昆明市電建科研大廈綜合能源系統的應用分析

摘 要：在高層辦公建筑中，僅依靠傳統的電力系統和被動式設計，無法有效實現建筑的低能耗運行。以云南省昆明市電建科研大廈為例，通過將不同的建筑設計方式和包括多種可再生能源的綜合能源系統應用于該辦公建筑后，分析了該建筑的能耗與產能情況。研究結果顯示：1）未采用綜合能源系統時，本辦公建筑的年總能耗約為295.53萬kWh，建筑節能率為78.33%；2）采用綜合能源系統后，本辦公建筑的年節約電量為35.96萬kWh，其年總能耗降至259.57萬kWh，建筑節能率為80.97%，說明可再生能源的應用有助于建筑的節能減排；3）雖然本辦公建筑的建筑產能與能耗的比值僅為12.17%，但可有效降低對外部能源的依賴。以期研究結果為推進辦公建筑綜合能源利用、低能耗運行提供設計策略和實踐參考。

關鍵詞：光伏發電；風力發電；太陽能熱利用；綜合能源系統；光電建筑一體化；節能減排；高層辦公建筑

中圖分類號：TU855/TK519/TM615 文獻標志碼：A

0" 引言

《中國建筑節能年度發展研究報告2022 （公共建筑專題）》指出：建筑運行階段的碳排放在建筑全生命周期內的占比為70%，其中，與電力相關的間接碳排放在建筑運行階段的占比最高。因此，實現建筑全面電氣化或再電氣化是建筑減排的重要策略。目前，公共建筑的能耗已成為中國建筑能耗中占比最大的部分，其中，辦公建筑作為公共建筑的最主要類型，其建筑面積存量占比為34% [1]，是公共建筑能耗主要來源。

在此背景下，為解決大型高層辦公建筑運行能耗大、碳排放高的技術問題，本文以云南省昆明市電建科研大廈（下文簡稱為“本辦公建筑”）的建設為例，通過將不同的建筑設計方式和包括多種可再生能源的綜合能源系統應用于該辦公建筑，分析該建筑的能耗與產能情況。通過將多種可再生能源轉化為可供建筑運行過程中使用的電能、熱能，有助于實現辦公建筑用能系統的再電氣化，使建筑從單純的能源用戶轉變為能源生產、消費的綜合體，從剛性用能載體轉變為深度參與低碳能源系統構建、調節的柔性用能載體。

1" 研究思路

“被動優先減少需求、主動優化提高能效”是降低建筑用能需求和減少建筑運行過程中碳排放的重要理念[1]。本研究從高層辦公建筑的終端用能需求側出發，通過建筑設計和綜合能源系統的協同作用，減少建筑對傳統能源的依賴，降低碳排放，提高建筑的可持續性。在建筑設計方面，通過被動式節能設計，合理布局建筑空間和朝向；在綜合能源系統設計方面，因地制宜地將多種可再生能源和智能技術柔性耦合，有助于提高能源利用率。

本綜合能源系統包括4個單元，分別為能量生產單元、能量轉換單元、能量存儲單元和能量消耗單元[2]。建筑接受的日照時長、朝向會影響能量生產單元，建筑需求（比如：用電需求、能源消耗等）會影響能量消耗單元。通過建筑信息模型（BIM）技術可優化能量轉換單元的布置，比如：通過評估建筑的采光性能，選取適配的光伏組件等；通過調節不同可再生能源的應用比例，得到最優的能源供應結構，實現全生命周期內建筑產能可部分抵消或全部抵消建筑能耗的目標。

從建筑設計和綜合能源系統設計兩方面對本辦公建筑的建設展開分析，重點探討辦公建筑中可再生能源的綜合利用策略，具體的建設思路如圖1所示。

2" 建筑設計

2.1" 本辦公建筑概況

本辦公建筑位于云南省昆明市官渡區涼亭片區，東臨規劃住宅用地，西臨寬40 m的涼亭中路，南臨寬25 m的規劃道路，北臨寬20 m的規劃道路。本辦公建筑的總建筑面積為95479.25 m2，其中地上建筑面積為66370.28 m2，地下建筑面積為29108.97 m2。本辦公建筑的圍護結構采取節能措施，建筑外墻的綜合傳熱指標可達到被動式建筑的標準[3]，通過提升建筑外圍護結構的性能，降低建筑對制冷、供熱、采光及通風的用能需求，減少對能源的依賴[4]。

