[摘要] 建筑行业是国民经济中主要的能耗终端之一,一般认为将达到社会总能耗的30 %左右,20
建筑行业是国民经济中主要的能耗终端之一,一般认为将达到社会总能耗的30 %左右,2007 年,我国建筑的能耗已占社会总能耗的2715 %。2004年,我国城镇有一般公共建筑50 亿m2 ,年耗电超过1 500亿kWh ,大型公共建筑5 亿m2 ,年耗电超过900亿kWh。据预测,到2020 年,我国将新增大型公共建筑面积10 亿m2 ,以能耗居中的情况预测,2020 年建筑能耗将达到标准煤413 亿t ,耗电将达12 600亿kWh。中央空调能耗占建筑能耗的40 %左右,加强公共建筑的中央空调节能对贯彻节能减排政策、实现可持续发展具有重要的意义。
中央空调计费是在能量测量、记录基础上,实现费用公平分开的费用计算、分摊系统。正如采暖系统热分户计量可促进节能,集中空调系统冷量计量对于南方地区建筑节能的意义不言而喻。尽管中央空调计费装置本身并不节能,但是,作为一种有效的能量管理工具,中央空调计费能改变使用者的消费行为,一般认为,中央空调能量计费能节能10 %～15 %〔4〕,也有学者认为能节能20 %～30 %。目前,通过能量计量、收费共享节能收益已成为能源成本管理和节能激励的主要措施之一。相对与采暖能耗分户计量工作,中央空调冷量计量、计费工作无疑还有很长的路要走。
1、中央空调计费的主要方法
这些计费方式总体来说分为两种,一种是直接式,测量各空调用户的参数,如冷冻水流量、冷冻水进出口温度或冷风的流量、温差及运行时间等,然后精确计算每户的冷量,按冷量单价计算总费用。另一种是间接式或当量式计费,这类计费方法也需要计量空调系统的某些参数,但并不一定精确计量全部参数,然后按设定的公式计算出所有空调末端的能耗,并按比例进行分摊总能耗的计费方法。
1.1 精确冷量型
这种方式也叫直接计费型,计费原理很简单,就是在空调末端设备的进、出口端安装温度传感器,测量冷冻水的进、出口温度,同时在空调末端设备的出水管上安装流量计进行流量测量,测得瞬时流量,然后通过积分运算得到用户所用的冷量,再根据单位冷量的费用得到用户的总能耗费用。冷量计算公式为
式中 Q ———用户总的冷量,kJ ;
t1 ———空调末端冷冻水进口温度, ℃;
t2 ———空调末端冷冻水出口温度, ℃;
Cw ———冷冻水的比热,J / (kg·℃) ;
Gw ———冷冻水质量流量,kg/ s ;
τ———空调运行时间。
理论上这种计费方式的精确度可以达到98 %,但是,实际中这种计量方法的精度要小得多。特别是在小温差运行模式中,有人发现这种方式最大误差可以达到30 % ,但是冷量计量法还是被看作是最精确的方法。
1.2 冷冻水流量型
冷冻水流量计费法又分为两种。一种方法是只计量中央空调末端设备中冷冻水的进出口温差,假定冷冻水流量不变。由于只要空调末端开启,就开始计费,并且使用定常流量来计算冷量,有人认为这种方式的准确度一般情况下可以达到90 % ,但是当某分支路有用户关闭空调时,误差比较大,会达到50 %之多。
冷冻水流量型的第二种方法与第一种方法刚好相反,只测量通过空调末端设备的流量,而不考虑冷冻水进出口温度是否发生变化。因此,这种计量方法的精度也有问题。
1.3 电费计量型
电费计量型就是通过计量空调末端的用电量,再根据用电量换算为冷量,统计中央空调系统中各用户的总冷量,再根据各用户的冷量比例来分摊费用。由于各用户的能效比( EER) 或性能系数(COP)不一样,即使空调用户的电耗相同,冷量也未必一样,如对于同一型号的风机盘管,高静压和普通型制冷量差不多,而它们的用电量则相差很大。但如果空调用户的类型相同,所采用的风机盘管规格和型号相同,如办公类建筑,此种计费方法作为用户冷量的收费依据也有一定道理。
1.4 时间计量型
