多能互補技術在工業化辦公建筑中應用的經濟性分析

黃凱霖 謝 玲 王 曦 盧 軍

（重慶大學 重慶 400044）

0 引言

辦公建筑是高耗能建筑。國家發改委能源研究所、住建部數據顯示，國家機關辦公建筑和大型公共建筑年耗電量約占全國城鎮總耗電量的22%，每平方米年耗電量是普通民居的10～20倍[1]。隨著我國經濟和城鎮化的發展，辦公建筑的能耗必定還會進一步增加。進入新世紀以來，能源短缺帶給人類社會可持續發展的壓力越來越大，節約能源并開發可替代化石能源的新能源成為擺在人類面前亟待解決的重大挑戰。隨著化石能源燃燒給環境帶來的壓力越來越大，以及能源供求矛盾的日趨嚴峻，新能源的開發利用已成為備受矚目的研究熱點。但新能源一般具有不穩定、不利于系統平衡的缺點，因此，尋求將多種能源綜合互補、高效利用的有效途徑與方法，逐步成為能源領域可持續發展的研究方向之一。

建筑工業化是以構件預制化生產、裝配式施工為生產方式，以設計標準化、構件部品化、施工機械化、管理信息化為特征，能夠整合設計、生產、施工等整個產業鏈，實現建筑產品節能、環保、全生命周期價值最大化的可持續發展的新型建筑生產方式，是建筑業從分散、落后的手工業生產方式逐步過渡到以現代技術為基礎的大工業生產方式的全過程，是建筑業生產方式的變革。建筑工業化可以提高建設效率、提升建筑品質、低碳節能，符合可持續發展，是未來建筑產業的轉型方向。

本文基于DeST構造的成都地區建筑模型，對單一能源系統和多能互補系統在建筑中的技術經濟性和節能環保性進行比照，分析多能互補系統在工業化辦公建筑中應用的性能表現，對實際工程應用具有參考價值和指導意義。

1 多能互補技術概述

1.1 多能互補概念

多能互補是一種能源政策，即按照不同資源條件和用能對象，采取多種能源互相補充，以緩解能源供需矛盾，合理保護自然資源，促進生態環境良性循環。

多能互補系統在發揮各種能源優勢的同時，彌補了單一能源系統的缺陷，有利于用能對象根據既有條件因地制宜的開發利用可再生的環境友好型分布式能源，減少化石能源的消耗，實現大幅度節能減排的目標，緩解化石能源消耗帶來的環境問題。

1.2 我國多能互補的研究和發展

中國從80年代初開始制訂的能源政策，要求逐步改變單一以煤為主的能源格局，盡可能開發利用其他能源資源，包括煤、石油、天然氣和核能的合理利用，特別是要不斷提高新能源和可再生能源的比重。為實現綠色可持續發展，政府以及學者正在積極的探索新的能源利用方式。目前我國對于多種可再生能源聯合互補利用的研究尚處于起步研究階段[2]。

張亨洋建立了基于200MW火電廠發電機組和槽式熱發電系統的光煤互補發電系統的數學模型并對該系統集熱場的集成模式進行了優化分析，對推廣光煤互補發電系統有很好的指導意義[3]。齊學義等人提出了一種適合西部地區的可再生能源與化石能源組合的分布式能源多能互補系統方案[4]。韓巍提出了天然氣和煤綜合互補利用的新方法，實現了天然氣和煤的高效清潔利用。李洪強提出了天然氣與生物質互補的甲醇動力串聯型多聯產系統，不但實現了天然氣和生物質的碳氫組分互補，還實現了合成氣化學能的梯級利用[5]。張世平等人通過對我國能源儲備供能系統的安全與分布式能量系統發展的分析，提出基于生物質能和天然氣互補的分布式能量系統[6]。高丹丹等人通過對風能水能，太陽能和生物質能的發電原理簡述，探討了目前國內風水互補、風光互補、光生互補以及風光生等多種能源聯合互補發電系統的設計研究成果，明確了我國對于多種可再生能源聯合互補發電的研究尚處于起步研究階段，并對其發展的前景持有積極的態度[7]。連小龍通過對多種可再生能源互補的聯合循環系統研究，構建了一套多種可再生能源互補的聯合循環系統，并對系統的熱力學性能進行了模擬分析，對于滿足人們用能需求緩解能源供需矛盾有著重要意義[8]。高海濤構建了風能-太陽能-沼氣集成系統，研究了冬季工況和春季工況下系統的總體性能，并對其經濟效益進行了評價[9]。孟祥德等人提出了一種多種形式可再生能源集成互補利用的供暖供冷系統，該系統利用了太陽能、生物質能、地熱能，將三種形式可再生能源集成互補利用，克服了單一形式可再生能源系統具有的不穩定性缺點，提高了系統的穩定性[10]。陳新等人針對西藏阿里地區獨特的自然地理條件，提出了集合傳統水能與風光的各自優勢的一種新的多能互補開發方式[11]。

