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北京市大型公共建筑能耗统计数据库与初步分析


北京市大型公共建筑能耗统计数据库与初步分析
摘要:不同规模的公共建筑,其全年的用能特点和能源消耗总量不同。大型公共建筑虽然数 量不多,但在我国民用建筑总能耗中占有很大比重。本文通过对北京市 41 座大型公共建筑 的能耗调查,得到各个建筑的全年电耗现状以及各系统设备构成,运行状况。结合正在建设 的公共建筑能耗数据库, 对北京市几类大型公共建筑的用能现状、 能耗差异及特点进

行描述。 提出在建筑缺乏用能设备分项计量的条件下, 需要对大型公共建筑重点用能设备运行状态进 行监测。 关键字:大型公共建筑、建筑能耗、数据库 一、背景 1.1 大型公共建筑的定义 不同规模的公共建筑,其室内人员、灯光和办公设备的密度不同,全年的用能特点和能 源消耗总量也不同。 根据建筑的用能特点, 将公共建筑划分为普通公共建筑和大型公共建筑。 大型公共建筑是指建筑面积超过 2 万 m 且采用集中空调系统的各类星级酒店、大中型商场、 高级写字楼、车站机场及体育场馆等。普通公共建筑则是指建筑面积在 2 万 m 以下或建筑 面积超过 2 万 m 但未采用集中空调的各类办公建筑、科研教学和医疗建筑等。图 1 为建筑 分类的示意图。 居住建筑 (住宅) 单幢建筑面积在 2 万 m2 以下或 2 万 m2 以上但未采用中央空调系统 的商业营业用房、服务业用房、办 公用房、教育用房、医疗用房、科 研用房、文化体育用房等。 单幢建筑面积超过 2 万 m2 以上且 采用中央空调系统的高级写字楼、 星级饭店、大型商场、政府办公大 楼、 医院门诊及住院大楼、 体育馆、 博物馆、 影剧院、 广播及电视台等。
2 2 2

民 用 建 筑 建 筑 工 业 建 筑

普通公共建筑

公 共 建 筑
大型公共建筑

图 1 根据用能特点的建筑分类

1.2 国内大型公共建筑能耗现状 我国各地研究者对某些城市大型公共建筑进行了能耗调查与节能潜力分析,得到表 1 的结果。
-1-

表 1 各大城市公共建筑的能耗调查结果 城市 能 耗 特 点 对 9 幢写字楼的调查表明,办公楼的最大平均耗能量与最小平均耗能量 上海
[1]

相差 2.21 倍,平均能耗量为 1.8 GJ/m .a。另外对上海 9 家星级宾馆的 单位面积年一次能耗量的调查结果表明, 其平均耗能量为 2.698 GJ/m .a。 对 15 幢高层办公建筑的抽样调查结果,写字楼的单位面积能耗最小的
2

2

深圳

[2]

45 kWh/m .a,最大的为 150 kWh/m .a,平均值为 96 kWh/m .a。其中空 调、照明、办公设备大约各占 30%。 对公共建筑的能耗采用访问方式进行调查,按照一次能耗来计算,单位

2

2

2

天津

[3]

建筑面积能耗最大的为 5.7 GJ/m .a,最小的为 0.86 GJ/m .a,平均值为 2.86 GJ/m .a。 对 9 幢大楼的全年能耗进行调查和现场测试,建筑能耗为 0.386~2.579 GJ/m .a,空调能耗为 0.137~0.868 GJ/m .a,最大的建筑能耗与最小的
2 2 2

2

2

武汉

[4]

建筑能耗相差 6.68 倍, 最大的空调能耗与最小的空调能耗相差 4.41 倍。 商场、办公楼、酒店的平均空调能耗为 0.495 GJ/m .a。空调能耗占总能 耗的 22.33%~79.41%。 总计 16000 幢大型商业建筑的能耗要占到总能耗的 30%。其中空调系统 的电耗为 43%、办公设备 17%、电梯扶梯 7%、照明 34%。对 16 家星级宾
2

香港

[5] [6] [7] [8]

馆的调查结果表明,宾馆的平均能耗高达 564 kWh/m .a。部分商场的调 查数据为电耗 391~454 kWh/m .a,平均 430 kWh/m .a,其中照明和空调 系统占到了 85%以上。 对 24 家县政府机关、33 家“中央”政府机关、929 幢中低层办公建筑、
2 2

2

台湾

[9]