2.2" 設計分析

2.2.1" 建筑功能分析

本辦公建筑由A棟辦公塔樓（高度約為99 m）、B棟辦公塔樓（高度約為77 m）、C棟綜合樓和辦公大堂組成。其中，C棟綜合樓作為裙房與其他建筑圍合出1個中心庭院，可充分引入自然采光和自然通風。裙房首層設置商業區、展覽區、會議中心和餐廳等空間，3層設置檔案室和中心機房；兩棟塔樓的中、高樓層均為辦公區，A棟辦公塔樓頂部結合屋頂花園設計成多功能空間。本辦公建筑的外觀圖和不同朝向下的功能分區示意圖分別如圖2、圖3所示。

從功能分區可以看出，本辦公建筑的用能需求較大，綜合能源系統的應用將有效實現該建筑的低碳節能目標。

2.2.2" 建筑朝向分析

合理的建筑朝向不僅有利于建筑的采光、保溫或隔熱，降低建筑能耗，還可以提高太陽能的利用率。在建筑設計前期，采用天正日照軟件T-Sun 2014模擬分析建筑不同布置方式時的有效日照時長。分析參數為：選取的時間為冬至日09：00～15：00（真太陽時）；選取的地點為昆明市（102°43′ E，25°02′ N）；計算精度為1 min；計算高度為1.2 m（窗臺高度+室內外高差）；掃略角為8° 。模擬分析結果如圖4所示。

由圖4可知：若塔樓與道路呈45°夾角布置，A棟辦公塔樓有3個面、B棟辦公塔樓有兩個面能滿足冬至日有效日照時長不低于1 h；若依據GB 50352—2019《民用建筑設計統一標準》和《昆明市城鄉規劃管理技術規定（2016版）》，塔樓平行于道路布置，A、B棟辦公塔樓均只有兩個面能達到有效日照時長標準。因此，塔樓與道路呈45°夾角的布置優于塔樓平行于道路的布置。通過多點日照分析，將A棟辦公塔樓布置于場地西南側且平行于道路交叉口，B棟辦公塔樓布置于西北側且平行于道路交叉口時，對場地周邊居民建筑接收日照的影響最小，屬于環境友好型設計。

2.2.3" BIM技術分析

BIM技術可用于優化建筑空間布局，改善建筑的光環境、風環境、熱環境。為保證自然通風，建筑朝向應盡量與當地主導風向垂直，當室外風經過建筑物時，會使建筑前后區域形成風壓差，在風壓差的作用下室內風速與換氣頻率會得到提高[3]?？筛鶕﨎IM技術模擬結果，通過有效控制建筑體形系數來優化建筑的冬季失熱和夏季得熱性能；利用中庭空間引入天然采光和自然通風功能，減少對照明和通風設備的依賴，達到節能的目的[4]；通過對建筑的采光及照明進行模擬，可評估建筑的采光性能，優化窗墻比及照明設備布置方式等。

3" 綜合能源系統設計

本綜合能源系統的能量生產單元包括太陽能熱利用系統、光伏發電系統、風力發電系統和空氣源熱泵系統等。按照光伏組件的安裝位置不同，光伏發電系統可分為屋面光伏發電系統和立面光伏發電系統。能量生產單元中不同子系統的安裝位置如表1所示。

不同子系統的安裝位置示意圖如圖5所示。

3.1" 太陽能熱利用系統

C棟綜合樓屋面安裝太陽能熱水系統，輔熱源采用空氣源熱泵。屋面共設置262塊太陽能集熱板，朝西南放置，放置時的傾角與昆明市的緯度相同。太陽能熱水系統的實際安裝面積為524 m2，集熱效率大于等于42%，可為A棟、B棟辦公塔樓的辦公區及C棟綜合樓的后勤部門供應熱水。

3.2" 屋面光伏發電系統

安裝于A棟、B棟辦公塔樓的屋面光伏發電系統采用在既有建筑上安裝光伏發電系統的技術，即BAPV技術。屋面光伏發電系統采用550 W單晶硅光伏組件，尺寸（長×寬×厚）為2278 mm×1134 mm×35 mm，光伏組件安裝傾角為15°；采用110 kW組串式逆變器，交流輸出電壓為400 V。安裝于A棟、B棟辦公塔樓的屋面光伏發電系統的參數如表2所示。

3.3" 立面光伏發電系統

安裝于A棟辦公塔樓西南和東南立面的光伏發電系統采用光伏建筑一體化（BIPV）技術，將玻璃幕墻與碲化鎘薄膜光伏組件相結合，形成碲化鎘發電玻璃，實現建筑立面發電；且此種發電玻璃的外觀色彩與普通玻璃幕墻保持一致，不影響建筑立面的美觀效果。