2 基于成都某辦公樓的技術經濟分析

2.1 模型建立

采用DeST軟件，根據建筑模型的平面圖建立模型，并設置相應參數[12]。

2.1.1 模型介紹

本文研究模型選用成都地區某綜合建筑群中的一棟典型辦公建筑，建筑總建筑面積15330m2，其中空調面積13328.75m2，建筑總高度39.9m。地上共9層，層高4.2m（其中一層大廳層高5.4m），地下1層主要作為停車庫、設備用房并連接其他建筑群。建筑主要朝向為南向。該辦公建筑模型的房間功能主要有大廳、普通辦公室、會議室、資料室、接待室、高檔辦公室、衛生間等幾種。其中，2層為主要會議室，3層為資料室和閱覽室，4-6層為辦公（含會議），7-9層為預留發展用房，如圖1所示。

圖1 某辦公建筑模型三維視圖Fig.1 3D view of an office building model

表1 圍護結構構造、厚度和傳熱系數Table 1 Structure,thickness and heat transfer coefficient of enclosure structure

表2 不同朝向窗墻面積比Table 2 The ratio of the area of the window to the wall with different orientations

北0.44

2.1.2 內部設計參數

依據《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》（GB50736-2012）和《公共建筑節能設計標準》（GB50189-2015），確定各類型建筑空調室內設計參數，如表3所示。

表3 各類房間室內設計參數Table 3 Interior design parameters of all types of rooms

辦公建筑作息時間和熱擾參數設置參考《公共建筑節能設計標準》GB50189-2015中附錄B中給出的空調運行時間表和人員、照明、設備參數等。

普通辦公室空調開啟時間按7∶00～20∶00設置，照明密度11W/m2，人員占有率10m2/人，新風量按每人30m3/h，電器設備功率密度20W/m2。普通辦公室應適當考慮加班情況。

表4 普通辦公室作息時間表Table 4 Schedule of general office

高檔辦公室與普通辦公室的主要區別在于人員工作時間，以及人員密度、照明設備等密度。高檔辦公室不考慮加班情況，周末不考慮上班情況。高檔辦公室空調開啟時間按7∶00～18∶00設置，新風按每人45m3/h標準計算。

表5 高檔辦公室作息時間表Table 5 Schedule of top office hours

2.1.3 建筑總冷熱負荷分析

通過系統全年8760小時逐時負荷計算，可以得到成都地區夏季（6月～9月）逐時冷負荷，如圖2所示。其中高溫天氣主要集中在7、8月份，6、9月冷負荷均小于1300kW。最大冷負荷為1763.65kW（冷負荷指標132.32W/m2），出現在7月23日，星期一。根據四川地區辦公建筑使用行為調研，將能耗模擬時的供冷季設為6月15日至9月15日，總計93天。

圖2 夏季逐時冷負荷Fig.2 Hourly cooling load in summer

同時可以計算得到成都地區冬季（11月～次年3月）逐時熱負荷。通過觀察冬季及部分過渡季節逐時負荷發現，3月、11月熱負荷基本在600kW以下，冬季最大熱負荷出現在1月8日（星期一），為1188kW（熱負荷指標為89.15W/m2）。根據四川地區辦公建筑使用行為調研，將能耗模擬時的供熱季設為11月15日至次年2月28日，總計106天。

圖3 冬季逐時熱負荷Fig.3 Hourly heating load in winter

通過對冬夏季最大逐時負荷的模擬可以看出，最大負荷時刻都出現在星期一，符合辦公建筑的使用特點。建筑外圍護結構的蓄熱作用使得工作日的第一天需要更多的冷（熱）量來去除周末受室外氣溫的影響。

2.2 經濟性分析

2.2.1 傳統單一能源系統

（1）設備選型

成都地區的主要能源是電能，因此，選用電能作為傳統單一能源系統的唯一能源。選用電能驅動主機，設備型號及參數如表6所示。

表6 單一能源系統設備選型表Table 6 Equipment selection of single energy system

續表6 單一能源系統設備選型表

（2）初投資

表7 單一能源系統初投資分析表Table 7 Analysis of initial investment in a single energy system

固定費包括設備折舊費、占有空間費、利息和稅金等。現不計設備殘值及稅金，將初投資P折成等額年金，即為固定費A：

式中：i為年利率，取10%；n為折舊年限，取20年。

按式（1）計算可得：固定費A=17.17萬元。

（3）運行費用

運行費包括能耗費（即水費、電費、燃料費）、維修費、人工費等。民用建筑空調系統滿負荷運行時間很短，大部分時間處于部分負荷狀態，據統計，一般建筑空調負荷分別如下：空調負荷率75%-100%占運行時間的10%，空調負荷率50%-75%占運行時間的50%，空調負荷率25%-50%占運行時間的30%，空調負荷率＜25%占運行時間的10%。因此，在計算能耗時，須考慮建筑的負荷分布規律和設備的部分負荷特性及調節方式，年能耗E為：

