辦公樓宇型綜合能源技術應用設計

袁文偉

摘? 要：綜合能源是多能源網與互聯網深度融合的產物。該文以我國日益受關注的辦公樓宇能耗問題為背景，對綜合能源常用技術特點進行了介紹，針對一辦公樓宇建筑開展能源需求分析和綜合能源技術應用設計，通過天然氣發電、光伏和儲能的互補利用，提高了辦公樓宇的能源綜合利用效率。

關鍵詞：樓宇;綜合能源;天然氣分布式能源

中圖分類號：TK411? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 引言

根據不完全統計，我國辦公樓宇年電力消耗總量占全國總消耗量的10%，能源費用超過800億元，主要包括政府機關、企事業單位、商業寫字樓等辦公樓宇。大部分辦公樓宇的全年用電量在100 kW·h以上，其中空調用電占45%～50%、用戶室內用電占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，一般可以通過節能技術改造或綜合能源系統設計實現。其中，節能技術改造是指對使用中的樓宇更換高能效設備，一般包括LED燈、電磁廚房、空調主機及其水系統等設施。但是節能技術改造往往受場地條件限制、樓宇業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劃階段，根據樓宇的建筑結構、辦公場地和辦公人員等因素分析冷、熱、電等能源需求，設計一套適應場地條件、經濟效益高的綜合能源系統，可以大大提高辦公樓宇的能源綜合利用效率。

1 綜合能源

綜合能源系統以電力系統為核心，集成電、氣、熱、冷等多種能源形式[1]，結合風力、光伏等可再生能源以及蓄能、儲能、電能替代等技術，利用冷熱電三聯供、鍋爐、熱泵、冰（水）蓄冷空調等設備耦合轉化，通過智慧能源管理系統實現多能源的互補互濟與協調優化，可滿足終端客戶多元化的能源生產與能源消費。

2 綜合能源常用技術

綜合能源常用技術主要包括天然氣分布式能源、分布式光伏、蓄冷和電儲能等。各類技術有不同的特點和適用對象，一般應該根據終端用戶的冷、熱、電等能源需求，因地制宜地將不同的綜合能源技術進行組合應用，才能提高整體能效水平。

3 辦公樓宇型綜合能源設計

城市辦公樓宇、商業綜合體、公共建筑等終端用戶的能源負荷集中，對電熱冷等不同形式的能源均有需求[2]。隨著經濟社會高速發展，各行業產業經濟帶來新的變革，社會對企業提供優質服務的需求不斷提高，進一步促進了專業化辦公寫字樓的不斷出現。

辦公寫字樓使得企業辦公集中化、高效化，與此同時，樓宇的高耗能情況也日益受到關注。因此，針對辦公樓宇設計一套高效的綜合能源系統，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，東莞松山湖科技產業園區規劃新建一辦公樓宇建筑，主要用于某企事業單位日常辦公。該辦公樓用地面積7 000 m2，建筑面積5 006 m2，規劃6層建筑并設計21間辦公室供約100人辦公使用。

3.2 能源需求分析

辦公樓宇設計應用何種綜合能源技術，一般應先分析其冷熱電負荷的需求占比，根據占比大的負荷確定能源供給的關鍵技術和設備選型，再利用其他技術實現能源均衡的輔助調節，最大程度地提高整體能效水平。

根據該樓宇所在地理位置，廣東東莞地區日平均氣溫≤5℃的天數為0天，可不設采暖，因此樓宇的主要負荷以冷負荷（即空調負荷）為主。根據該辦公樓宇建筑規劃，其冷負荷估算如下。

樓宇的空調供應面積為3 415 m2，冷負荷共523.17 kW，同時使用系數一般按0.7計算，則實際冷負荷需求約為366.22 kW。按常規多聯機組中央空調COP取3.0計算，則空調負荷的電力需求約為122.07 kW（366.22 kW/3=122.07 kW）。

參照同類建筑耗能狀況，選取電負荷設計指標為90W/ m2，則該辦公樓樓宇的總體電負荷約為450.54 kW（5006 m2×90W/ m2=450.54kW），則可計算得出除空調負荷外的其他電負荷需求約為328.47 kW（450.54kW～122.07kW=328.47kW）。