这种计量方法是将计费采样器接入空调末端的电动二通阀两端,通过读取空调器的使用时间,然后准确计算各用户使用空调系统的累计时间,同时,采样器还获取用户末端设备风量的相应档位信号,并以此作为依据计算收费。相应于这种简单时间计费型收费方式,还有一种改进型时间计费方式,即根据风机盘管的各档位时间,再换算为计费时间的方式。按时间进行收费的方式比较粗糙,即没有考虑冷冻水流量的变化,也没有考虑冷冻水温度的变化。因为冷量与普通的物理量不同,既有“量”的变化,也有“质”的变化。这种收费方式比较简单,也具有一定的可信度,适合于风机盘管的冷量计量,如负荷变动不是太大的写字楼,在中国应用比较广泛。
1.5 谐波反应型
这种计费方法的主要依据是认为空调负荷的主要组成部分通过墙体和屋顶的得热、通过窗户的得热、室内各种热源的得热是余弦波形变化的。该方法从空调建筑冷负荷计算的基本原理人手,采用谐波反应冷负荷计算法对用户各个用冷时刻的冷负荷进行理论计算,再根据用冷时间得到用户的用冷量,并进行计费。
1.6 舒适度相同型
基于舒适度相同型的计费方式是一种间接计费方法,计费的依据是“所有同样类型、同样温度设定点的用户付同样的费用”。这种计费方式使用设定点温度而不是房间的真实温度来计量收费,每个房间的设定点传到计费器上,对应不同的收费标准。
此外还有风侧冷量计量法、标准工况冷量修正法等其他计费方法。
2、国外空调计费应用
中央空调计费最早在西欧投入应用。早在20世纪70 年代,当时的欧洲经济共同体(欧盟前身) 就建立了中央计费分摊准则〔10〕,基于舒适度的空调计费方式在法国被实行了好多年。到20 世纪80 年代,德国大约有70 %的城市建筑就有了空调计费。其他国家如法国、瑞士、希腊等也在20 世纪80 年代就要求在新安装的中央空调上安装计费装置,立陶宛采用的是直接计费方法〔11〕。
美国的中央空调计费开始于20 世纪70 年代中期,1974 年,能源价格暴涨刺激美国出台了中央空调分户计费措施,并迅速为用户所接受。1993 年,美国出台了中央空调分户计量手册(ASHRAE Guide2line 8 - 1994 , Energy Cost Allocation for Multiple - Oc2cupancy)〔12〕。1998 年,为促进计费产业发展,美国国家分户计量器具与计费协会(NSUAA) 成立。2007年,美国的能量计费产品已能满足各中央空调(供暖) 系统。
美国的能量计费产品复杂的系统大都是精确能量型的计费方法,简单的系统也有采用时间型计费方法的。能量计费产品在技术上最大的变化是把温度信息测量集成到了硬件中,系统可靠性得到了很大的提高。除了这个变化,能量计费产品还提供误差数据,用户可以把计费误差信息反馈给计费公司,计费产品还有防止篡改的功能。美国中央空调计费最主要的特点是既能作热量计量,又能做冷量计量。
3 、国内空调计费应用
我国中央空调计费应用开始于20 世纪90 年代末期。近年来,随着能源价格的猛涨和国家节能减排政策的实施,中央空调冷量计费的推广有加快的趋势。目前,有些地方已出台了空调计费的地方规范(如河南) ,但是国家还没有出台空调计费的规范和技术标准。与中央空调的冷量计费相比,我国的供暖计费起步要早一些,发展快一些。与国外不同的是,国内的空调计费和供暖计费一般是分开的,这是因为南方地区以空调供冷为主,几乎没有集中供暖。根据我们的调查,中央空调冷量计费以采用间接计费或当量计费的工程项目为多,间接计费中以时间型计费居多,也有多种间接计费方式组合计费的项目,也有直接计费与间接计费组合的项目。表1 统计了中央空调几种计费方式的应用情况。
目前,中央空调计费总体还是以面积分摊为主,也有少部分的建筑实施面积分摊与间接计费相结合的方法。对于采用集中空调的办公大楼(如政府大楼) ,基本上都没有采取冷量计量的措施。主要原因是大都认为没有计量的必要,能源使用费用都是由单位统一支付。而对于商业楼宇,尤其是出租(售) 写字楼而言,出现的情况是仅有极少数的大楼采取了冷量计量,绝大部分则没有冷量计量的措施。当然也有极个别的建筑,安装了能源计费系统,能源计费系统能对所有用户水表、电表、燃气表、空调计费装置进行数据采集、集中统计,并自动生成收费单据,但这样的建筑并不多。
