上海地區(qū)商業(yè)建筑綜合節(jié)能改造技術(shù)應(yīng)用研究

瞿燕

華東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司

0 引言

2012年8月，上海市被列為第二批公共建筑節(jié)能改造重點(diǎn)城市，并于2013年發(fā)布《關(guān)于組織申報(bào)上海市公共建筑節(jié)能改造重點(diǎn)城市示范項(xiàng)目的通知》（滬建交聯(lián)[2013]311號），至今已完成了73個公共建筑節(jié)能改造項(xiàng)目，總計(jì)面積達(dá)400萬m2以上，單位建筑面積能耗下降20%以上，處于全國領(lǐng)先地位。2016年，上海市出臺《上海市建筑節(jié)能和綠色建筑示范項(xiàng)目專項(xiàng)扶持辦法》（滬建建材聯(lián)[2016]432號），仍將既有公共建筑節(jié)能改造作為當(dāng)前建筑節(jié)能工作的重要內(nèi)容之一。

截至到2018年3月31日，接入到上海市國家機(jī)關(guān)辦公建筑和大型公共建筑能耗監(jiān)測中心平臺的公共建筑有1618棟，總建筑面積達(dá)到7552.2萬m2。此外，上海市于2005年前建成的公共建筑約有2億多m2，其中70%以上為辦公、賓館、商業(yè)建筑。近年來，不少研究學(xué)者均對公共建筑的綜合節(jié)能改造進(jìn)行了廣泛而深入的研究和探索[1-4]，為公共建筑的節(jié)能改造積累了不少經(jīng)驗(yàn)。

隨著社會的發(fā)展，商業(yè)建筑由最初的功用型向商業(yè)型轉(zhuǎn)化，其內(nèi)部設(shè)施的功能更加綜合，建筑規(guī)模也朝著大型化和復(fù)合化的方向發(fā)展，其電耗量也呈明顯上升之勢。通過對示范項(xiàng)目用能數(shù)據(jù)的梳理發(fā)現(xiàn)，大型商業(yè)建筑的建筑能耗為辦公建筑能耗的2～4倍。商業(yè)建筑由于其功能復(fù)雜性、節(jié)能潛力巨大性，經(jīng)濟(jì)效益敏感性等方面的影響，也使其成為既有公共建筑的節(jié)能改造的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

本文旨在通過對“十二五”期間上海市完成的商業(yè)綜合節(jié)能改造項(xiàng)目的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行梳理和挖掘，以期更好指導(dǎo)相關(guān)節(jié)能改造工作的開展。這些示范項(xiàng)目數(shù)據(jù)一部分源自（滬建交聯(lián)[2013]311號文）的示范項(xiàng)目，另一方面源自上海市長寧區(qū)完成的公共建筑節(jié)能改造示范項(xiàng)目。在這總計(jì)100個完成綜合節(jié)能改造的示范項(xiàng)目中，商業(yè)建筑總共有15棟，其總建面積達(dá)到69.37萬m2。建造年代主要分布在2006～2010年，占到示范項(xiàng)目商業(yè)建筑總數(shù)的73%。

1 典型商業(yè)建筑用能結(jié)構(gòu)分析

在商業(yè)類建筑中，能源消耗主要形式有電力、天然氣、煤氣、燃油等。電力主要用于空調(diào)、照明、插座等，也包括超市類建筑專門的冷藏冷凍設(shè)備，同時(shí)也是主要的耗能形式。天然氣、煤氣、燃油等其他燃料主要用于供暖、熱水和炊事等。以上海某大型購物中心商業(yè)建筑為例，其建筑面積287124 m2，全年消耗電量48.56×106kWh，消耗燃?xì)?37.74 萬 m3，折算成等效電為 51.25×106kWh，折合單位面積能耗等效電為178.5 kWh/(m2a)，電量消耗占總能耗的95%。

由圖1可以看出，該商業(yè)建筑用電高峰出現(xiàn)在7月和8月，此期間為夏季空調(diào)供冷主要時(shí)期；用氣高峰出現(xiàn)在12月、1月和2月，此期間為冬季空調(diào)供暖的主要時(shí)期。

