一种商业楼宇能效提升策略方案优化方法与流程

1.本发明属于建筑节能改造领域，具体涉及一种商业楼宇能效提升策略方案优化方法。


背景技术：

2.能源是人类社会赖以生存和发展的重要物质基础，也一直是困扰人类生存与发展的重大问题。随着城市化水平的不断提高、产业结构的持续调整，中国城市能源需求量快速增加，其中建筑耗能已占能源消费总量的30％以上。2017年《中国建筑节能发展报告》数据显示，预计到2050年，建筑部门节能减排潜力将高达74％，可减少碳排放量约50％。因此，建筑节能对于实现中国节能减排战略具有重大意义，是实现中国碳排放目标的关键。
3.受上世纪石油危机的影响，西方发达国家已经认识到了建筑领域节能的重要性，先后针对本国的低能耗建筑开展研究和探索。特别是在德国，德国的“被动式”超低能耗建筑技术被业界提议为最接近零能耗的建筑节能技术。通过其围护结构良好的保温隔热措施与高效热回收的新风系统综合应用，不仅节约能源而且还保障了建筑室内的温度、湿度等，为用户创造了舒适、健康的室内环境，与此同时对于开发商来说带来了经济效益，因此在很多国家被引进和推广。英国低能耗建筑的研究将重点放在使用可再生能源来完全替代电网供电，将二氧化碳排放量减少到零，并且通过良好的保温隔热性能，使建筑的热损耗控制在0.8，被命名为“零碳居住建筑”。美国提出“净零能耗公共建筑”的概念，即建筑的一次能源消耗与可再生能源的应用达到平衡的状态，并大力推广到2050年所有美国的公共建筑都将实现净零能耗的目标。
4.关于中国建筑节能的研究，被国内学者称为“建筑三步节能”政策。这个政策选择1980年到1981年中国的建筑能源消费量作为基准，并且以在此基准上的节能百分比来描述建筑的节能率和节能效果。1986年发行的《民用建筑节能设计标准》规定，1991年以后设计和建设的住宅与标准住宅相比，要达到30％的节能率(一步节能)；根据1995年对《民用建筑节能设计标准》的修订，规定2000年以后的设计和建设的住宅与基准住宅相比要节能50％(二步节能)；在达到二步节能的目标之后，我国又进一步提高了节能要求，规定2005年以后设计和建设的住宅与基准住宅相比节能65％(三步节能)。目前，随着我国建筑节能政策的不断修订和推行，随着示范项目的推广，我国新建建筑基本走过了三步节能的道路，但与国外发达国家的低能耗超低能耗建筑相比，仍有存在较大的差别，证明我国建筑领域的节能工作仍然存在着较大的潜力。2009年，中德双方签署合作目标，意味着我国已经全面向低能耗超低能耗建筑迈进，2018年6月，国务院在《打赢蓝天保卫战三年行动计划》中表明，已经认可了低能耗超低能耗建筑的优势，并提出在现有形式下应当因地制宜的提高建筑节能的标准。
5.党的十八大将生态文明建设纳入中国特色社会注意事业“五位一体”总体布局，明确提出大力推进生态文明建设，努力建设美丽中国，实现中华民族永续发展。2017年，国务院印发“十三五”节能减排综合工作方案，《方案》指出，要落实节约资源和保护环境基本国
策，以提高能源利用效率和改善生态环境质量为目标，以推进供给侧结构性改革和实施创新驱动发展战略为动力，坚持政府主导、企业主体、市场驱动、社会参与，加快建设资源节约型、环境友好型社会。
6.针对电网面临源荷缺乏互动、安全依赖冗余、平衡能力缩水、提效手段匮乏这四大问题，2020年，国网浙江电力创造性地提出了建设能源互联网形态下的多元融合高弹性电网，大幅提高全社会综合能效水平，推动全社会绿色低碳发展的理念。在负荷侧，通过唤醒海量沉睡资源，引导用户用电行为，聚合互动潜力、谋划互动收益，以强交互能力支撑电网弹性。由于商业楼宇可控负荷运行方式灵活，电力调度中心可通过直接控制或价格激励措施，有效管理商业楼宇系统能耗，降低建筑运行成本，提高电网运行经济性和安全性。