采用碲化鎘發電玻璃后，可有效減少圍護結構的熱量傳遞，從而提升室內舒適度；且此種發電玻璃的耐久性和穩定性較好，維修與更換頻率也較低。此外，碲化鎘發電玻璃所發電力為清潔電力，可有效降低建筑材料的碳排放[6]。從建筑消防角度考慮，薄膜光伏組件發生熱斑效應的概率較小[7]。

A棟辦公塔樓的立面光伏發電系統產生的電能經逆變器轉換為400 V的交流電，通過并網匯流箱并入本辦公建筑供電系統的低壓母線，實現光伏發電就地消納。A棟辦公塔樓的立面光伏發電系統參數如表3所示。

3.4" 風力發電系統

本辦公建筑所在地的主導風向為西南風，在B棟屋面設置2臺小型垂直軸風電機組，如圖6所示。圖中：兩個紅點代表風電機組機位，機位點的海拔高度約為2005 m；藍色箭頭代表當地主導風向。受樓體抬升的影響，在機位點位置具有較好的風能資源。

垂直軸風電機組具有可低風速啟動、無噪音的特點，不會對辦公區域產生噪音影響，滿足辦公需求，使風電與建筑結合成為可能[8]。每臺垂直軸風電機組的功率均為5 kW，風電機組的間距不小于12 m。該風電機組的葉片高度為3.6 m，回轉直徑為2.5 m，適合運行在風速為2.5～25 m/s的區域。若每臺風電機組的年發電小時數按1600 h估算，風電轉換系數取0.6，則每臺風電機組的年發電量約為4800 kWh。風電機組產生的電能經逆控一體機后輸出400 V的交流電，通過并網匯流箱并入本辦公建筑供電系統的低壓母線，實現風電的就地消納。

3.5" 智慧能源管理平臺

本辦公建筑利用智慧能源管理平臺進行全年的產能量與耗能量模擬，得出建筑運行階段的碳排放模型[9]。該智慧能源管理平臺具有能量生產統計、能耗監控統計、能耗分析、能耗報表統計、優化管理及智能化系統集成的功能，可實現建筑能量生產與消耗的透明化管理。本智慧能源管理平臺的框架如圖7所示。

此外，采用智慧能源管理平臺對建筑耗能進行精細化“能源管控”，擬合人因導向的柔性用能特征，通過對照明、采暖、制冷等設備的智能化控制，實現微環境調節，最大化減少能量損耗。

4" 建筑能耗與產能分析

4.1" 能耗分析

本文采用斯維爾能耗計算軟件BESI對建筑能耗進行分析，節能指標主要依據GB 55015—2021《建筑節能與可再生能源利用通用規范》中的相關要求。本辦公建筑的主要能耗設備包括照明設備、插座設備、電梯、制冷設備、供暖設備及其他設備，經計算，本辦公建筑的年耗電量約為295.53萬kWh，具體如表4所示。

4.2" 產能分析

各系統在本辦公建筑安裝后的照片如圖8所示。

對于光伏發電系統的年發電量預測，既可以利用專業的光伏發電系統模擬軟件PVsyst，也可以利用公式進行計算。光伏發電系統年發電量Ep的計算式[10]為：

Ep=" HA·PA·K" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （1）

Ea

式中：HA為水平面年太陽總輻射量，kWh/m2，本文取1515.7；PA為光伏組件裝機容量，kW；Ea為標準測試條件下的太陽輻照度，kW/m2，本項目取值1 kW/m2；K為綜合效率系數，包括光伏組件自身的效率損失、逆變器轉換過程中的能量損耗、周圍環境因素（比如：障礙物導致的遮光）對發電量的影響，以及光伏組件內部線路傳輸時的效率損失等，綜合以上因素，本文取85.7%。

經計算，本綜合能源系統的首年發電量約為38.31萬kWh，具體如表5所示。

考慮到各子發電系統長期運行后會因材料老化、環境侵蝕等導致其性能衰減，估算得到本綜合能源系統的25年的年均發電量為35.96萬kWh，年均利用小時數為1250.93 h，具體如表6所示。

本辦公建筑的年耗電量約為295.53萬kWh，大于綜合能源系統的年均發電量35.96萬kWh，因此該綜合能源系統的發電量可完全被消納。本辦公建筑的總建筑面積為95479.25 m2，該綜合能源系統每年可為其每平方米節約3.77 kWh的電量。

