使用这种方法可以达到很好的效益。这种策略每年至少要在建筑中重复三次—夏季、冬季、过渡季—以保证延迟策略在每个季节都达到良好的效果。

最优化启动

智能自动-最优化启动

最优化启动是一种更为复杂的控制建筑设备早晨启动策略的节能方法。这种策略非常适用于中型/大型商业综合体,尤其是那些由负责实际运行管理的物业经理管理的、并且应用了较高级的建筑管理系统的建筑。下面以一个商业建筑作为例,说明这种复杂的控制策略。

挑战:适应于不同季节的优化启动策略

一年之中,四季的气候条件各不相同,一天之中,从早到晚建筑与外界的热交换量也在持续变化。下面将介绍处于四季气候条件、早晚温度条件都明显变化环境的项目案例。 图2-2展示的是未实施优化启动的用电量趋势图,图中的曲线代表不同天气条件下的能耗需求,下方立柱对应这些天的供冷供热度日数。值得注意的是,建筑设备的启动时间大致相同,并没有根据天气变化做出对应的调整。这张分析图也说明了,设备设施往往在早晨启动策略上浪费能源,由于运行策略没有考虑到气候条件和天气变化。鉴于该项目安装了功能较完善的建筑管理系统,因此具备了实施优化启动的条件。


图2-2

解决方案:基于气候条件的灵活的BMS

翼虎能源的建筑能源管理软件,接入实时室外气象数据以及设备运行数据,通过智能化的分析,实施应气候条件而变的最优化运行策略。

例如,在夏季,建筑的夜间温度可以达到26℃,次日早晨需要用1.5小时的时间将温度从26℃降低到22℃。然而在秋季,建筑的夜间温度大概在23℃左右,因此次日早晨只需要30分钟的时间降低到22℃。

图2-3显示了通过最优启动策略,按照季节变化执行的控制结果。最冷的天气条件下,空调设备的开启时间最早;温暖的天气条件下,开启的时间最晚。这种控制策略控制HAVC系统,为这栋8万平米的商业建筑在一年内节省了5万以上的能源费。


图2-3

自动化控制作为完善的建筑管理系统的一部分功能,可以进一步帮助最优化启动的实施。如果一个建筑不能通过BMS实施最优化启动,物业工程经理依然可以通过仔细追踪每个月、甚至每周的运行情况来实现最优控制的目的,并根据运行的历史数据、趋势进行调节。这可以通过检查图表、或者将未来数周的天气趋势考虑进来实现。

小结Summary

通过密切关注实时能源计量数据、监测天气条件,物业工程经理得以对建筑能源消耗的细节进行分析,并改善设备启动的实践。

充足的数据使得能效分析得以进化为智能化的能源管理,并最终节省更多能源。在第一个案例中,节省了至少3万元的能源费;在第二个案例中,节省了至少5万元的能源费。与此同时,获得实时的能耗数据让物业工程经理懂得通过稍稍改变设备的启动时间,减少晨间的能源消耗,就能够节约可观的能源费,获得显见的收益。

3、热惰性利用(Coasting)

定义和背景

暖通空调系统和照明系统往往在建筑无人使用的时间段保持开启状态,导致电能和成本的浪费。热惰性利用可以减小HVAC系统的可控负载,通过在人员离开建筑之前关闭系统减少浪费。

在暖通空调系统工作的时间区间,提前关闭设备15-30分钟,通常建筑使用者感觉不到变化。建筑体的“蓄热”特性,使得室内温度缓慢的偏离设定温度。实践表明,如果使用通风系统,持续保持空气流通,让用户“听到”空调系统还在运转,他们就更加感觉不到提前关闭设备带来的细微温度差。保持用户舒适度是最重要的事,以牺牲舒适度为代价实现的节能,会降低用户满意度,显然得不偿失。

实际案例

热惰性利用是一种几乎可以用在任何中央空调系统集中控制空间的节能增效手段。下面以一个项目的案例进行这种方法的介绍。

挑战:营业时间结束后的能源浪费

以往该项目会让暖通空调系统持续运行,直至营业时间结束。图3-1用来展示提前关闭空调设备,但保持开启通风设备,能实现的潜在节能量。图中的阴影区域是用户使用建筑的时间段,蓝色曲线显示的是以往运行策略下的能耗情况,红色曲线是满足用户需要的建议运行策略下的能耗情况。这两条曲线中间夹的区域就表示了节电的潜力。


图3-1

解决方案:将HVAC系统的关闭时间提前30分钟

我们建议物业管理团队检查HVAC系统的自动运行时间表,并将关机时间调整为用户离开建筑之前30分钟。我们还建议物业团队监测用户离开建筑后的照明和插座负荷,以观察这两块用电量是否有优化的空间。

图3-2直观的展示了通过热惰性利用达到的成果。就该建筑而言(8W平米建筑面积写字楼),通过对设备运行时间表的微小调整,一年节省了3万元电费,该建筑所在的资产组合的其他建筑采用了类似的运行策略,全年共节省了10万元的电费。


