辦公樓宇型綜合能源技術(shù)應(yīng)用設(shè)計(jì)

袁文偉

摘? 要：綜合能源是多能源網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)深度融合的產(chǎn)物。該文以我國(guó)日益受關(guān)注的辦公樓宇能耗問(wèn)題為背景，對(duì)綜合能源常用技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行了介紹，針對(duì)一辦公樓宇建筑開(kāi)展能源需求分析和綜合能源技術(shù)應(yīng)用設(shè)計(jì)，通過(guò)天然氣發(fā)電、光伏和儲(chǔ)能的互補(bǔ)利用，提高了辦公樓宇的能源綜合利用效率。

關(guān)鍵詞：樓宇;綜合能源;天然氣分布式能源

中圖分類(lèi)號(hào)：TK411? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

根據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)辦公樓宇年電力消耗總量占全國(guó)總消耗量的10%，能源費(fèi)用超過(guò)800億元，主要包括政府機(jī)關(guān)、企事業(yè)單位、商業(yè)寫(xiě)字樓等辦公樓宇。大部分辦公樓宇的全年用電量在100 kW·h以上，其中空調(diào)用電占45%～50%、用戶(hù)室內(nèi)用電占35%～40%，其他公用用電占10%～20%。

為了降低辦公樓宇的能源消耗，提高了能源綜合利用效率，一般可以通過(guò)節(jié)能技術(shù)改造或綜合能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。其中，節(jié)能技術(shù)改造是指對(duì)使用中的樓宇更換高能效設(shè)備，一般包括LED燈、電磁廚房、空調(diào)主機(jī)及其水系統(tǒng)等設(shè)施。但是節(jié)能技術(shù)改造往往受場(chǎng)地條件限制、樓宇業(yè)主期望效益偏高等因素的影響。

因此，如果能在辦公樓宇的規(guī)劃階段，根據(jù)樓宇的建筑結(jié)構(gòu)、辦公場(chǎng)地和辦公人員等因素分析冷、熱、電等能源需求，設(shè)計(jì)一套適應(yīng)場(chǎng)地條件、經(jīng)濟(jì)效益高的綜合能源系統(tǒng)，可以大大提高辦公樓宇的能源綜合利用效率。

1 綜合能源

綜合能源系統(tǒng)以電力系統(tǒng)為核心，集成電、氣、熱、冷等多種能源形式[1]，結(jié)合風(fēng)力、光伏等可再生能源以及蓄能、儲(chǔ)能、電能替代等技術(shù)，利用冷熱電三聯(lián)供、鍋爐、熱泵、冰（水）蓄冷空調(diào)等設(shè)備耦合轉(zhuǎn)化，通過(guò)智慧能源管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多能源的互補(bǔ)互濟(jì)與協(xié)調(diào)優(yōu)化，可滿(mǎn)足終端客戶(hù)多元化的能源生產(chǎn)與能源消費(fèi)。

2 綜合能源常用技術(shù)

綜合能源常用技術(shù)主要包括天然氣分布式能源、分布式光伏、蓄冷和電儲(chǔ)能等。各類(lèi)技術(shù)有不同的特點(diǎn)和適用對(duì)象，一般應(yīng)該根據(jù)終端用戶(hù)的冷、熱、電等能源需求，因地制宜地將不同的綜合能源技術(shù)進(jìn)行組合應(yīng)用，才能提高整體能效水平。

3 辦公樓宇型綜合能源設(shè)計(jì)

城市辦公樓宇、商業(yè)綜合體、公共建筑等終端用戶(hù)的能源負(fù)荷集中，對(duì)電熱冷等不同形式的能源均有需求[2]。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)高速發(fā)展，各行業(yè)產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)帶來(lái)新的變革，社會(huì)對(duì)企業(yè)提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)的需求不斷提高，進(jìn)一步促進(jìn)了專(zhuān)業(yè)化辦公寫(xiě)字樓的不斷出現(xiàn)。

辦公寫(xiě)字樓使得企業(yè)辦公集中化、高效化，與此同時(shí)，樓宇的高耗能情況也日益受到關(guān)注。因此，針對(duì)辦公樓宇設(shè)計(jì)一套高效的綜合能源系統(tǒng)，降低辦公能耗成本并提高能源利用效率顯得十分必要。

