多能互补技术在工业化办公建筑中应用的经济性分析

黄凯霖 谢 玲 王 曦 卢 军

（重庆大学 重庆 400044）

0 引言

办公建筑是高耗能建筑。国家发改委能源研究所、住建部数据显示，国家机关办公建筑和大型公共建筑年耗电量约占全国城镇总耗电量的22%，每平方米年耗电量是普通民居的10～20倍[1]。随着我国经济和城镇化的发展，办公建筑的能耗必定还会进一步增加。进入新世纪以来，能源短缺带给人类社会可持续发展的压力越来越大，节约能源并开发可替代化石能源的新能源成为摆在人类面前亟待解决的重大挑战。随着化石能源燃烧给环境带来的压力越来越大，以及能源供求矛盾的日趋严峻，新能源的开发利用已成为备受瞩目的研究热点。但新能源一般具有不稳定、不利于系统平衡的缺点，因此，寻求将多种能源综合互补、高效利用的有效途径与方法，逐步成为能源领域可持续发展的研究方向之一。

建筑工业化是以构件预制化生产、装配式施工为生产方式，以设计标准化、构件部品化、施工机械化、管理信息化为特征，能够整合设计、生产、施工等整个产业链，实现建筑产品节能、环保、全生命周期价值最大化的可持续发展的新型建筑生产方式，是建筑业从分散、落后的手工业生产方式逐步过渡到以现代技术为基础的大工业生产方式的全过程，是建筑业生产方式的变革。建筑工业化可以提高建设效率、提升建筑品质、低碳节能，符合可持续发展，是未来建筑产业的转型方向。

本文基于DeST构造的成都地区建筑模型，对单一能源系统和多能互补系统在建筑中的技术经济性和节能环保性进行比照，分析多能互补系统在工业化办公建筑中应用的性能表现，对实际工程应用具有参考价值和指导意义。

1 多能互补技术概述

1.1 多能互补概念

多能互补是一种能源政策，即按照不同资源条件和用能对象，采取多种能源互相补充，以缓解能源供需矛盾，合理保护自然资源，促进生态环境良性循环。

多能互补系统在发挥各种能源优势的同时，弥补了单一能源系统的缺陷，有利于用能对象根据既有条件因地制宜的开发利用可再生的环境友好型分布式能源，减少化石能源的消耗，实现大幅度节能减排的目标，缓解化石能源消耗带来的环境问题。

1.2 我国多能互补的研究和发展

中国从80年代初开始制订的能源政策，要求逐步改变单一以煤为主的能源格局，尽可能开发利用其他能源资源，包括煤、石油、天然气和核能的合理利用，特别是要不断提高新能源和可再生能源的比重。为实现绿色可持续发展，政府以及学者正在积极的探索新的能源利用方式。目前我国对于多种可再生能源联合互补利用的研究尚处于起步研究阶段[2]。

张亨洋建立了基于200MW火电厂发电机组和槽式热发电系统的光煤互补发电系统的数学模型并对该系统集热场的集成模式进行了优化分析，对推广光煤互补发电系统有很好的指导意义[3]。齐学义等人提出了一种适合西部地区的可再生能源与化石能源组合的分布式能源多能互补系统方案[4]。韩巍提出了天然气和煤综合互补利用的新方法，实现了天然气和煤的高效清洁利用。李洪强提出了天然气与生物质互补的甲醇动力串联型多联产系统，不但实现了天然气和生物质的碳氢组分互补，还实现了合成气化学能的梯级利用[5]。张世平等人通过对我国能源储备供能系统的安全与分布式能量系统发展的分析，提出基于生物质能和天然气互补的分布式能量系统[6]。高丹丹等人通过对风能水能，太阳能和生物质能的发电原理简述，探讨了目前国内风水互补、风光互补、光生互补以及风光生等多种能源联合互补发电系统的设计研究成果，明确了我国对于多种可再生能源联合互补发电的研究尚处于起步研究阶段，并对其发展的前景持有积极的态度[7]。连小龙通过对多种可再生能源互补的联合循环系统研究，构建了一套多种可再生能源互补的联合循环系统，并对系统的热力学性能进行了模拟分析，对于满足人们用能需求缓解能源供需矛盾有着重要意义[8]。高海涛构建了风能-太阳能-沼气集成系统，研究了冬季工况和春季工况下系统的总体性能，并对其经济效益进行了评价[9]。孟祥德等人提出了一种多种形式可再生能源集成互补利用的供暖供冷系统，该系统利用了太阳能、生物质能、地热能，将三种形式可再生能源集成互补利用，克服了单一形式可再生能源系统具有的不稳定性缺点，提高了系统的稳定性[10]。陈新等人针对西藏阿里地区独特的自然地理条件，提出了集合传统水能与风光的各自优势的一种新的多能互补开发方式[11]。