8 幢高层办公建筑、3 幢智能型办公建筑的电耗进行调查,其用量指标依 次为 136、171、149、194、219 kWh/m .a。商业性写字楼的能耗高于政 府办公建筑,建筑规模越大、智能化程度越高的办公楼能耗越高。
2

根据北京市城市总体规划以及产业结构调整中继续加大第三产业比重的需要, 未来几年 内写字楼、公寓、饭店、会展中心及奥运场馆等大型公共建筑会大幅度增加,同时一批普通 公共建筑由于使用功能改变进行改造后, 能源需求成倍增长, 在用能特点上转变成为大型公

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共建筑。加上现有存量,北京市的大型公共建筑面积在未来几年内将达到 4000 万 m 。按照 现有的能耗指标推算,北京市仅大型公共建筑的全年电耗就会高达 60 亿 kWh。将会对北京 市的能源供应造成巨大压力,并制约北京市的经济发展。 二、大型公共建筑能耗调查统计与数据库建设 2.1 能耗调查统计方法 对北京市大型公共建筑能耗调查采用普查和重点调查相结合的方式。 2005 年 3 月初,向百余栋大型公共建筑的管理负责人发出了能耗调查表,通过回收此 表得到的数据和几年来北京市政府积累的统计数据,为建立能耗数据库奠定基础。 在进行问卷式能耗普查的同时, 作者于 2005 年 4 月至 5 月期间对北京市 41 座典型建筑 入户调查,深入了解了几类大型公共建筑的能耗情况,空调系统运行情况,其他设备运行情 况等。表 2 是进行深入调研的各类建筑基本情况。 表 2 被调查的建筑类型和数量 建筑类型 综合性商务楼 写字办公楼 商场 宾馆饭店 数量 10 14 12 5 总建筑面积/万 m2 119.56 50.70 63.89 41.69

2

其中综合性商务楼指的是汇集商业、办公、娱乐、居住等多种功能的建筑物单体或建筑 群,而其他三种类型建筑——写字办公楼、商场、宾馆饭店则功能相对较为单一,通常为单 体建筑。

2.2 能耗数据库主要框架 公共建筑能耗数据库框架服务于公共建筑的节能。 对于大型的公共建筑, 从节能建筑的 内容看,可以总体分为两类,一是建筑物本体的热工性能,即通过提高建筑围护结构的保温 隔热性能、门窗的密闭性能和充分利用通风、太阳能、自然采光等措施来降低为达到相同的 室内舒适程度所需要的采暖和空调的能耗;二是提高建筑物内的能耗系统及设备的能源效 率,包括采暖、空调系统、照明灯具、热水器、家用电器及办公设备等。其中暖通空调能耗 分三部分: 冷热源能耗、 末端设备能耗和输送系统设备能耗, 这与运行调节方法也密切相关。 结构如下:

-3-

图 3 公共建筑节能途径结构图

按照大型公共建筑能耗统计方法, 将数据库设计成为能够方便快捷地反映的建筑物具体 信息如下:

图 4 数据库内容 2.3 大型公共建筑能耗数据库建设概况 清华大学建筑节能研究中心结合多年来对大型公共建筑进行节能诊断测试的经验, 搭建 了一整套大型公共建筑能耗数据库。 结合这一建筑能耗统计平台并不断进行完善和分析, 将 准确地给出我国各类建筑物所消耗终端能源的具体数据, 并可以描述我国建筑能耗的具体特 点,例如发展变化的特点、不同功能建筑耗能的特点、不同地域建筑耗能、建筑内不同终端 用能特点等。 截至 2006 年 2 月,已在大型公共建筑能耗数据库中为 484 栋公共建筑建立初步档案, 其中北京市建筑 404 栋,按建筑类型和面积将其归类,数量分布如下。 表 3 大型公共建筑能耗数据库北京市建筑概况
建筑面积(m )
2