3.3 技術選型

為了有效提高能源利用效率，辦公樓宇的綜合能源技術應優先以天然氣分布式能源為基礎，耦合分布式光伏和電儲能系統，建設先進的微網能源管理系統，實現多能協同供應和能源綜合梯級利用。

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選型原則為“以冷定電”，且應按冷負荷不大于122.07 kW進行機組設備選型。

天然氣分布式能源可選的機組一般有燃氣輪機、燃氣內燃機和微燃機。對于約100人的小規模辦公樓宇，可以選擇單機容量較小、投資和運維成本低的微燃機為發電機組，通過煙氣型溴化鋰機組和螺桿電制冷機組作為冷負荷源，并疊加一套全熱回收型空氣源熱泵作為輔助設備，系統的主要設計原則有4個 。1）主機采用燃氣微燃發電機，余熱設備采用煙氣型吸收式溴化鋰機組。2）微燃機與煙氣型溴化鋰機組一一對應，設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）通過余熱利用系統及調峰設備滿足所有冷熱負荷需求，其中以余熱利用系統供能保證基本冷熱負荷供應。4）螺桿式冷水機組以及全熱回收型空氣源熱泵為冷負荷調峰設備，全熱回收型空氣源熱泵為熱負荷調峰設備（主要滿足生活熱水）。

3.3.2 分布式光伏和電儲能系統

樓宇的屋頂面積共786 m2，可用于建設光伏系統的可用地面積約300 m2。按照單個光伏組件290 W的標準功率計算，每10塊組件為一個方陣單元，光伏系統組件數量為80塊，故可設計總容量為23.2 kW的分布式光伏系統，同時可降低屋頂環境溫度，減少室內空調的用電負荷。

另外，增加一套容量為200 kWh的電儲能系統與分布式光伏組網運行（圖1），按照以下運行方式實現能源利用的最大化。1）光伏系統在白天發電充足時，發的電優先通過辦公樓宇的用電負載實現本地消納，多余的電能通過交直流變換器存儲在電儲能電池中。2）光伏系統在夜晚或陰雨天發電量小于用電時，儲能電池中儲存的能量將通過交直流變換器釋放出來，供辦公負載使用，減少樓宇的市電使用。

3.3.3 微網能源管理系統

微網能源管理系統，可以對樓宇的發電設備（燃氣發電機、分布式光伏）、儲能設備、負荷設備（溴化鋰機組、電空調、空氣源熱泵、電動車充電樁等）進行狀態監控和能效分析，系統架構及總體功能如下。1）系統采用開放式、分層全分布系統結構，通過站控層、通信層、間隔層實現數據的分布管理。2）構建各類能耗模型（包括整體能耗、區域能耗、重點設備能耗）展示，輔助制定能效管理策略，優化系統設備的運行控制，降低系統能耗。3）具備包括報表管理、運行計劃管理、用戶管理等模塊的系統運維管理功能，實現數據報表分析處理、自動調節冷源運行模式、用戶多級權限控制。4）可以實現室內燈光高效照明、自動遮光窗簾、通風及空調自動控制、智能會議場景的樓宇智能管理。

4 結論

針對日益發展的辦公樓宇能耗問題，該文對一辦公樓宇的冷、熱、電負荷進行了深入分析，重點根據建筑的空調供應面積進行主要負荷估算，綜合天然氣分布式能源、分布式光伏、電儲能等主要技術進行綜合能源系統設計，得到結論有3點。1）南方地區辦公樓宇冷電負荷需求接近，采用天然氣分布式能源的主機選型原則為“以冷定電”，可以通過溴化鋰機組和空氣源熱泵實現冷熱負荷調節，提高能源利用率。2）分布式光伏與電儲能系統可相互協同配合，實現可再生能源優先本地消納和富余存儲再利用，降低終端用戶的用電成本。3）各類綜合能源技術設備的應用，形成了一個小型微電網。通過能源管理系統實現各種能源設備的運行監控與輔助分析，可協調優化整體系統的運行控制，提高樓宇能效水平。

參考文獻

[1]張宇帆，艾芊，郝然，等.基于機會約束規劃的樓宇綜合能源系統經濟調度[J].電網技術，2019（1）：108-116.

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