3.1 樓宇概況

2018年，東莞松山湖科技產(chǎn)業(yè)園區(qū)規(guī)劃新建一辦公樓宇建筑，主要用于某企事業(yè)單位日常辦公。該辦公樓用地面積7 000 m2，建筑面積5 006 m2，規(guī)劃6層建筑并設(shè)計(jì)21間辦公室供約100人辦公使用。

3.2 能源需求分析

辦公樓宇設(shè)計(jì)應(yīng)用何種綜合能源技術(shù)，一般應(yīng)先分析其冷熱電負(fù)荷的需求占比，根據(jù)占比大的負(fù)荷確定能源供給的關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備選型，再利用其他技術(shù)實(shí)現(xiàn)能源均衡的輔助調(diào)節(jié)，最大程度地提高整體能效水平。

根據(jù)該樓宇所在地理位置，廣東東莞地區(qū)日平均氣溫≤5℃的天數(shù)為0天，可不設(shè)采暖，因此樓宇的主要負(fù)荷以冷負(fù)荷（即空調(diào)負(fù)荷）為主。根據(jù)該辦公樓宇建筑規(guī)劃，其冷負(fù)荷估算如下。

樓宇的空調(diào)供應(yīng)面積為3 415 m2，冷負(fù)荷共523.17 kW，同時(shí)使用系數(shù)一般按0.7計(jì)算，則實(shí)際冷負(fù)荷需求約為366.22 kW。按常規(guī)多聯(lián)機(jī)組中央空調(diào)COP取3.0計(jì)算，則空調(diào)負(fù)荷的電力需求約為122.07 kW（366.22 kW/3=122.07 kW）。

參照同類(lèi)建筑耗能狀況，選取電負(fù)荷設(shè)計(jì)指標(biāo)為90W/ m2，則該辦公樓樓宇的總體電負(fù)荷約為450.54 kW（5006 m2×90W/ m2=450.54kW），則可計(jì)算得出除空調(diào)負(fù)荷外的其他電負(fù)荷需求約為328.47 kW（450.54kW～122.07kW=328.47kW）。

3.3 技術(shù)選型

為了有效提高能源利用效率，辦公樓宇的綜合能源技術(shù)應(yīng)優(yōu)先以天然氣分布式能源為基礎(chǔ)，耦合分布式光伏和電儲(chǔ)能系統(tǒng)，建設(shè)先進(jìn)的微網(wǎng)能源管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多能協(xié)同供應(yīng)和能源綜合梯級(jí)利用。

3.3.1 天然氣分布式能源

由于該辦公樓宇的冷電需求比接近1∶1（366.22 kW∶328.47 kW），因此天然氣分布式能源的主機(jī)選型原則為“以冷定電”，且應(yīng)按冷負(fù)荷不大于122.07 kW進(jìn)行機(jī)組設(shè)備選型。

天然氣分布式能源可選的機(jī)組一般有燃?xì)廨啓C(jī)、燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)和微燃機(jī)。對(duì)于約100人的小規(guī)模辦公樓宇，可以選擇單機(jī)容量較小、投資和運(yùn)維成本低的微燃機(jī)為發(fā)電機(jī)組，通過(guò)煙氣型溴化鋰機(jī)組和螺桿電制冷機(jī)組作為冷負(fù)荷源，并疊加一套全熱回收型空氣源熱泵作為輔助設(shè)備，系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)原則有4個(gè) 。1）主機(jī)采用燃?xì)馕⑷及l(fā)電機(jī)，余熱設(shè)備采用煙氣型吸收式溴化鋰機(jī)組。2）微燃機(jī)與煙氣型溴化鋰機(jī)組一一對(duì)應(yīng)，設(shè)置旁路煙道與溴化鋰煙道混合排放，提高能源的有效利用率。3）通過(guò)余熱利用系統(tǒng)及調(diào)峰設(shè)備滿(mǎn)足所有冷熱負(fù)荷需求，其中以余熱利用系統(tǒng)供能保證基本冷熱負(fù)荷供應(yīng)。4）螺桿式冷水機(jī)組以及全熱回收型空氣源熱泵為冷負(fù)荷調(diào)峰設(shè)備，全熱回收型空氣源熱泵為熱負(fù)荷調(diào)峰設(shè)備（主要滿(mǎn)足生活熱水）。

3.3.2 分布式光伏和電儲(chǔ)能系統(tǒng)