小于 2 万

2~5 万

5~10 万

大于 10 万

总计

-4-

写字楼办公楼 商场 宾馆饭店 综合性商务楼 医院 博物馆、展览馆 体育馆 学校 机场车站、广播台 北京市地方政府建筑 中央在京机关办公建筑 其他 总计

28 12 33 6 4 0 7 0 2 26 2 3 123

30 14 42 8 3 2 3 1 0 21 29 6 159

21 9 25 6 4 0 0 1 1 3 3 3 76

12 2 9 11 1 0 3 0 1 1 2 4 46

91 37 109 31 12 2 13 2 4 51 36 16 404

三、大型公共建筑能耗现状分析 大型公共建筑所消耗的能源种类根据建筑物内用能系统的不同而有所差别, 一般以电为 主,辅以天然气、煤、蒸汽和市政热水等。 3.1 各类型建筑能耗现状 抽取数据库中大型公共建筑样本 64 个进行粗略估计。由于电制冷是目前大型公共建筑 的制冷的主要形式,故选取的 64 座建筑均为电制冷形式,其使用的能源为单一电。 (1)年耗电量
300 商场 宾馆饭店 办公楼 综合性商务楼

单位面积年总电耗(kWh/m2.a)

250 200 150 100 50 0 0 5 10 15

20

25

建筑面积(万m2)

图 5 各类型建筑 2004 年单位面积总电耗与建筑面积散点图 由 图 中 数 据 可 以 看 出 ,商 场 类 建 筑 较 其 他 类 型相 比 全 年 耗 电 量 较 大 ,大 部 分 在 200kWh/m .a 至 300kWh/m .a 之间。商场耗电设备较多,照明设备数量多,空调系统设备容 量大且运行时间长。宾馆饭店和办公楼类建筑耗电量相当,基本在 200kWh/m .a 以下。综合 性商务楼由于其建筑功能分散,基本是建筑群,所以其单位面积年电耗参考性不强,需要对
-5-
2 2 2

不同功能建筑的用电量进行拆分才能反映不同功能的耗电量情况。 根据统计学, 我们在 80%的置信度下对北京市的各类大型公共建筑年单位面积的耗电量 进行区间估计。 表 4 电制冷形式各类建筑年单位面积平均电耗 样本 建筑类型 数量 商场 宾馆饭店 办公楼 综合性商务楼 12 25 18 9 平均电耗 (kWh/m .年) 216 121 111 125
2

抽样极限误差 (kWh/m .年) 24 8 8 21
2

置信区间 (kWh/m .年) 192 113 103 104 240 129 119 146
2

(2)逐月耗电量 将 64 座建筑按照各自类型对每月单位面电耗进行平均,得到图 6。可以看到夏季由于 空调系统的使用,电耗显著上升。在大型公共建筑全年能耗中,照明、动力等电耗是基本稳 定的,而供冷、供暖能耗是随季节而波动的。因此,供冷季节的电耗高于过渡季节,可见空 调制冷系统能耗在建筑能耗中占有相当大的比例。对于不同功能的建筑这一比例也不相同。 如果将夏季各月电耗增加的部分作为空调系统的电耗, 那么从图中面积关系不难得到增加部 分的电量占夏季总用电量的 30%左右。所以大型公共建筑节能的关键在于空调系统的高效 运行。
25

20

kWh/(m2.月)

15

10

5

0 1月 2月 3月 4月 5月 商场 6月 7月 8月 9月 10月 11月 12月 宾馆饭店 办公楼

图 6 各类建筑 2004 年逐月平均单位面积电耗

-6-

3.2 各类型建筑能耗特点及差异 3.2.1 商场类建筑 商场营业时间每天长达 12 个小时以上,且全年营业。由于内部发热量大,空调开启时 间也较其它公共建筑长,调查中了解到北京市一些商场的制冷机从 3 月下旬开启运行到 11 月上旬。因此其单位面积的电耗在大型公共建筑中是最高的。 (1)电耗与冷机容量的关系 图 7 为从数据库中抽取的 12 座商场类建筑的制冷机容量与建筑面积的关系。从中可以 看到一些建筑的装机制冷量过大,有的制冷容量甚至超过了 170W/m 。在重点调查过程中, 了解到个别建筑冷机在负荷高峰时仅用两台,而 4 台备用,在制冷机选型上缺乏节能意识。 在确定制冷机台数和每台机组的容量时, 往往过多地考虑一次投资, 很少考虑全年动态负荷 曲线, 不能做到使同时运行的制冷机总容量尽可能地接近建筑的动态空调负荷。 因此对于新 建建筑,在设计时不仅要考虑设备单独运行的特性,还要考虑系统的特性曲线、机组在部分 负荷下的 COP。
12000 100W/m2
2

冷源装机制冷量(kW)