7.目前国家出台了《公共建筑节能设计标准》、《节能检测技术通则》等较多关于节能指标和测量方法的标准文件，同时我国也积极与德国、美国合作，引入其先进的技术措施，建设一些我国的零能耗建筑示范工程。比如中建科技成都绿色建筑产业园办公楼、南京绿色灯塔、曼瑞德绿色建筑产业园等项目都是我国夏热冬冷地区的零能耗示范建筑，给我国的实践带来了有力的参考价值。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于解决现有技术中存在的问题，并提出一种商业楼宇能效提升策略方案优化方法。本发明具体采用的技术方案如下：
9.一种商业楼宇能效提升策略方案优化方法，其包括如下步骤：
10.s1、获取待开展能效提升的商业楼宇的基本环境信息和用能情况；
11.s2、通过建立能耗评价指标体系，并根据s1中得到的商业楼宇的基本环境信息和用能情况确定评价指标取值，对商业楼宇当前的能效情况进行评估；
12.s3、获取结合商业楼宇自身节能需求和实际情况为商业楼宇制定的能效提升策略方案；
13.s4、基于能效提升策略方案，为商业楼宇制定工程施工所需的节能改造实施方案；
14.s5、在节能改造实施方案基础上，通过能耗分析模型和经济性评价模型分别对改造后的商业楼宇进行能耗和经济性分析评估，得到商业楼宇节能改造项目的综合效益评估结果；
15.s6、根据商业楼宇节能改造项目的综合效益评估结果，判断待选节能改造实施方案是否具备可行性，若可行则将其作为最终方案用于对商业楼宇进行节能改造，若不可行则重新对节能改造方案进行局部替换或优化，直至满足可行性要求。
16.作为优选，所述的s1中，所述基本环境信息包括建筑性质、地址、投入使用日期及年限、建筑总面积、建筑层数、商业楼宇功能区划分、建筑楼分布情况以及建筑的墙体、屋顶、外窗材料使用情况；所述用能情况包括三类，第一类为建筑的综合能源使用情况，包括能源种类、可再生能源使用比例、储能安装情况；第二类为建筑近期的总用能量以及耗能成本，包括建筑不同功能分区、不同用途、不同设备的能耗量及所占比例；第三类为建筑用能设备情况，包括设备的类型、功率、个数。
17.作为优选，所述的s2中，从围护结构总传热值、设备性能系数、单位面积用能指标、产值能耗指标4个方面建立建筑能效评价指标体系，对建筑现阶段的能效情况进行评估，诊
断分析该商业楼宇存在的能耗问题，定位能耗不满足要求的区域或设备，同时确定该商业楼宇的能耗标杆值。
18.作为优选，所述的s3中，能效提升策略方案设计需要分析建筑存在的用能问题，对能耗不满足要求的区域或设备进行针对性的节能改造；所述节能改造的方法包括用户用能习惯调整、建设楼宇能源管理系统、用电设备改造以及围护结构改造中的一种或多种。
19.作为优选，所述的s4中，所述节能改造实施方案具体做法为：根据设计的能效提升策略方案，结合商业楼宇自身节能需求和实际情况，为建筑制定待选的节能改造实施方案，并编制建设工程实施计划，确定各部门分工责任制，做好对节能改造项目的投资、工程管理及竣工验收的具体实施计划。
20.作为优选，所述的s5中，所述能耗分析模型是考虑建筑实际运行情况，利用模拟的方法建立建筑能耗模型，分析不同运行情况对建筑采暖空调耗能量以及建筑总能耗的影响，得出的单位面积建筑年能耗回归模型，并确定针对建筑不同运行情况下的能效基准，便于同类型建筑之间进行能效比较；所述经济性评价模型通过采取节能建筑全寿命周期的经济状况数据指标，将建筑能耗量数据、节能成本投入、能源价格以及经济分析参数，进行既有建筑节能改造经济评价指标计算分析，用于评价节能改造工程在经济上的可行性和资金回收期计算，在节能改造前进行方案的比较，选择最优适合方案。