圖1 某大型購物中心逐月耗電量和耗氣量

2 商業(yè)建筑用能特點(diǎn)分析

與辦公建筑相比，商業(yè)建筑在能耗方面有以下特點(diǎn)：

1）商業(yè)建筑體量較大，人流密度大，照明能耗較高，室內(nèi)發(fā)熱量大，圍護(hù)結(jié)構(gòu)對建筑能耗的影響較小。現(xiàn)有的商業(yè)建筑設(shè)計(jì)，大多難以實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)；若依靠新風(fēng)機(jī)提供大量新風(fēng)，則導(dǎo)致空調(diào)風(fēng)機(jī)電耗巨大。

2）照明電耗較高，這一方面是由于商業(yè)建筑絕大部分是內(nèi)區(qū)需要人工照明，另一方面則是照度普遍偏高，以較高的照度、合適的色溫來展示商品、吸引顧客，照明設(shè)備單位面積功率較高。另外，商業(yè)的照明設(shè)備難以實(shí)現(xiàn)“部分空間、部分時(shí)間”開啟，只要是在營業(yè)時(shí)間，考慮到對銷售業(yè)績的影響，照明基本全部開啟，因此照明設(shè)備開啟時(shí)間長。

3）空調(diào)系統(tǒng)能耗高。這是由于商業(yè)面積大，產(chǎn)生熱量的設(shè)備多；另外由于商業(yè)建筑人員密度大，對比同面積的辦公和酒店，商業(yè)的人員多，對應(yīng)的需要的新風(fēng)量大，且需要處理的人員產(chǎn)生的人體散熱和散濕的冷負(fù)荷就大。

4）商業(yè)建筑運(yùn)行時(shí)間長，一般每天運(yùn)行12個小時(shí)以上，且不分工作日、休息日。

5）動力能耗較高，一是由于商業(yè)建筑的面積大導(dǎo)致需要的設(shè)備數(shù)量多；二是由于商業(yè)建筑的業(yè)態(tài)多導(dǎo)致需要的設(shè)備多。

6）耗能設(shè)備種類多。耗能種類多是由于商業(yè)建筑的多元化導(dǎo)致的。以餐飲業(yè)態(tài)為例，餐飲需要配置常規(guī)的空調(diào)末端、燈光照明，除此之外，餐飲廚房需要為專業(yè)的廚房設(shè)備提供用電，需要提供排油煙設(shè)備及對應(yīng)的補(bǔ)風(fēng)設(shè)備，需要配置隔油處理設(shè)備。超市類商業(yè)建筑還需要冷藏冷凍設(shè)備。

上海市15棟商業(yè)建筑改造前和改造后的單位面積能耗分布如圖2所示。從節(jié)能率來看，商業(yè)建筑改造的節(jié)能率平均值為26.19%。

圖2 改造前后示范項(xiàng)目單位面積能耗統(tǒng)計(jì)

3 商業(yè)建筑節(jié)能改造項(xiàng)目技術(shù)經(jīng)濟(jì)性評價(jià)

商業(yè)建筑節(jié)能改造受到建筑本體特性、用能特點(diǎn)、系統(tǒng)復(fù)雜程度、系統(tǒng)節(jié)能潛力、投資回收期、改造技術(shù)可實(shí)施性、建筑產(chǎn)權(quán)性質(zhì)等多因素的制約，實(shí)際改造項(xiàng)目中，往往簡單直接、見效快、收益良好的節(jié)能改造技術(shù)措施更受青睞。其中，空調(diào)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、冷熱水輸配系統(tǒng)的改造等是當(dāng)示范項(xiàng)目中應(yīng)用頻率最高的技術(shù)類別。本文對商業(yè)建筑示范項(xiàng)目節(jié)能改造技術(shù)的應(yīng)用效果主要從兩個維度來評價(jià)，分別為節(jié)能效果和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。

3.1 商業(yè)建筑節(jié)能改造技術(shù)應(yīng)用頻率排名

圖3是商業(yè)建筑節(jié)能改造技術(shù)使用頻率Top 10排名。從圖3中可以看出，對于商業(yè)建筑，照明能耗占比大，非節(jié)能燈具更換為LED燈具的使用頻率最高，所有商業(yè)類示范項(xiàng)目均采用了此技術(shù)。除此之外，10個超市類商業(yè)建筑均采用冰柜加蓋這種節(jié)能技術(shù)措施來降低冷藏冷凍系統(tǒng)的能耗，超市類商業(yè)建筑還大量采用了冷藏冷凍制冷系統(tǒng)冷凝熱回收技術(shù)。此外，過渡季節(jié)新風(fēng)免費(fèi)供冷作為低成本技術(shù)也在商業(yè)建筑中得到了廣泛使用，可以降低空調(diào)制冷系統(tǒng)能耗。風(fēng)機(jī)增加變頻裝置使用頻率高，也可以有效降低空調(diào)風(fēng)機(jī)能耗。