式中：ej為設備j的小時額定能耗；τj為設備j的年運行時間；ζj為設備j的平均負荷率。

運行費用按式（2）計算，如表8所示。

表8 單一能源系統運行費用分析表Table 8 Operating cost analysis of single energy system

（4）年經營費

年經營費為固定費與運行費之和。年經營費越低的方案，越經濟。經分析可得，傳統單一能源方案的年經營費用為：固定費17.17萬元+年運行費283.36萬元=300.53萬元。

（5）一次能源消費和碳排放

按照電能 1MWh=122/（0.9×0.39）=349kg 標準煤（式中0.9為輸配電效率，0.39為電廠熱效率），1kg標準煤燃燒產生2.79kgCO2的換算關系計算，傳統單一能源系統的標準煤耗量為3126.18MWh×349kg標準煤=1091.04t標準煤/a，折算二氧化碳排放量為 632.55MWh×349kg 標準煤×2.79kgCO2=3044.0tCO2/a。

2.2.2 多能互補系統：太陽能+河水源熱泵

（1）設備選型

成都地區河流眾多，適合河水源熱泵系統的推廣使用。同時，成都地區也具有一定的太陽能資源，雖然不穩定，但通過多能互補系統可以通過太陽能發電技術開發利用。因此，該多能互補方案采用河水源熱泵系統，通過太陽能電池板發電為該辦公樓供應電能，不足部分由市電提供。

根據空調負荷選擇匹配的主機，如表9所示。對于河水源熱泵系統，負荷側冷凍水的供回水溫度為：7℃/12℃，按照Q=cMΔt經計算可得水環路的流量為234m3/h。

表9 河水源熱泵系統設備選型表Table 9 Equipment selection of river water source heat pump system

（2）初投資

河水源熱泵系統初投資如表10所示。

表10 河水源熱泵系統初投資價格表Table 10 Initial investment price list of river water source heat pump system

按式（1）計算可得：固定費A=16.42萬元。

（3）運行費用

運行費用按式（2）計算，如表11所示。

表11 多能互補系統運行費用分析Table 11 Analysis of operating cost of multi energy complementary system

（4）光伏發電經濟性分析

目前，光伏發電晶硅電池組件的市場價大約為0.703美元/瓦，推算到光伏發電的成套設備的市場價大約為1.4-1.5美元/W，折合成人民幣不到10元/W，即10000元/kW。按照國家目前的政策，光伏發電上網按脫硫電價0.43元/kWh，并加上額外的補貼0.45元/kWh，即總價為0.88元/kWh。研究表明，光伏發電設備的效力每年平均降低不多于1%，因而可不考慮效率的降低。設備壽命按照普遍認可的壽命為25年計算。

假設該辦公樓的光伏發電設備裝機容量為n（kW），則初投資約為n萬元，由式（1）計算可得，A'=0.11n萬元；n（kW）的發電機組每年發電時間按t小時計算，則發電量為nt（kWh）。每度電的電價按照0.88元計算，則每年節約電費0.88nt元。

（5）年經營費

年經營費為固定費與運行費之和。經分析可得，多能互補系統的年經營費用為：熱泵系統固定費16.42萬元+熱泵系統年運行費129.05萬元=144.47萬元，即多能互補系統年經營費用為：144.47萬元。

（6）一次能源消費和碳排放

多能互補系統的標準煤耗量為1411.62MWh×349kg標準煤=492.66t標準煤/a，折算二氧化碳排放量為 1411.62MWh×349kg標準煤×2.79kgCO2=1374.51tCO2/a。

2.3 結論

將上述分析過程整理如表12所示。

表12 單一能源系統和多能互補系統比較結果Table 12 Comparison results of single energy system and multi energy complementary system

易得：多能互補系統在經濟、節能、減排等方面都優于傳統的單一能源系統，因此，太陽能+河水源熱泵的多能互補方式在成都地區應用具有優勢，能夠發揮很好的經濟優勢和環境效益。

3 結語

在節能減排趨勢不斷向前發展的時代背景下，多能互補系統因具有的技術經濟性、低耗節能性、低碳環保性等特性，可以在滿足人們辦公需求的情況下因地制宜地開發利用建筑周邊新能源資源，降低辦公建筑這類高耗能公共建筑的能耗，對經濟社會健康可持續發展產生積極的影響。

在建筑工業化背景下，多能互補系統未來將與之相結合，相應的設備系統將呈現整體化、集成化的發展趨勢。多能互補技術與建筑工業化結合，需要研發者制定相關技術標準，來實現多能互補系統的更多兼容，促進多能互補系統在工業化建筑中的應用。