办公楼宇型综合能源技术应用设计

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０　引言
根据不完全统计，我国办公楼宇年电力消耗总量占全国总消耗量的10%，能源费用超过800亿元，主要包括政府机关、企事业单位、商业写字楼等办公楼宇。

大部分办公楼宇的全年用电量在100 kW·h 以上，其中空调用电占45%~50%、用户室内用电占35%~40%，其他公用用电占10%~20%。

为了降低办公楼宇的能源消耗，提高了能源综合利用效率，一般可以通过节能技术改造或综合能源系统设计实现。

其中，节能技术改造是指对使用中的楼宇更换高能效设备，一般包括LED 灯、电磁厨房、空调主机及其水系统等设施。

但是节能技术改造往往受场地条件限制、楼宇业主期望效益偏高等因素的影响。

因此，如果能在办公楼宇的规划阶段，根据楼宇的建筑结构、办公场地和办公人员等因素分析冷、热、电等能源需求，设计一套适应场地条件、经济效益高的综合能源系统，可以大大提高办公楼宇的能源综合利用效率。

１　综合能源
综合能源系统以电力系统为核心，集成电、气、热、冷
等多种能源形式[1]，结合风力、光伏等可再生能源以及蓄能、储能、电能替代等技术，利用冷热电三联供、锅炉、热泵、冰（水）蓄冷空调等设备耦合转化，通过智慧能源管理系统实现多能源的互补互济与协调优化，可满足终端客户多元化的能源生产与能源消费。

２　综合能源常用技术
综合能源常用技术主要包括天然气分布式能源、分布式光伏、蓄冷和电储能等。

各类技术有不同的特点和适用对象，一般应该根据终端用户的冷、热、电等能源需求，因地制宜地将不同的综合能源技术进行组合应用，才能提高整体能效水平。

３　办公楼宇型综合能源设计
城市办公楼宇、商业综合体、公共建筑等终端用户的能源负荷集中，对电热冷等不同形式的能源均有需求[2]。

随着经济社会高速发展，各行业产业经济带来新的变革，社会对企业提供优质服务的需求不断提高，进一步促进了专业化办公写字楼的不断出现。

办公楼宇型综合能源技术应用设计
袁文伟
（广东电网有限责任公司东莞供电局，广东 东莞 523000）
摘 要：综合能源是多能源网与互联网深度融合的产物。

该文以我国日益受关注的办公楼宇能耗问题为背景，对综合能源常用技术特点进行了介绍，针对一办公楼宇建筑开展能源需求分析和综合能源技术应用设计，通过天然气发电、光伏和储能的互补利用，提高了办公楼宇的能源综合利用效率。

关键词：楼宇；综合能源；天然气分布式能源中图分类号：TK411 文献标志码：A
表1 综合能源常用技术一览表
技术名称
概述
特点
主要适用对象
天然气分布式
能源
将天然气发电系统以小规模、分散式的方式布置在负荷中心或其附近，通过热电联产、冷热电三联供等方式实现能源的梯级利用］（１）一次能源的综合利用率可达７０％以上
（２）可大幅降低因煤炭燃烧产生的污染物排放及环境污染，改善城市空气水平
（３）具有响应速度快、运行灵活的特点，可快速跟踪区域负荷波动或可再生能源出力
变化
（４）在一定的条件下具有良好的黑启动能力，可有效支撑负荷中心的电力供应
（１）工业园区（２）数据中心（３）大型酒店（４）大型办公写字楼
分布式光伏
采用光伏组件将太阳能直接转换为电能，一
般以自发自用、余电上网的方式运行
（１）没有污染气体排放和噪声，可以安静的生产清洁能源（２）安装在建筑屋顶或墙面，无需占用新的土地资源
（３）接近用户负荷就地实现消纳能源，减少电能输送损耗，提高能源利用效率（４）基于太阳光照量与城市负荷的高峰较为吻合，能够削减解城市电力高峰负荷
（１）工商业大型建筑（２）政府和公共机构大型建筑
蓄冷
在用电谷期（晚上）制冷获取低温水或冰存
储蓄冷，在用电峰期（白天）使用释放冷源
供中央空调使用。

一般可分为水蓄冷和冰蓄
冷
（１）水蓄冷：制冷能效高，技术要求低；系统简单，运行可靠，维护费用少；设备的
选择性和可用性范围广；可以利用消防水池、原有蓄水设施或建筑物地下室等作为蓄冷罐（２）冰蓄冷：蓄冷密度大，降温速度快，可实现低温送风；室内相对湿度低，舒适性好；自动化程度高，便于储存，系统运行灵活
（１）大型工业客户
（２）大型商业体（商场或酒
店）
储能
主要包括物理储能、电化学储能和电磁储能。

其中，电储能与其他综合能源技术结合
的灵活性较高
（１）可解决弃风弃光、跟踪计划出力并实现平滑输出，提高可再生能源的并网效益（２）可参与电力辅助服务，主要包括调频服务、电压支持、移峰填谷、备用容量（３）可降低接近过载的输配电节点潮流，延缓输配电设施升级，节省电网投资
（４）通过峰谷套利、需量电费管理，提高用户用能的经济性
（１）大型工业客户（２）大型办公写字楼
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办公写字楼使得企业办公集中化、高效化，与此同时，楼宇的高耗能情况也日益受到关注。

因此，针对办公楼宇设计一套高效的综合能源系统，降低办公能耗成本并提高能源利用效率显得十分必要。

３．１　楼宇概况
2018年，东莞松山湖科技产业园区规划新建一办公楼宇建筑，主要用于某企事业单位日常办公。

该办公楼用地面积7 000 m 2
，建筑面积5 006 m 2
，规划6层建筑并设计21间办公室供约100人办公使用。

３．２　能源需求分析
办公楼宇设计应用何种综合能源技术，一般应先分析其冷热电负荷的需求占比，根据占比大的负荷确定能源供给的关键技术和设备选型，再利用其他技术实现能源均衡的辅助调节，最大程度地提高整体能效水平。