3.2 商業(yè)建筑節(jié)能改造技術(shù)節(jié)能率排名

圖4是商業(yè)建筑節(jié)能改造技術(shù)節(jié)能率Top10排名。從下圖中可以看出，對于商業(yè)建筑，大部分時(shí)間處于部分負(fù)荷工況下運(yùn)行，螺桿式冷水機(jī)組有著上佳的性能表現(xiàn)，節(jié)能率達(dá)到了19.2%。緊隨其后的是LED燈具、離心式冷水機(jī)組變頻和空氣源熱泵機(jī)組。值得注意的是，冰柜加蓋和過渡季節(jié)新風(fēng)免費(fèi)供冷這類低成本技術(shù)也進(jìn)入了商業(yè)建筑節(jié)能率前10的排名。

3.3 商業(yè)建筑投資回收期

在這100個既有公共建筑節(jié)能改造示范項(xiàng)目中，節(jié)能改造總投資為5.7438億元，財(cái)務(wù)凈現(xiàn)值（FNPV）為8.2333億元，投資增益倍率達(dá)1.43倍。示范項(xiàng)目節(jié)能改造總投資成本統(tǒng)計(jì)最大值為3478.63萬元，最小值為61.84萬元，平均值為571.39萬元，單位面積投資成本為107元/m2。根據(jù)對商業(yè)建筑節(jié)能改造總投資統(tǒng)計(jì)，最大值為778.35萬元，最小值為128.87萬元，平均值為282.5萬元。

不同類型建筑投資回收期比較如圖5所示，示范項(xiàng)目平均靜態(tài)回收期為2.69年，平均動態(tài)回收期為3.15年，平均財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率（FIRR）為21.48%,平均經(jīng)濟(jì)內(nèi)部收益率（EIRR）為22.2。商業(yè)建筑靜態(tài)回收期和動態(tài)回收期最低，說明其節(jié)能潛力大，經(jīng)濟(jì)效益最好。

3.4 商業(yè)建筑節(jié)萬度等效電投資

商業(yè)、辦公、賓館節(jié)萬度等效電投資額如下圖所示，商業(yè)節(jié)萬度等效電投資僅為1.9萬元/萬kWh，這也反應(yīng)了商業(yè)建筑的節(jié)能效果較好，技術(shù)的投資回收效益更好。

圖6 不同類型建筑節(jié)萬度等效電投資額對比

3.5 商業(yè)建筑節(jié)萬度等效電投資額技術(shù)排名

商業(yè)建筑節(jié)萬度等效電投資額技術(shù)排名如圖7所示。相比于賓館建筑和辦公建筑，商業(yè)建筑各項(xiàng)節(jié)能措施節(jié)省1萬kWh等效電的投入成本較低。離心式冷水機(jī)組變頻、變頻水泵、太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)以及冰柜加蓋這四項(xiàng)技術(shù)節(jié)省1萬kWh等效電的投入成本均小于1萬元，性價(jià)比較好。

圖7 商業(yè)建筑節(jié)萬度等效電投資額技術(shù)排名

4 減排成本曲線

國際早期編制成本曲線的研究咨詢機(jī)構(gòu)有美國的勞倫斯實(shí)驗(yàn)室和德國GOPA咨詢公司。2007年麥肯錫公司發(fā)布了全球溫室氣體減排成本曲線。麥肯錫公司在全球10個領(lǐng)軍企業(yè)和組織的支持下，開發(fā)出一個全球溫室氣體減排數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫包括了至2030年的時(shí)間范圍內(nèi)，對10個經(jīng)濟(jì)部門和全世界21個地區(qū)的200多種溫室氣體減排機(jī)會的潛力和成本的深入評估。麥肯錫公司繪制全球溫室氣體減排成本曲線，為各國減排決策者提供各種可能的減排方法的重要意義和成本。