4、中央空调计费方式与应用讨论
中央空调计费的目的是从管理上实现节能,总的原则是“谁使用谁付费,用多少交多少”。把冷量作为商品,由用户自觉调节控制使用,公平收费。因此,计费的本质是各用户公平分担建筑冷量的费用,国外一般把空调计费说成cost allocation 而很少说成fee billing 就充分说明了这点。
就计费方式来说,直接计费法方式透明,更容易为用户所接受,但是直接计费法最大的缺点是设备成本高,平均一个计费点造价大约一万多元,而且维护工作量大。直接计费从原理上讲非常精确,但是实际中有可能流量计有动态、静态扰动,以及结垢、老化及磨损现象,加上温度传感器的漂移、保温效果不好,所引起的误差有时能达到惊人的地步。一般认为,直接计费的主要误差在流量计,放入管内的流量计,如转子、电磁流量计在低流量时不敏感。放在管外的流量计,如超声波流量计适于管外检测,但对小流量不适用,而且受管的厚度、材料、表面粗糙度影响。因此,加强测量工业的发展是节能的最根本的手段已成为共识〔18〕。
间接或当量计费方法则刚好与直接计费相反,计费方案和原理的公平性容易受到用户的质疑,用户不容易接受,但维护相对简单,造价非常低廉。以占主流地位的时间型计费方式来说,平均一个计费点造价大约只要几百元。另外,间接计费由于计量的参数是电量、时间等参数,这些参数本身容易精确计量,误差很少,因此,这种计费方式总的误差未必比直接计费要大。
从国外的使用情况来看,直接计费比较适合大空间或按层进行计费,间接计费比较适合小空间的风机盘管计费。而且,在同一栋建筑内部的计费,有直接计费和间接计费混合使用的情况。而且国外的热量计费和冷量计费使用的是同一套系统,这点在国内有明确的反对声音〔19〕。不过国外的计量介质非常干净,不容易磨损和腐蚀计量设备,而且计量精度很高,这点目前国内尚不具备。时间型计量方式中、短期内还会继续发展,但从长远的发展趋势看,由于不能真正反映能量会被逐步淘汰,冷量当量型和混合型计费方式会随着计量技术的进步和生产规模的提高,精度和成本的问题会逐渐被克服而最终成为主流。
从美国等国家中央空调计费推广的过程来看,推广中央空调计费的瓶颈在于不公正的计费方式,那就是来自于冷量计量的有效性,一些独立的节能公司和能量计费公司通过争取政府立法、行业推广,耐心地说服用户进行冷量计量和收费。国内目前也有类似的情况,通过中央空调冷量计费实现节能的空间还很大,主要的障碍还在于说服用户接受计费产品所带来的节能效果和公正的分配方式。国外的空调冷量计费已形成了独立的产业,空调服务公司、能量计费公司数量众多,影响巨大。目前中央空调计费行业处于起步阶段〔20〕,国内的中央空调计费可以借鉴国际的先进经验。国内目前对直接计费、间接计费的应用和方式争论、争议比较多,我们认为,技术上可以争议,但是在应用方面,现阶段应该搁弃争议,共同把空调计费的蛋糕做大,扩大空调计费的市场,特别是政府有关部门应积极介入,出台一些行业规范进行引导。
5、结论
(1) 中央空调计费促进建筑节能,节能效果显着,通过冷量计量计费共享节能收益已成为能源成本管理和节能激励的主要措施之一。
(2) 中央空调冷量计费的方法各有优缺点,在应用中要结合工程的实际情况选择最适合的计费方法,或者使用几种组合计量方法。
(3) 推广中央空调计费的瓶颈在于不公正的计费方式,来自于冷量计量的有效性。同时,推广中央空调收费应尽量减少中央空调计费的成本。
(4) 应大力发展独立的节能服务公司和中央空调服务公司,增加中央空调冷量计量、计费的专业性服务。
(5) 现阶段中央空调的冷量计量计费应搁弃技术上的争议,通过争取政府立法、行业推广等办法,大力推广中央空调的计费计量,从而实现建筑管理上的节能。
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