21.进一步的，所述能耗分析模型包括能耗的同比与环比分析和能耗相关性分析；所述经济性评价模型包括节能量计算、改造成本计算、节能改造经济效益分析和节能改造环境效益分析。
22.作为优选，所述的s6中，在改造项目竣工后针对改造部分进行能耗评估和经济性评估，根据评估结果对改造后成效较好的部分进行保留，对改造后成效仍然不理想的部分进行原因分析，并根据分析结果对原方案中相关的节能改造技术进行改良或替换，形成进一步提升能效的方案。
23.本发明在总结现有节能改造案例基础上，参考国内外能效提升做法，建立了评价商业楼宇能效的基本指标体系，确立了进行商业楼宇能效提升的实施步骤，提出了商业楼宇能效提升方案，最后通过建立能耗分析模型和经济性评价模型，对能效提升方案实施成效进行评估，为商业楼宇在制定能效提升方案时提供参考。
附图说明
24.图1为一种商业楼宇能效提升策略方案优化方法的流程图；
25.图2为能源管理系统功能架构图；
26.图3是测试建筑分项能耗逐月分布情况。
具体实施方式
27.下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。
28.如图1所示，在本发明的一个较佳实施例中，提供了一种商业楼宇能效提升策略方案优化方法，该方法包括如下步骤：
29.第一步：调研收资。
30.对待开展能效提升的商业楼宇进行调研，收集相关资料，获取商业楼宇的基本环
境信息和用能情况，具体包括：
31.1.基本环境信息：
32.(1)调研建筑性质、地址、投入使用日期及年限、建筑总面积等；
33.(2)调研建筑层数，对商业楼宇进行功能区划分(商场、超市、酒店、单身公寓)，调研建筑楼分布情况；
34.(3)调研建筑的墙体、屋顶、外窗材料使用情况，评估建筑目前的保温性能。
35.2.建筑用能情况
36.(1)调研建筑的综合能源使用情况，包括能源种类、可再生能源使用比例、储能安装情况等；
37.(2)调研建筑近几年的总用能量以及耗能成本，并统计不同功能分区、不同用途、不同设备的能耗量及所占比例。
38.(3)调研建筑用能设备情况，包括设备的类型、功率、个数等。
39.(4)调研建筑分时段能耗情况，统计建筑总体及各功能区月度、季度用电总量。
40.(5)统计空调、照明、电梯的设备的利用小时数，分析设备的利用率。
41.根据需要获取的信息，完成数据明细列表，明确数据来源，设计商业楼宇基本情况调查表并填写。
42.第二步：诊断评价。
43.通过建立能耗评价指标体系，并根据前一步得到的商业楼宇的基本环境信息和用能情况确定评价指标取值，对商业楼宇当前的能效情况进行评估。在评估时，首先从围护结构总传热值、设备性能系数、单位面积用能指标、产值能耗指标4个方面，建立了商业楼宇能效评价指标体系，计算建筑节能率，建筑本体节能率计算时，设计建筑的建筑能耗综合值不应包括可再生能源发电量，应按下式计算：
[0044][0045]
式中：η
e
为建筑本体节能率；e
e
为设计建筑不含可再生能源发电的建筑能耗综合值，单位为kwh/m2；e
r
为基准建筑的建筑能耗综合值，单位为kwh/m2。
[0046]