9000

6000

3000

0 0 5 10 建筑面积(万m2) 15 20

图 7 商场类建筑制冷容量与建筑面积关系散点图

从图 8 可以看出各商场相互之间用电量差异较大, 电耗高的商场用电量达到了电耗低的 商场的近 3 倍。上述差异表示北京市大型商场存在着巨大的节能潜力。

-7-

300

2004年单位面积电耗(kWh/m2.a)

200

100

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 商场编号

图 8 12 家商场 2004 年单位面积电耗

(2)空调系统装机功率与电耗的关系 表 5 给出了其中 8 家商场的空调系统装机电功率数据及年单位面积电耗数据。 9 更直 图 观地反映出空调系统各部分装机电功率的参考比例。 可以看到 8 家商场建筑面积不同, 空调 系统各部分装机容量的比重也不同。

表 5 8 栋商场建筑空调系统装机电功率及电耗
商场代 码 A B C D E F G H 建筑面积 万m
2

制冷机 kW 1008 891 1338 1640 1810 1455 1043 1543

冷冻泵 kW 160 165 165 231 590 370 600 166.5

冷却泵 kW 195 225 165 280.5 506 225 300 468.5

空调箱 kW 241.1 128.7 405 490 192.7 663 1047.1 651

冷却塔风 机 kW 52.5 18 88.2 30 147 132 66.9 96

年单位 面积电耗 kWh/m .a 244 220 286 134 260 229 188 125
2

3.1 3.1 3.6 5.6 6 7.7 9.6 20

-8-

冷机 100% 80%
装机电功率比例

空调箱

冷冻泵

冷却泵

冷却塔风机

241kW 60% 40% 20% 0% 3.1

129kW

405kW

490kW 193kW 663kW 1047kW

651kW

3.1

3.6

5.6

6.0
2

7.7

9.6

20.0

建筑面积(万m )

图 9 8 家商场空调系统各部分装机电功率比例

总体来讲, 制冷机的装机电功率占有较大比重, 但经调查得到一般建筑的制冷机组均为 两用一备或一用一备,故其装机电功率不能说明实际运行的设备功率值,冷冻泵、冷却泵也 会存在同样的问题。但由于商场类建筑内部空间大,功能单一,都在营业范围内,所以对于 商场的空调箱或新风机组来讲, 基本上不存在备用现象, 各风机随空调系统的运行时间变化。 空调箱风机为商场类建筑的长期运行设备, 在注重提高水泵效率的同时, 不能忽视空调箱风 机的高效节能运行。 3.2.2 宾馆饭店类建筑 宾馆饭店类建筑与商场和写字楼不同, 虽然营业时间长, 但由于受到旅游季节变化和入 住率波动的影响,多数时间是在部分负荷下工作。 图 8 给出了 25 栋宾馆 2004 年的单位面积电耗数据。可以看出宾馆类建筑平均电耗在 100~150kWh/m .a,但也有个别建筑耗电量超过 200 kWh/m .a。
2 2

-9-

250

年单位面积电耗(kWh/m2.a)

200

150

100

50

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 宾馆编号

图 10 25 栋宾馆 2004 年单位面积电耗

从上述 25 栋宾馆类建筑中找出年单位面积电耗最高和最低的建筑进行逐月电耗数据比 较。从图 10 可看出,夏季为旅游旺季,空调系统需长期运行,故总体上来看宾馆类建筑用 电高峰亦在夏季。宾馆类建筑风机盘管功率虽小,但数量多,且一般宾馆冬夏均采用风机盘 管系统,故其耗电量也不容忽视。
25

20

kWh/m2.月

15

10

5

0 1月 2月 3月 4月 5月 6月 7月 8月 9月 10月 11月 12月

图 11 典型宾馆逐月用电量散点图

-10-

3.2.3 办公楼类建筑 办公楼类建筑, 全年使用时间约为 250 天, 每天工作 8 小时, 设备全年运行时间为 2000 小时左右。由于人员数量决定电脑等设备的开启数量,室内照明相对固定,故写字办公楼类 建筑室内热扰与人员数量密切相关。 6 给出了选取 6 栋写字楼类建筑空调系统装机电功率 表 数据及年单位面积电耗数据。 表 6 6 栋办公楼类建筑空调系统装机电功率及电耗 建筑 建筑 面积 代码 万m A B C D E F
2

冷却塔风 冷机 kW 875 1008 1588 1792 1895 1920 冷冻泵 kW 222 165 375 397 238 180 冷却泵 机 kW 105 165 300 397 238 300 kW 79.2 16.5 90 33 36 44 kW 55.6 95.5 35.2 56.1 93 201 kW 623.7 204.2 203.5 123.1 88 740 新风机 空调箱

