“雙碳”目標下體育中心的綠色升級節(jié)能改造研究

＊譚福太 余榮學(xué) 謝方靜

（廣州匯錦能效科技有限公司 廣東 510630）

隨著“雙碳”政策的實施，各行業(yè)積極響應(yīng)國家節(jié)能減排號召，落實推進能源管理工作。體育中心是培養(yǎng)優(yōu)秀競技體育人才的搖籃，訓(xùn)練場地設(shè)備設(shè)施直接影響到運動員的訓(xùn)練成果，每一種類型比賽項目對應(yīng)有不同的場地劃分及布置，同時對照明質(zhì)量、環(huán)境溫度和室內(nèi)空氣質(zhì)量等方面也提出了不同的要求。為積極響應(yīng)國家節(jié)能減排號召，努力落實推進能源管理工作，重視節(jié)能技改工作，在滿足不同比賽項目訓(xùn)練場地要求的前提下，對體育中心的空調(diào)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、電機系統(tǒng)老舊設(shè)備進行綠色升級改造，降低所消耗的用電量，減少能源消耗和溫室氣體排放，對節(jié)能減排具有重要意義。

目前，國內(nèi)外研究人員對體育訓(xùn)練場地的綠色節(jié)能改造開展了大量的研究工作。石勁松等人[1]以高校體育館為例，實施綠色節(jié)能通風(fēng)優(yōu)化設(shè)計，結(jié)合計算機模擬技術(shù)，提出了最大限度地利用自然風(fēng)的設(shè)計方案，達到了降低能耗的目的；計太等人[2]在原預(yù)測平均投票（PMV）模型的基礎(chǔ)上建立了改進的Fanger模型，改進后的Fanger模型可更準確地預(yù)測不同熱環(huán)境下人體在運動中的熱舒適度，對預(yù)防運動中熱損傷的發(fā)生和體育館暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能具有重要意義；楊光明等人[3]以城市綜合體育館比賽場地照明工程設(shè)計為例，通過照度、均勻度、眩光值、顯色指數(shù)和色溫等照明質(zhì)量參數(shù)指標，對場地照明進行設(shè)計及模擬計算，為體育館的燈具安裝、調(diào)試以及最終場地照明提供了指導(dǎo)；Nizetic等人[4]從技術(shù)和經(jīng)濟方面闡述了克羅地亞體育場館的設(shè)計方案，通過正確選擇適當?shù)哪茉?，從而將產(chǎn)生的熱能總成本降低33%，并將二氧化碳排放降低1.8倍；顧卿[5]對上海八萬人體育館原有的中央空調(diào)系統(tǒng)進行節(jié)能改造，并運用變頻、冷站群控等先進技術(shù)，優(yōu)化了空調(diào)系統(tǒng)的運行模式，使得該體育館的空調(diào)系統(tǒng)能耗有明顯下降；Josa等人[6]以某體育館屋頂為研究對象，運用多準則決策模型評估了大梁和桁架可持續(xù)性，決策過程中綜合考慮了經(jīng)濟、環(huán)境和社會標準，將諸多相關(guān)因素納入項目的可持續(xù)性評估中，有助于全面了解各因素對項目的影響。然而，目前關(guān)于大型體育中心多系統(tǒng)相結(jié)合的綠色節(jié)能改造研究較為缺乏。

本文以廣東省某體育中心為研究對象，在滿足運動員訓(xùn)練場地要求的前提下，對空調(diào)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、能源資源在線監(jiān)管平臺和電動汽車充電系統(tǒng)進行綠色升級節(jié)能改造。本文探討了“雙碳”背景下大型體育中心綠色節(jié)能改造的可行性，為建設(shè)同類型綠色節(jié)約型場館提供依據(jù)。

1.研究對象

選取廣東省某典型體育中心（以下簡稱中心）為研究對象，該中心占地面積22萬平方米，是廣東省最大的體育訓(xùn)練基地，也是我國最早建立的優(yōu)秀競技體育人才集訓(xùn)基地。因中心建設(shè)較早，輸配電系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、電機系統(tǒng)以及其他建筑能耗設(shè)備設(shè)施陳舊，部分設(shè)備服役時間超過30年，設(shè)備老化嚴重，存在能效低、能耗高、能源浪費嚴重的問題，故需對其空調(diào)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、能源資源在線監(jiān)管平臺和電動汽車充電系統(tǒng)進行能效提升改造。