2 基于成都某办公楼的技术经济分析

2.1 模型建立

采用DeST软件，根据建筑模型的平面图建立模型，并设置相应参数[12]。

2.1.1 模型介绍

本文研究模型选用成都地区某综合建筑群中的一栋典型办公建筑，建筑总建筑面积15330m2，其中空调面积13328.75m2，建筑总高度39.9m。地上共9层，层高4.2m（其中一层大厅层高5.4m），地下1层主要作为停车库、设备用房并连接其他建筑群。建筑主要朝向为南向。该办公建筑模型的房间功能主要有大厅、普通办公室、会议室、资料室、接待室、高档办公室、卫生间等几种。其中，2层为主要会议室，3层为资料室和阅览室，4-6层为办公（含会议），7-9层为预留发展用房，如图1所示。

图1 某办公建筑模型三维视图Fig.1 3D view of an office building model

表1 围护结构构造、厚度和传热系数Table 1 Structure,thickness and heat transfer coefficient of enclosure structure

表2 不同朝向窗墙面积比Table 2 The ratio of the area of the window to the wall with different orientations

北0.44

2.1.2 内部设计参数

依据《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB50736-2012）和《公共建筑节能设计标准》（GB50189-2015），确定各类型建筑空调室内设计参数，如表3所示。

表3 各类房间室内设计参数Table 3 Interior design parameters of all types of rooms

办公建筑作息时间和热扰参数设置参考《公共建筑节能设计标准》GB50189-2015中附录B中给出的空调运行时间表和人员、照明、设备参数等。

普通办公室空调开启时间按7∶00～20∶00设置，照明密度11W/m2，人员占有率10m2/人，新风量按每人30m3/h，电器设备功率密度20W/m2。普通办公室应适当考虑加班情况。

表4 普通办公室作息时间表Table 4 Schedule of general office

高档办公室与普通办公室的主要区别在于人员工作时间，以及人员密度、照明设备等密度。高档办公室不考虑加班情况，周末不考虑上班情况。高档办公室空调开启时间按7∶00～18∶00设置，新风按每人45m3/h标准计算。

表5 高档办公室作息时间表Table 5 Schedule of top office hours

2.1.3 建筑总冷热负荷分析

通过系统全年8760小时逐时负荷计算，可以得到成都地区夏季（6月～9月）逐时冷负荷，如图2所示。其中高温天气主要集中在7、8月份，6、9月冷负荷均小于1300kW。最大冷负荷为1763.65kW（冷负荷指标132.32W/m2），出现在7月23日，星期一。根据四川地区办公建筑使用行为调研，将能耗模拟时的供冷季设为6月15日至9月15日，总计93天。

图2 夏季逐时冷负荷Fig.2 Hourly cooling load in summer

同时可以计算得到成都地区冬季（11月～次年3月）逐时热负荷。通过观察冬季及部分过渡季节逐时负荷发现，3月、11月热负荷基本在600kW以下，冬季最大热负荷出现在1月8日（星期一），为1188kW（热负荷指标为89.15W/m2）。根据四川地区办公建筑使用行为调研，将能耗模拟时的供热季设为11月15日至次年2月28日，总计106天。

图3 冬季逐时热负荷Fig.3 Hourly heating load in winter

通过对冬夏季最大逐时负荷的模拟可以看出，最大负荷时刻都出现在星期一，符合办公建筑的使用特点。建筑外围护结构的蓄热作用使得工作日的第一天需要更多的冷（热）量来去除周末受室外气温的影响。

2.2 经济性分析

2.2.1 传统单一能源系统

（1）设备选型

成都地区的主要能源是电能，因此，选用电能作为传统单一能源系统的唯一能源。选用电能驱动主机，设备型号及参数如表6所示。

表6 单一能源系统设备选型表Table 6 Equipment selection of single energy system

续表6 单一能源系统设备选型表

（2）初投资

表7 单一能源系统初投资分析表Table 7 Analysis of initial investment in a single energy system

固定费包括设备折旧费、占有空间费、利息和税金等。现不计设备残值及税金，将初投资P折成等额年金，即为固定费A：

式中：i为年利率，取10%；n为折旧年限，取20年。

按式（1）计算可得：固定费A=17.17万元。

（3）运行费用

运行费包括能耗费（即水费、电费、燃料费）、维修费、人工费等。民用建筑空调系统满负荷运行时间很短，大部分时间处于部分负荷状态，据统计，一般建筑空调负荷分别如下：空调负荷率75%-100%占运行时间的10%，空调负荷率50%-75%占运行时间的50%，空调负荷率25%-50%占运行时间的30%，空调负荷率＜25%占运行时间的10%。因此，在计算能耗时，须考虑建筑的负荷分布规律和设备的部分负荷特性及调节方式，年能耗E为：