根据上述建筑能效评价指标体系，结合调查得到的商业楼宇的基本环境信息和用能情况，对建筑现阶段的能效情况进行评估，诊断分析该商业楼宇存在的能耗问题，定位能耗不满足要求的区域或设备。同时参照有关标准，采用统计分析、技术测算等方法，确定该商业楼宇的能耗标杆值，根据建筑能耗情况将试点改造楼宇低碳零能耗提升目标划分为近零能耗建筑、超低能耗建筑和零能耗建筑三类。
[0047]
第三步：方案设计。
[0048]
结合商业楼宇自身节能需求和实际情况，分析建筑存在的用能问题，对能耗不满足要求的区域或设备设计针对性的节能改造方案，进而为商业楼宇设计制定的能效提升策略方案，方案设计主要包括以下几个方面：
[0049]
1.用能习惯调整
[0050]
结合商业楼宇自身节能需求和实际情况，为建筑制定可行的节能改造实施方案。根据用电曲线、用户用电量等数据，对耗能较大的用户进行用能习惯调查，为用户提供pc用户网页端+手机app应用，方便用户实时查询电费电量，约束用户用能浪费的习惯。
[0051]
2.安装能源管理系统
[0052]
在建筑中设置能源管理系统，对建筑物的能效进行监测、分析和管理，功能架构如图2所示。
[0053]
3.用电设备改造
[0054]
随着公共建筑节能改造工作的不断推进与完善，改造技术呈现多样化发展，空调热源、空调冷源、空调输配系统、电梯、控制系统和照明系统的改造技术在各类商业楼宇中应用普遍。
[0055]
在节能改造过程中，一般会针对建筑类型与运行特点制定适宜的改造方案，以获得最大经济效益。不同类型公共建筑采用的改造技术侧重点有所不同。如商业楼宇灶具改造和冷柜改造应用较多，宾馆饭店建筑及医疗卫生建筑对热水和空调热源改造较多，而医疗卫生建筑则较少采用通风系统改造和变配电改造技术。
[0056]
4.围护结构改造
[0057]
建筑物是由围护结构围合起来的空间，这一空间节能的高低取决于围护结构的保温隔热性能的高低。据统计，建筑物通过围护结构散失的热量大约占整个建筑热量损失的70％，所以围护结构节能改造研究现在已成为国内外建筑节能研究的重点。对既有建筑进行节能改造需重点改善围护结构的热工性能，主要体现在对外墙、屋面、门窗、阳台和楼梯间等部位的节能改造。
[0058]
上述几种不同的节能改造方法可根据目标建筑的实际情况进行选择。
[0059]
第四步：建设实施。
[0060]
根据设计的能效提升策略方案，结合商业楼宇自身节能需求和实际情况，为建筑制定待选的节能改造实施方案，并编制建设工程实施计划，确定各部门分工责任制，做好对节能改造项目的投资、工程管理及竣工验收的具体实施计划。由此针对商业楼宇制定得到了工程施工所需的节能改造实施方案，可基于该实施方案对商业楼宇进行节能改造。
[0061]
第五步：成效评估。
[0062]
通过建立能耗分析模型和经济性评价模型对改造后的建筑进行能耗和经济性分析。能耗分析模型是考虑建筑实际运行情况，利用模拟的方法建立建筑能耗模型，分析不同运行情况对建筑采暖空调耗能量以及建筑总能耗的影响，得出的单位面积建筑年能耗回归模型，并确定针对建筑不同运行情况下的能效基准，便于同类型建筑之间进行能效比较；所述经济性评价模型通过采取节能建筑全寿命周期的经济状况数据指标，将建筑能耗量数据、节能成本投入、能源价格以及经济分析参数，进行既有建筑节能改造经济评价指标计算分析，用于评价节能改造工程在经济上的可行性和资金回收期计算，在节能改造前进行方案的比较，选择最优适合方案。
[0063]
下面对能耗分析模型和经济性评价模型进行详细展开描述。
[0064]
能耗分析模型主要包括两部分：
[0065]
1.同比环比分析
[0066]
将峰、谷、平段的能耗总量，不同用途、不同设备的能耗总量进行同比和环比计算(环比：将相邻两月进行比较；同比：历史同期数据进行比较)，分析能耗受季节等因素影响的短期变化趋势，和随着年份增长的长期变化大趋势。