2.用能現(xiàn)狀分析

(1)總耗能分析

中心能耗包括電力、天然氣、汽油和柴油，以電力和天然氣為主，兩種能源消耗占比接近99%。中心2019年能源資源消耗如表1所示。

表1 中心2019年能源資源消耗分析表

(2)用能系統(tǒng)能耗問題分析

依據(jù)《國家機關(guān)辦公建筑和大型公共建筑能源審計導(dǎo)則》對中心的單位建筑面積電耗、單位建筑面積水耗、單位人數(shù)水耗、單位人數(shù)電耗指標進行計算，中心各類指標計算結(jié)果如表2所示。根據(jù)《廣東省人民政府機關(guān)事務(wù)管理局關(guān)于公布2017年度廣東省同類型公共機構(gòu)能源資源消費平均值的通知》，結(jié)合同類型公共機構(gòu)能源資源消費平均值進行限值或合理區(qū)間數(shù)值的對標分析比較，比較結(jié)果如表3所示。

表2 主要能耗指標數(shù)據(jù)表

表3 能源消耗指標對標分析

中心的人均綜合能耗和人均水耗均高于公共機構(gòu)指標平均值，有較大的節(jié)能空間。根據(jù)中心后勤管理平臺對場館的配電系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、電機系統(tǒng)和照明系統(tǒng)的實時分析數(shù)據(jù)，部分輸配電系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、電機系統(tǒng)、照明系統(tǒng)以及其他建筑能耗設(shè)備設(shè)施陳舊，如表4、表5所示。存在能效低、能耗高、能源浪費嚴重的缺點，具體如下：

表4 體育中心在用電機及其拖動設(shè)備表

①照明系統(tǒng)大量使用傳統(tǒng)照明燈具，照明燈具數(shù)量多，照明能耗較大；②中央空調(diào)系統(tǒng)主機使用時間長久，能效下降幅度大，維修成本高，未配套變頻設(shè)備，運行能耗高；③未實現(xiàn)用電分項計量，包括對空調(diào)用電、動力用電、照明和插座用電、水泵、電梯、信息中心等主要用電分項計量；④部分電機列入《高耗能落后機電設(shè)備（產(chǎn)品）淘汰目錄》或不符合GB 18613-2012《中小型三相異步電動機能效限定值及能效等級》的Y系列和Y2系列電機，存在設(shè)備老化、漏水嚴重、能效低下等問題。

3.綠色升級節(jié)能改造及效果分析

(1)綠色照明節(jié)能改造

中心照明主要采用高壓鈉燈、金屬鹵化物燈、T8熒光燈等傳統(tǒng)照明燈具和少量LED照明燈具。對比高壓鈉燈光效75～100lm/W，金鹵燈光效60～90lm/W，熒光燈光效約60～80lm/W，LED燈具光效≥120lm/W[7]。與傳統(tǒng)光源相比，LED可使照明能耗減少50%～75%[8]，故中心采用節(jié)能高效的LED燈具更換傳統(tǒng)照明燈具，實現(xiàn)綠色照明節(jié)能改造。LED的組成材料主要以環(huán)保材料為主，同時，LED的熱量輻射較少，有效減少有害氣體的排放和揮發(fā)，在使用過程中能夠有效減少對周圍環(huán)境的污染[9]。此外，LED的使用材料一般可以被回收利用，從而實現(xiàn)資源的循環(huán)利用[10]。由于運動員訓(xùn)練場地的特殊性，依據(jù)JGJ 153-2016《體育場館照明設(shè)計及檢測標準》對體育館場地照明進行分級，在滿足照明分級的基礎(chǔ)上進行節(jié)能改造。中心作為競技體育人才綜合性訓(xùn)練基地，照明等級需滿足專業(yè)訓(xùn)練場地的標準，因此改造后LED燈具照度不低于Ⅱ級，如表5所示。

表5 體育場館Ⅱ級場地照明標準值

對中心9828盞傳統(tǒng)照明燈具進行替換，如表6所示。燈具按平均每天照明時間10h，平均每年照明270d。節(jié)能改造計算公式（1）～（2）如下：

表6 改造節(jié)能燈具節(jié)能效益計算表

其中，△Ex為不同系統(tǒng)改造的節(jié)能量（kWh）；Ex1為改造前系統(tǒng)能耗（kWh）；Ex2為改造后系統(tǒng)能耗（kWh）；Qx為節(jié)省電費（元）；0.65為平均電價（元/kWh）。

采用高效節(jié)能的LED燈具對原有投光燈、工礦燈以及T5、T8日光燈等共計9828盞傳統(tǒng)照明燈具進行升級改造，改造后的照度達到國家Ⅱ級專業(yè)訓(xùn)練場地要求。經(jīng)計算，實施綠色照明節(jié)能改造后預(yù)計節(jié)能率可達到54%，節(jié)省電力82.65萬kWh/a，節(jié)省電費53.72萬元/年（按平均電價0.65元/kWh計算），二氧化碳減排量495.92t/a。