樓宇的屋頂面積共786 m2，可用于建設(shè)光伏系統(tǒng)的可用地面積約300 m2。按照單個(gè)光伏組件290 W的標(biāo)準(zhǔn)功率計(jì)算，每10塊組件為一個(gè)方陣單元，光伏系統(tǒng)組件數(shù)量為80塊，故可設(shè)計(jì)總?cè)萘繛?3.2 kW的分布式光伏系統(tǒng)，同時(shí)可降低屋頂環(huán)境溫度，減少室內(nèi)空調(diào)的用電負(fù)荷。

另外，增加一套容量為200 kWh的電儲(chǔ)能系統(tǒng)與分布式光伏組網(wǎng)運(yùn)行（圖1），按照以下運(yùn)行方式實(shí)現(xiàn)能源利用的最大化。1）光伏系統(tǒng)在白天發(fā)電充足時(shí)，發(fā)的電優(yōu)先通過(guò)辦公樓宇的用電負(fù)載實(shí)現(xiàn)本地消納，多余的電能通過(guò)交直流變換器存儲(chǔ)在電儲(chǔ)能電池中。2）光伏系統(tǒng)在夜晚或陰雨天發(fā)電量小于用電時(shí)，儲(chǔ)能電池中儲(chǔ)存的能量將通過(guò)交直流變換器釋放出來(lái)，供辦公負(fù)載使用，減少樓宇的市電使用。

3.3.3 微網(wǎng)能源管理系統(tǒng)

微網(wǎng)能源管理系統(tǒng)，可以對(duì)樓宇的發(fā)電設(shè)備（燃?xì)獍l(fā)電機(jī)、分布式光伏）、儲(chǔ)能設(shè)備、負(fù)荷設(shè)備（溴化鋰機(jī)組、電空調(diào)、空氣源熱泵、電動(dòng)車(chē)充電樁等）進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控和能效分析，系統(tǒng)架構(gòu)及總體功能如下。1）系統(tǒng)采用開(kāi)放式、分層全分布系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，通過(guò)站控層、通信層、間隔層實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分布管理。2）構(gòu)建各類(lèi)能耗模型（包括整體能耗、區(qū)域能耗、重點(diǎn)設(shè)備能耗）展示，輔助制定能效管理策略，優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行控制，降低系統(tǒng)能耗。3）具備包括報(bào)表管理、運(yùn)行計(jì)劃管理、用戶(hù)管理等模塊的系統(tǒng)運(yùn)維管理功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)報(bào)表分析處理、自動(dòng)調(diào)節(jié)冷源運(yùn)行模式、用戶(hù)多級(jí)權(quán)限控制。4）可以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)燈光高效照明、自動(dòng)遮光窗簾、通風(fēng)及空調(diào)自動(dòng)控制、智能會(huì)議場(chǎng)景的樓宇智能管理。

4 結(jié)論

針對(duì)日益發(fā)展的辦公樓宇能耗問(wèn)題，該文對(duì)一辦公樓宇的冷、熱、電負(fù)荷進(jìn)行了深入分析，重點(diǎn)根據(jù)建筑的空調(diào)供應(yīng)面積進(jìn)行主要負(fù)荷估算，綜合天然氣分布式能源、分布式光伏、電儲(chǔ)能等主要技術(shù)進(jìn)行綜合能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)，得到結(jié)論有3點(diǎn)。1）南方地區(qū)辦公樓宇冷電負(fù)荷需求接近，采用天然氣分布式能源的主機(jī)選型原則為“以冷定電”，可以通過(guò)溴化鋰機(jī)組和空氣源熱泵實(shí)現(xiàn)冷熱負(fù)荷調(diào)節(jié)，提高能源利用率。2）分布式光伏與電儲(chǔ)能系統(tǒng)可相互協(xié)同配合，實(shí)現(xiàn)可再生能源優(yōu)先本地消納和富余存儲(chǔ)再利用，降低終端用戶(hù)的用電成本。3）各類(lèi)綜合能源技術(shù)設(shè)備的應(yīng)用，形成了一個(gè)小型微電網(wǎng)。通過(guò)能源管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各種能源設(shè)備的運(yùn)行監(jiān)控與輔助分析，可協(xié)調(diào)優(yōu)化整體系統(tǒng)的運(yùn)行控制，提高樓宇能效水平。

參考文獻(xiàn)

[1]張宇帆，艾芊，郝然，等.基于機(jī)會(huì)約束規(guī)劃的樓宇綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度[J].電網(wǎng)技術(shù)，2019（1）：108-116.

[2]唐揚(yáng)，楊霞.大型樓宇可再生能源綜合利用技術(shù)[J].建設(shè)科技，2010（10）：104-106.