[0067]
2.能耗相关性分析
[0068]
某一区域的能耗可能与多种因素有关，通过建立多元线性回归模型，分析不同因素对能耗的影响程度。设y＝[y1，...y
n
]为能耗值样本数据，x1，x2，...，x
p
为待分析影响因素，建立p元理论线性回归模型为：
[0069]
y＝b0+b1x1+b2x2+...+b
p
x
p
+ε
[0070]
其中，b0为常数项；b1，...b
p
为偏回归系数；ε为残差。
[0071]
多元线性回归中采用判定系数r2来解释回归模型中自变量的变异在因变量中所占的比例。为了消除自变量的个数以及样本量的大小对判定系数的影响，可以引进经调整的判定系数如果r2或值越大，则线性回归效果越显著。
[0072]
建立回归方程后，需要进行显著性检验，已确认建立的数学模型是否很好的拟合了原始数据。包括两个方法：一个是拟合优度检验；另一个是f检验和t检验。
[0073]
经济性评价模型的建立主要包括五部分：
[0074]
1.节能量计算
[0075]
通过对采取节能措施前后的能源消耗量进行对比，建立节能量计算模型，分析区域或设备的节能量，根据《国际节能效果测量和认证规程》(ipmvp)，一般可采用公式：
[0076]
节能量＝基准年能耗量
‑
改造后能耗量+调整量
[0077]
2.改造成本计算
[0078]
既有建筑节能改造项目的全寿命期成本是指项目的设计、施工、材料、人工、运行维护等费用的货币折现值。按照改造项目改造部位划分，成本主要分为：改造方案设计咨询成本、工程投入成本、运营维护成本、拆除成本及其他费用。
[0079]
3.节能改造经济效益分析
[0080]
(1)财务净现值
[0081]
项目某年份的财务净现金流量为当年净流入量减去流出量，表达式为：
[0082]
f
t
＝ci
t
‑
co
t
[0083]
其中，f
t
为改造项目第t年的财务净现金流量；ci
t
为改造项目第t年的财务净现金流入量；co
t
π为改造项目第t年的财务净现金流出量。
[0084]
fnpv为财务净现值，在考虑未来利率波动的情况下，当fnpv≥0，说明该改造项目具备盈利条件，反之则说明经济不可行。
[0085]
既有建筑节能改造的财务净现值计算公式为：
[0086][0087]
其中，r
i
为第i年财务内部基准收益率；t为现金流发生的年份；n为既有建筑节能改造项目寿命年。在考虑未来利率波动的情况下，当fnpv≥0，说明该改造项目具备盈利条件，反之则说明经济不可行。
[0088]
(2)动态投资回收期
[0089]
资本动态回收期表示的是项目的效益补偿投入的成本所需年限，可以用于评价改造项目整体的成本效益情况，其计算公式为：
[0090]
[0091]
其中，i为年度折现率；p
i
为第i年净收益折现值；c为项目初期投入成本。令g(t)＝0，计算得到的t值即为本次改造项目的资本动态回收期。该值受项目增量效益、增量成本、年折现率因素影响。
[0092]
4.节能改造环境效益分析
[0093]
某年环境社会净现金流量为社会净现金流量与环境净现金流量之和。从全寿命期的理论分析，既有建筑节能改造不光有社会和环境效益，初期建设还会有社会和环境成本投入。
[0094][0095]
其中，k
i
为第i年折现率；t为现金流发生的年份；n为既有建筑节能改造项目寿命年；x
stb
为第t年社会效益折现值；x
stc
为第t年社会成本折现值；x
etb
为第t年环境效益折现值；x
etc