(2)體育館空調(diào)系統(tǒng)能效提升改造

中心以JGJ 176-2009《公共建筑節(jié)能改造技術(shù)規(guī)范》[11]及JGJ/T 177-2009《公共建筑節(jié)能檢測標準》[12]為依據(jù)對中心空調(diào)系統(tǒng)進行節(jié)能改造，同時滿足訓(xùn)練場地對于溫度、濕度、風(fēng)量、風(fēng)速、噪聲的要求，減少空調(diào)負荷的形成[13]。關(guān)于空調(diào)系統(tǒng)的具體節(jié)能改造措施如下：

①更換高效高效變頻冷水機組

充分考慮空調(diào)冷負荷受季節(jié)及訓(xùn)練的人數(shù)影響較大，全年有較多的時間主機運行在部分負荷的狀態(tài)，更換效率更高的變頻冷水機組有較為可觀的節(jié)能量，能耗低，降低碳排放，成就綠色建筑[14]。

②冷卻水泵、冷凍水泵、冷卻塔變頻改造

中心冷凍水泵和冷卻水泵均為工頻運行，中央空調(diào)大部分時間在部分負荷下運行，通過對水泵加裝變頻控制，根據(jù)配置的冷水機組，將冷凍水泵、冷卻水泵以及冷卻塔更換成高效設(shè)備，根據(jù)負荷自動調(diào)節(jié)水泵的頻率，降低水泵的運行能耗。

③配備中央空調(diào)智能節(jié)能控制系統(tǒng)

目前中心通過管理人員手動調(diào)節(jié)機房設(shè)備配合運行。安裝系統(tǒng)群控系統(tǒng)，把空調(diào)冷源系統(tǒng)所有設(shè)備及閥門涵蓋在一個整體中可以優(yōu)化系統(tǒng)中設(shè)備的運行，提高機房的能效，如圖1所示。

圖1 智能節(jié)能控制系統(tǒng)

對中心進行空調(diào)系統(tǒng)能效提升改造。預(yù)計整體節(jié)能率可達30%以上，節(jié)省電力26.4萬kWh/a，節(jié)省電費17.15萬元/年，二氧化碳減排量158.4t/a。

(3)綠色充電樁

隨著國家積極推廣新能源汽車，2022年1—5月，全國充電基礎(chǔ)設(shè)施增量為96.3萬臺，同比增長409.5%，月均新增公共類充電樁約4.5萬臺[15]，中心部分員工購買電動汽車，具有一定的電動汽車充電需求。依據(jù)《國務(wù)院辦公廳關(guān)于加快電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的指導(dǎo)意見》，公共機構(gòu)新建和既有停車場要規(guī)劃建設(shè)配備充電設(shè)施（或預(yù)留建設(shè)安裝條件）比例不低于10%[16]。

針對中心員工對充電樁的需求及充電樁綠色環(huán)保的優(yōu)點，中心綠色節(jié)能改造中配置4套20kW交流充電樁，同時為避免充電樁安裝位置不合理、充電耗時久等問題，利用現(xiàn)有充足的停車場資源進行充電樁的布局，充電樁布局如圖2所示。

圖2 充電樁布局平面圖

充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項目保守估計按平均每天每個充電樁充電90kWh，預(yù)計年充電量12萬度。相比傳統(tǒng)燃油汽車，電動汽車在節(jié)能環(huán)保方面要遠強于燃油汽車，從百公里油耗和百公里電耗上估算，預(yù)計可節(jié)省能耗近80%[17-19]，故在中心配置充電樁后預(yù)計可節(jié)省電力9.6萬kWh/a，節(jié)省電費6.2萬元/年，二氧化碳減排量57.6t/a。

(4)能源資源在線監(jiān)管平臺

中心搭建節(jié)約能源資源在線監(jiān)管平臺，通過安裝智能電表258個、智能水表43個，搭建起能源管理平臺中心，實現(xiàn)對設(shè)備能耗進行監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)低效率運轉(zhuǎn)及能源消耗異常的用電設(shè)備，降低峰值用電水平，解決能耗過高、能源利用率低、能源成本偏高的問題[20]，如圖3所示。

圖3 能源資源在線監(jiān)管平臺

通過能源管理系統(tǒng)進行能源分析，并結(jié)合相關(guān)的能源管理措施，預(yù)計可減少5%左右的建筑能耗，節(jié)省電力10萬kWh/a，節(jié)省電費6.5萬元/年，二氧化碳減排量60t/a。

4.結(jié)論

本文針對廣東省某體育中心提出了綜合綠色節(jié)能改造方案，其中綠色照明節(jié)能改造、空調(diào)系統(tǒng)能效提升改造、搭建能源資源在線監(jiān)管平臺以及配置綠色充電樁預(yù)計實現(xiàn)82.65萬kWh/a、26.4萬kWh/a、10萬kWh/a、9.6萬kWh/a的節(jié)能效果，總節(jié)電量達128.65萬kWh/a，可減少二氧化碳排放730.74t/a。