图3-2

小结Summary

虽然使用热惰性利用策略达到的节能效果因项目而异,但可以保证的是,对于大型商业建筑和资产组合来说,这种方法可以显著减少能源浪费。这个案例也同时说明了掌握能耗计量数据十分重要,可以帮助物业经理监测能源浪费现象,同时检验微调运行策略达到的实际节能效果。

4、参与需求响应

定义和背景

电力需求管理往往也会是一条节省电费的途径,具体通过两方面的管理实现:a)电费结算方式,b)在用电高峰期的用电量。目前我国对商业电费以“峰谷平”的方式计价,在北京、上海等城市,参加政府的电力需求响应项目(如:在用电高峰期、雾霾超标期政府会发布电力需求调节信号),在要求的时段降低负荷,可以获得资金补贴。因此,电费账单可由使用电能的费用减去电力需求响应的补贴。

实际案例

无论是哪个行业,都可以通过参与电力需求响应项目节省电费。下面的例子介绍了一个企业通过调整生产计划,降低高峰负荷,从而获得了可观政府补贴。

挑战:节约能源,降低成本

某生物医药制造企业2015年参加了用电需求响应计划,该单位的主要用电模式有:办公用电、生产用电、生产辅助用电,生产设备24小时连续工作用电。

解决方案:无成本的生产计划调整

根据其实际用电模式,该企业制定了自身参与需求响应的调节策略:

  • 利用实验室密封特性(建筑热惰性),提前利用空调预冷降低室内温度,在需求响应实施过程中,关闭末端空调或提高末端空调机组送风温度或室内温度设定值
  • 利用蓄冷机组,提前蓄冷,在需求响应实施过程中,关闭冷水机组,通过蓄冷机组释冷来代替冷机制冷
  • 调节实验计划,将实验工作安排在非用电高峰时段
  • 调节部分非关键生产工艺流程的生产计划,将其安排在非用电高峰时段

小结Summary

通过以上措施,该生物医药企业共参与了5次(共11小时)2015年夏季北京市需求响应调度,平均削减负荷量约480kW左右,超额完成承诺响应量,夏季响应共获得的奖励资金约为30000元。

5、因地制宜的节能策略economizing

定义和背景

经济性节约是指充分利用建筑外部环境因素来辅助建筑的HVAC系统,共同调节建筑内热舒适度。其中一种方法是调节从建筑外部引入空气,进行“免费制冷(free cooling)”。当外部空气温度低于空调系统的回风温度时,用于免费制冷的新风调节阀就可以全部打开。当外部气温高于空调系统的回风温度时,将调节阀关闭。

这种节能方法比较适用于室外温度在10℃-18℃之间的时候,效果因建筑结构和所处位置而异。下面介绍的项目,通过应用实时能耗数据,充分利用室外温度进行建筑内的温度调节,从而节能、节钱。

实际案例

功能全面的建筑管理系统(BMS)基本上都具备远程控制新风调节装置的功能,因此可以通过检查现有BMS的运行策略,去了解调节开启程序以及设定值。实际项目中,在投入使用多年以后,BMS的运行情况往往已经偏离了设定值,因此实施节能措施的可行性也受到影响。

挑战:没有使用室外空气辅助室内气温调节

某商业建筑的供暖/制冷临界设定值(转换点)是13℃,如图5-1所示。


图5-1

13℃上下一度的变化,就会影响HVAC系统的运行模式(供暖/制冷)。显然这个项目原本并没有充分利用室外温度(7℃-16℃)去帮助室内制冷。如果该项目采用合理的节能制冷措施,那段期间内的能耗应当比供冷期或制冷期的能耗少,相应时间段的曲线应当相对平坦。

解决方案:利用软件实现“免费制冷”

该项目如果利用“免费制冷”手段进行节能优化,其每小时的冷/热需求和室外温度的关系应当如图5-2所示。


图5-2

请注意图中4℃-16℃对应的那段平坦的曲线,显示了该项目已经开始应用节能措施,开始通过控制新风调节装置,借助室外温度进行调节。

我们根据图5-1的分析,建议该项目的运行管理人员进一步检查HVAC系统的设定值,以全面发挥“免费制冷”策略的优势。由于调节阀故障、传感器失效也会影响节能控制策略的执行,因此我们建议最好进行全面的检查。

虽然节能成果因具体项目而异,但一个3W平米建筑面积的商业建筑平均可以节省7000-2.5万元电费。

小结Summary

使用实时能耗数据,该项目意识到以往没有充分利用室外温度进行“免费制冷”,从而错过了节能的机会。简单通过软件的控制手段,充分利用室外温度条件为建筑制冷服务,就可以轻松享受“免费制冷”带来的节能收益。

结语

通过低成本、甚至零成本的方式实现节能增效,既可以是你迈入能源管理的成功的第一步,又可以让你的能源管理水平更上一层楼。由本文中的几个例子可知,能耗数据是识别节能机会、实现节能增效的重要工具。如果没有实时的能耗数据、设备运行数据,物业经理只能依靠月度的能源账单发现问题,但这些账单中并不显示与设备运行直接相关的信息,更不显示潜在的效率低下和异常问题。

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