根據(jù)100個示范項(xiàng)目的公共建筑節(jié)能改造資料，通過整理、識別，建立了上海市公共建筑節(jié)能改造項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫，開發(fā)了上海市公共建筑減排成本曲線（以下簡稱建筑減排成本曲線），如圖8所示。

圖8 上海市公共建筑減排成本曲線

在減排成本曲線中，X軸表示操作年減排能力（或潛力），Y軸方表示單位減排CO2的成本。在成本曲線中最重要的要素是柱狀框，每個柱狀框表示一項(xiàng)技術(shù)措施（對應(yīng)某種技術(shù)或產(chǎn)品）。柱狀框橫向（X軸方向）寬度表示技術(shù)措施的年減排量大小，柱狀框縱向（Y軸方向）高度表示技術(shù)措施的單位減排成本高低。減排量計(jì)量單位可用噸二氧化碳/年或噸二氧化碳當(dāng)量/年（在有其他溫室氣體排放的情況下），單位減排成本計(jì)量單位可用元／噸二氧化碳或元／噸二氧化碳當(dāng)量。所有柱狀框按單位減排成本從低到高，從左到右排列。一般情況下，柱狀框的頂端（非X軸上的一端）會形成一橫向S的形狀。這就是用“曲線”命名的原因。通過成本曲線，還可獲得以下重要信息：

1）本區(qū)域內(nèi)適用的減排技術(shù)，以及每一項(xiàng)技術(shù)所具有的減排潛力大小，其單位減排成本的從低到高排序，哪些技術(shù)可依賴市場的推動，哪些技術(shù)應(yīng)由政府給予額外的關(guān)注。

2）最大化的減排潛力（技術(shù)潛力），這將是減排目標(biāo)的極限，根據(jù)區(qū)域節(jié)能或減排潛力曲線進(jìn)行不同低碳情景假設(shè)分析，用于分析不同模式下節(jié)能低碳目標(biāo)。

3）核實(shí)通過自上而下制定的減排目標(biāo)的實(shí)施可能性。一般根據(jù)減排目標(biāo)可計(jì)算出其中通過技術(shù)進(jìn)步取得的減排量，若該減排量位于單位減排成本零點(diǎn)的左方，那該目標(biāo)基本可通過市場機(jī)制就可能實(shí)現(xiàn)。若要右方，表明該目標(biāo)需政府有額外的推動，才能得以實(shí)現(xiàn)。

4）項(xiàng)目的實(shí)施難度給出了實(shí)施時(shí)更多的決策信息。有些節(jié)能減排技術(shù)有一些重要的但效益無法量化的附帶功能，但從成本決策會造成一些偏差。實(shí)施難度會為科學(xué)決策提供的重要信息，可進(jìn)行節(jié)能措施實(shí)施決策分析。因此要特別關(guān)注曲線X軸上方實(shí)施難度不大的技術(shù)。

5）對應(yīng)曲線有相應(yīng)的一個綜合數(shù)據(jù)庫，涉及大量信息，涉及與各項(xiàng)技術(shù)有關(guān)的投資成本、運(yùn)行成本、壽命、節(jié)能率以及能效變化等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過對該綜合數(shù)據(jù)庫的深度分析，可得到更多有價(jià)值的信息。

圖9為上海市節(jié)能改造示范項(xiàng)目的商業(yè)建筑減排成本曲線。

圖9 上海市公共建筑（商業(yè)）減排成本曲線

5 結(jié)論

從整體上講，商業(yè)建筑的節(jié)能改造具有良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，投資回報(bào)最佳，市場選擇也證實(shí)了這點(diǎn)。大型商業(yè)建筑單位建筑面積能耗大，約有20%～30%的節(jié)能空間。同時(shí)，由于商業(yè)建筑影響能耗因素多，用能系統(tǒng)復(fù)雜，使得大型商業(yè)建筑的節(jié)能改造成為一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。基于成本的考慮，大型商業(yè)建筑偏向于采用低成本節(jié)能技術(shù)進(jìn)行改造，從節(jié)能投資與收益、環(huán)境效益方面比較得出。LED燈具、超市類商業(yè)建筑的冰柜加蓋和冷藏冷凍制冷系統(tǒng)冷凝熱回收技術(shù)、過渡季節(jié)新風(fēng)免費(fèi)供冷和風(fēng)機(jī)水泵增加變頻裝置等措施在示范項(xiàng)目中得到了廣泛應(yīng)用，具有一定的優(yōu)勢。