为第t年环境成本折现值。
[0096]
5.节能改造综合效益评价
[0097]
根据以上对既有居住建筑节能改造综合效益的分析，现基于现金流折现法(dcf)，将外部因素内部化，充分考虑实物的期权影响，建立既有居住建筑节能改造项目综合效益评价模型。
[0098]
tnpv＝fnpv+onpv
[0099]
其中，tnpv为商业楼宇节能改造项目的综合效益。tnpv≥0，说明项目具有可行性，反之则表示不可行。
[0100]
第六步：反馈改进。
[0101]
根据商业楼宇节能改造项目的综合效益评估结果，判断待选节能改造实施方案是否具备可行性，若可行则将其作为最终方案用于对商业楼宇进行节能改造，若不可行则重新对节能改造方案进行局部替换或优化，直至满足可行性要求。
[0102]
实施例：
[0103]
为了验证本发明提出的一种商业楼宇能效提升策略方案优化方法，将上述方法结合实施例作详细说明。上述方法的具体步骤如前所述，不再赘述，下面仅结合案例展示其具体结果。
[0104]
测试建筑为一个3层楼宇，该楼宇位于杭州。楼宇每层楼高3.6m，面积为504m2。每个房间为6m*6m的空间，并向外设窗户，中间设有一条2m*36m的走廊。南、北向单面墙总面积为388.8m2，东、西侧单面墙面总面积151.2m2。
[0105]
建筑的围护结构材料及参数如表1，其中导热热阻等参数用于评估围护结构的保温性能。
[0106]
表1围护结构物理参数
[0107][0108]
图3是测试建筑分项能耗逐月分布情况，包括每月照明、供热、空调电耗。该建筑一年的消耗的能源形式主要是电能和天热气，一年的总电耗为29.88万kwh，单位面积电耗值为197.61kwh/a.m2。一年消耗能源折合成等效电能的总耗量为36.36万kwh，单位面积能源折合电耗值为240.47kwh/a.m2。
[0109]
表2建筑总体能耗
[0110][0111][0112]
在该楼宇设计南向一面为光伏玻璃幕墙，窗墙比为0.9，则光伏玻璃幕墙总面积为350m2，光伏玻璃的光学物理参数如表3所示。
[0113]
表3玻璃光学参数
[0114][0115]
设置建筑的空调季为每年6月至8月，采暖季为每年11月至次年3月。对比建设玻璃幕墙前后采暖季和空调季的负荷变化如表4所示。
[0116]
表4光伏玻璃对冷热负荷的影响
[0117][0118]
可以看出安装光伏玻璃幕墙后，由于玻璃幕墙的反射和隔热效果，建筑全年的冷热负荷相比普通玻璃有所下降，起到了一定的节能效果。
[0119]
当在楼宇南面安装光伏玻璃幕墙，通过对比安装前后建筑冷热负荷以及发电量的计算来评估安装光伏玻璃幕墙对建筑总耗能的影响，如表5所示。其中，总耗能＝空调累计负荷+采暖累计负荷
‑
电力补偿量。
[0120]
表5建设幕墙前后节能量
[0121][0122]
安装光伏玻璃前后楼宇耗能差值为71.76mwh，按照商业用电0.67元/kwh来计算安装光伏玻璃后一年节约的电费为48079.2元。
[0123]
目前光伏玻璃幕墙的成本主要包括光伏幕墙材料费用、光伏幕墙安装人工费、光伏建筑电气部分费用，参照相关资料对建设投资进行估算，光伏幕墙的建设投资费用约为1600元/m2。计算安装光伏幕墙的静态回收期为11年，光伏幕墙的寿命周期一般为20～25年，在目前的幕墙成本范围内，建设光伏幕墙建筑的投资回收期小于光伏建筑的寿命期，表明项目投资能在规定的时间内收回成本，在经济上可以接受。
[0124]
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。