式中：ej为设备j的小时额定能耗；τj为设备j的年运行时间；ζj为设备j的平均负荷率。

运行费用按式（2）计算，如表8所示。

表8 单一能源系统运行费用分析表Table 8 Operating cost analysis of single energy system

（4）年经营费

年经营费为固定费与运行费之和。年经营费越低的方案，越经济。经分析可得，传统单一能源方案的年经营费用为：固定费17.17万元+年运行费283.36万元=300.53万元。

（5）一次能源消费和碳排放

按照电能 1MWh=122/（0.9×0.39）=349kg 标准煤（式中0.9为输配电效率，0.39为电厂热效率），1kg标准煤燃烧产生2.79kgCO2的换算关系计算，传统单一能源系统的标准煤耗量为3126.18MWh×349kg标准煤=1091.04t标准煤/a，折算二氧化碳排放量为 632.55MWh×349kg 标准煤×2.79kgCO2=3044.0tCO2/a。

2.2.2 多能互补系统：太阳能+河水源热泵

（1）设备选型

成都地区河流众多，适合河水源热泵系统的推广使用。同时，成都地区也具有一定的太阳能资源，虽然不稳定，但通过多能互补系统可以通过太阳能发电技术开发利用。因此，该多能互补方案采用河水源热泵系统，通过太阳能电池板发电为该办公楼供应电能，不足部分由市电提供。

根据空调负荷选择匹配的主机，如表9所示。对于河水源热泵系统，负荷侧冷冻水的供回水温度为：7℃/12℃，按照Q=cMΔt经计算可得水环路的流量为234m3/h。

表9 河水源热泵系统设备选型表Table 9 Equipment selection of river water source heat pump system

（2）初投资

河水源热泵系统初投资如表10所示。

表10 河水源热泵系统初投资价格表Table 10 Initial investment price list of river water source heat pump system

按式（1）计算可得：固定费A=16.42万元。

（3）运行费用

运行费用按式（2）计算，如表11所示。

表11 多能互补系统运行费用分析Table 11 Analysis of operating cost of multi energy complementary system

（4）光伏发电经济性分析

目前，光伏发电晶硅电池组件的市场价大约为0.703美元/瓦，推算到光伏发电的成套设备的市场价大约为1.4-1.5美元/W，折合成人民币不到10元/W，即10000元/kW。按照国家目前的政策，光伏发电上网按脱硫电价0.43元/kWh，并加上额外的补贴0.45元/kWh，即总价为0.88元/kWh。研究表明，光伏发电设备的效力每年平均降低不多于1%，因而可不考虑效率的降低。设备寿命按照普遍认可的寿命为25年计算。

假设该办公楼的光伏发电设备装机容量为n（kW），则初投资约为n万元，由式（1）计算可得，A'=0.11n万元；n（kW）的发电机组每年发电时间按t小时计算，则发电量为nt（kWh）。每度电的电价按照0.88元计算，则每年节约电费0.88nt元。

（5）年经营费

年经营费为固定费与运行费之和。经分析可得，多能互补系统的年经营费用为：热泵系统固定费16.42万元+热泵系统年运行费129.05万元=144.47万元，即多能互补系统年经营费用为：144.47万元。

（6）一次能源消费和碳排放

多能互补系统的标准煤耗量为1411.62MWh×349kg标准煤=492.66t标准煤/a，折算二氧化碳排放量为 1411.62MWh×349kg标准煤×2.79kgCO2=1374.51tCO2/a。

2.3 结论

将上述分析过程整理如表12所示。

表12 单一能源系统和多能互补系统比较结果Table 12 Comparison results of single energy system and multi energy complementary system

易得：多能互补系统在经济、节能、减排等方面都优于传统的单一能源系统，因此，太阳能+河水源热泵的多能互补方式在成都地区应用具有优势，能够发挥很好的经济优势和环境效益。

3 结语

在节能减排趋势不断向前发展的时代背景下，多能互补系统因具有的技术经济性、低耗节能性、低碳环保性等特性，可以在满足人们办公需求的情况下因地制宜地开发利用建筑周边新能源资源，降低办公建筑这类高耗能公共建筑的能耗，对经济社会健康可持续发展产生积极的影响。

在建筑工业化背景下，多能互补系统未来将与之相结合，相应的设备系统将呈现整体化、集成化的发展趋势。多能互补技术与建筑工业化结合，需要研发者制定相关技术标准，来实现多能互补系统的更多兼容，促进多能互补系统在工业化建筑中的应用。