建筑產能與建筑能耗的比值Rr可用于評估建筑在能源方面的自給能力和可持續性，識別建筑在能源系統設計中的不足，比如：可再生能源利用率低或建筑能耗過高，為建筑能效優化提供依據，其計算式[4]可表示為：

Rr= Er ·100%" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （2）

Etol

式中：Er為年可再生能源發電使用量，kWh，本文取35.96萬；Etol為建筑年耗電量，kWh，本文取295.53萬。

經計算，本辦公建筑的建筑產能與能耗的比值為12.17%，表明建筑的能源自給能力有限，絕大部分能源消耗仍需依靠外部電網或其他傳統能源供應。

4.3" 節能率計算

根據GB 55015—2021中表A.0.2的規定，昆明市屬于中國建筑熱工設計分區中的溫和地區，對于建筑面積大于等于20000 m2的辦公建筑，其年平均能耗指標取值為40 kWh/m2 [11]，而本辦公建筑的總建筑面積為95479.25 m2，基于40 kWh/m2的年平均能耗指標取值，可得到同一熱工分區中相同建筑面積下的辦公建筑年總能耗為381.917萬kWh，即參照建筑年總能耗B0。

公共建筑節能率δ的計算式可表示為：

δ=1–" B1·（1–χ）" ·100%" " " " " " " " " " " " " " " " " "（3）

B0

式中：B1為設計建筑的年總能耗，kWh；δ為建筑的設計節能率，%；χ為通用規范規定的公共建筑平均節能率，取值72%[11]。

未采用綜合能源系統時，本辦公建筑的年總能耗約為295.53萬kWh，根據式（3）可計算得到建筑節能率為78.33%；采用綜合能源系統后，本辦公建筑的年節約電量為35.96萬kWh，其年總能耗降至259.57萬kWh，建筑節能率為80.97%。

5" 結論

本文以云南省昆明市電建科研大廈為例，通過將不同的建筑設計方式和包括多種可再生能源的綜合能源系統應用于該辦公建筑后，分析了該建筑的能耗與產能情況。研究結果顯示：未采用綜合能源系統時，本辦公建筑的年總能耗約為295.53萬kWh，建筑節能率為78.33%；而采用綜合能源系統后，本辦公建筑的年節約電量為35.96萬kWh，其年總能耗降至259.57萬kWh，建筑節能率為80.97%，說明可再生能源的應用有助于建筑的節能減排。雖然本辦公建筑的建筑產能與能耗的比值僅為12.17%，可再生能源電力無法完全覆蓋建筑運行階段的用能需求，但其應用可降低建筑對外部能源供應的依賴，減少運行過程中的能耗總量，為大型辦公建筑的節能減排路徑和電氣化轉型建設提供工程經驗。

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[11] 中華人民共和國住房和城鄉建設部. 建筑節能與可再生能源利用通用規范：GB 55015—2021[S]. 北京：中國建筑工業出版社，2022.

APPLICATION ANALYSIS OF INTEGRATED ENERGY SYSTEM IN KUNMING HIGH-RISE OFFICE BUILDING

Liu Min1，2，Fan Yu2，Gao Haiqiang2，Ma Jinhao1，2，Jiang Lihong2，Wei Gengnan3

（1. Power China Municipal Engineering Corporation Limited，Zhuhai 519031，China；

2. Power China Kunming Engineering Corporation Limited，Kunming 650032，China；

3. Faculty of Architecture and City Planning， Kunming University of Science and Technology，Kunming 650500，China）

Abstract：In high-rise office buildings，relying on traditional power systems and passive designs cannot effectively achieve low-energy operation of the building. This paper takes the Kunming Electric Power Construction Research Building in Yunnan Province as an example，and analyzes the energy consumption and production capacity of the building by applying different architectural design methods and a comprehensive energy system including multiple renewable energy sources to the office building. The research results show that： 1） Without adopting a comprehensive energy system，the annual total energy consumption of this office building is about 2.9553×106 kWh，and the building's energy efficiency rate is 78.33%. 2） After adopting a comprehensive energy system，the annual energy savings of this office building are 3.596×105 kWh，and its total annual energy consumption has decreased to 2.5957×106 kWh. The building's energy efficiency rate is 80.97%，indicating that the application of renewable energy is helpful for building energy conservation and emission reduction. 3） Although the ratio of building capacity to energy consumption in this office building is only 12.17%，it can effectively reduce reliance on external energy sonrces. In order to provide design strategies and practical references for promoting comprehensive energy utilization and low-energy operation of office buildings based on the research results.

Keywords：PV power generation；wind power generation；solar thermal utilization；integrated energy system；BIPV；energy saving and emission reduction；high-rise office building