风机盘 管 kW 9.146 20 52 58.53 81 1.812

年单位 面积电耗 kWh/m .a 138 113 101 139 109 110
2

5.5 5.6 7.1 8.3 8.4 11.6

四、结论 对于大型公共建筑而言,能源消耗情况非常复杂。建筑物的空调、照明、办公设备耗电 三者性质不同。 例如空调系统用电决定于运行方式和物业管理水平, 而照明和办公设备用电 则在很大程度上和建筑使用者的节能意识有关。对上述三者应采用不同的政策和管理手段。 由于建筑物实际能耗和使用条件、入住率、设备效率衰减等诸多因素相关,只有实现建筑内 各耗能环节分项计量, 才可能真正把实际各类系统的能耗状况和合理的用能配额相比较, 确 定差异如何形成,明确进一步的节能潜力。 对于目前的建筑节能工作而言, 首先需要对建筑物各用能环节和各系统的设备现状做一 全面了解,包括各设备台数、装机容量、与之相关的参数等。其次,在没有分项计量工具的 条件下, 运行管理人员需要对重点用能设备进行详细记录, 以便于分析各设备的运行状况和 能耗水平。 对于一些常年运转特别是根据季节和使用情况调节的设备, 如冷冻机水泵等则需 定时对运行参数进行记录, 记录数据不应该简单作为操作工人到岗的依据, 而应该用于发现 运行中存在问题并作为分析原因以及改进和改造的判断依据。 重点用能设备运行状态监测的

-11-

内容如表 5 所示。 表 5 重点用能设备运行状况记录频率及数据用途 设备 需记录的参数 冷冻水供水温度 冷冻水回水温度 每 1~2 冷源 集水器入口水温 小时 1 次 电动制冷压缩机电流 直燃机燃料消耗 冷热源 燃料消耗量 锅炉 补水量 冷却水进水水温 与冷机 冷却塔 冷却水出水水温 相同 冷却塔风扇开启台数 空调箱 一次回风机组 风机运转小时数 风机电流 排风温度 新风机组 风机运转小时数 (排风机) 风机电流 冷冻泵 水泵运转小时数 输配系统 冷却泵 水泵电流 采暖泵 每天 1 次 统计水泵累计电耗 统计新风机组电耗 每天 1 次 过滤器堵塞程度 每天 1 次 判断房间温度满足情况 统计空调箱电耗 分析风机效率和 混风阀开度 回风温度 每季 1 次 分析风机效率和 过滤器堵塞程度 统计冷却塔电耗 分析冷却塔效率 每天 1 次 统计热源全年能耗 分析锅炉凝结水回收率 统计冷冻机全年能耗 分析计算冷冻机 COP 记录频率 数据用途

以上是针对空调系统所做出的记录表格,对于照明、办公系统亦需这样的详细统计,才 能在没有进行分项电表计量的前提下, 摸清整栋建筑的分项能耗, 明确进一步的节能潜力和 方向。

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参考文献 [1].谢仲华,龙惟定. 建筑采暖空调能耗与节能潜力分析. 能源技术,2002(3) :158~161 [2].梁珍,赵加宁,郭骏. 高层办公建筑能耗调查与节能潜力分析. 节能技术,2001,19 (1) [3].杨洁, 涂光备. 天津神户公共建筑能耗调查及空调制冷系统节能分析. 暖通空调, 2002, 32(1) :40~42 [4].李玉云,张春枝,曾省稚. 武汉市公共建筑集中空调系统能耗分析. 暖通空调,2002, 32(4) [5].Shi-Ming Deng and John Burnett. A study of energy performance of hotel buildings in Hong Kong. Energy and Buildings,2000(31) :7~12 [6].W.L.Lee and F.W.H. Yik. A strategy for prioritizing interactive measures for enhancing energy efficiency of air-conditioned buildings. Energy,2003(28) : 87-89 [7].Philip C.H.Yu and W.K.Chow. Energy use in commercial buildings in Hong Kong. Applied Energy,2001(69) :243~255 [8].Joseph C. Lam. Electricity consumption characteristics in shopping malls in subtropical climates. Energy Conversion and Management,2003(44) :1391~1398 [9].林宪德. 热湿气候的绿色建筑. 台湾:詹氏书局,2003. P28

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