根据该楼宇所在地理位置，广东东莞地区日平均气温≤5℃的天数为0天，可不设采暖，因此楼宇的主要负荷以冷负荷（即空调负荷）为主。

根据该办公楼宇建筑规划，其冷负荷估算如下。

楼宇的空调供应面积为3 415 m 2，冷负荷共523.17 kW，同时使用系数一般按0.7计算，则实际冷负荷需求约为366.22 kW。

按常规多联机组中央空调COP 取3.0计算，则空调负荷的电力需求约为122.07 kW（366.22 kW/3=122.07 kW）。

参照同类建筑耗能状况，选取电负荷设计指标为90W/ m 2，则该办公楼楼宇的总体电负荷约为450.54 kW（5006 m 2×90W/ m 2=450.54kW），则可计算得出除空调负荷外的其他电负荷需求约为328.47 kW （450.54kW~122.07kW=328.47kW）。

３．３　技术选型
为了有效提高能源利用效率，办公楼宇的综合能源技术应优先以天然气分布式能源为基础，耦合分布式光伏和电储能系统，建设先进的微网能源管理系统，实现多能协同供应和能源综合梯级利用。

３．３．１　天然气分布式能源
由于该办公楼宇的冷电需求比接近1∶1（366.22 kW ∶328.47 kW），因此天然气分布式能源的主机选型原则为“以冷定电”，且应按冷负荷不大于122.07 kW 进行机组设备选型。

天然气分布式能源可选的机组一般有燃气轮机、燃气内燃机和微燃机。

对于约100人的小规模办公楼宇，可以选择单机容量较小、投资和运维成本低的微燃机为发电机组，通过烟气型溴化锂机组和螺杆电制冷机组作为冷负荷源，并叠加一套全热回收型空气源热泵作为辅助设备，系统的主要设计原则有4个 。

1）主机采用燃气微燃发电机，余热设备采用烟气型吸收式溴化锂机组。

2）微燃机与烟气型溴化锂机组一一对应，设置旁路烟道与溴化锂烟道混合排放，提高能源的有效利用率。

3）通过余热利用系统及调峰设备满足所有冷热负荷需求，其中以余热利用系统供能保证基本冷热负荷供
应。

4）螺杆式冷水机组以及全热回收型空气源热泵为冷负荷调峰设备，全热回收型空气源热泵为热负荷调峰设备（主要满足生活热水）。

３．３．２　分布式光伏和电储能系统
楼宇的屋顶面积共786 m 2，可用于建设光伏系统的可用地面积约300 m 2。

按照单个光伏组件290 W 的标准功率计算，
表2 负荷估算表
序号
楼层
地点
面积（ｍ２）
高度（ｍ）
冷指标（ｗ／ｍ２）冷负荷（ｋｗ）１一层控制室１６８６．２２１５１４．６２２控制室２３０４．５２００６．００３备品备件室９１４．５１３０１１．８３４配电间３３４．５２３５７．７６５
展厅
５６４．５２１０１１．７６６客户洽谈室２９４．５１６０４．６４７档案室２３４．５１３０２．９９８大堂１２６４．５２２５２８．３５９营业柜台６１４．５２２５１３．７３１０过道１５０４．５６０９．００１１二层
网络机房３０３．６２１０６．３０１２工具房７０３．６１０５７．３５１３视频会议室５４３．６２００１０．８０１４餐厅２９６３．６２３５６９．５６１５过道１３５３．６５０６．７５１６三层会议室３０３．６２００６．００１７服务部２５３．６１６０４．００１８
安全部４５３．６１６０７．２０１９营业部３６６３．６１６０５３．７６２０档案室３３３．６１０５３．４７２１过道１２５３．６５０６．２５２２四层
会议室３０３．６２００６．００２３工程部８０３．６１６０１２．８０２４档案室３３３．６１０５３．４７２５运维部３３８３．６１６０５４．０８２６过道１００３．６５０５．００２７五层管理用房１３０３．７１６０２０．８０２８会议室１９３．６２００３．８０２９党群活动室３６３．７１６０５．７６３０创新工作室６７３．６１６０１０．７２３１备品备件室１５８３．６１６０２５．２８３２综合部８１３．６１６０１２．９６３３过道１００３．６５０５．００３４六层值班室４８３．６１６０７．６８３５
应急指挥中心
６２３．６２２５１３．９５３６多功能厅１６７３．６２３５３９．２５３７
过道
９０３．６５０４．５０合计
３　４１５
—
—
５２３．１７
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每10块组件为一个方阵单元，光伏系统组件数量为80块，故可设计总容量为23.2 kW 的分布式光伏系统，同时可降低屋顶环境温度，减少室内空调的用电负荷。

另外，增加一套容量为200 kWh 的电储能系统与分布式光伏组网运行（图1），按照以下运行方式实现能源利用的最大化。

1）光伏系统在白天发电充足时，发的电优先通过办公楼宇的用电负载实现本地消纳，多余的电能通过交直流变换器存储在电储能电池中。

2）光伏系统在夜晚或阴雨天发电量小于用电时，储能电池中储存的能量将通过交直流变换器释放出来，供办公负载使用，减少楼宇的市电使用。

３．３．３　微网能源管理系统
微网能源管理系统，可以对楼宇的发电设备（燃气发电机、分布式光伏）、储能设备、负荷设备（溴化锂机组、电空调、空气源热泵、电动车充电桩等）进行状态监控和能效分析，系统架构及总体功能如下。

1）系统采用开放式、分层全分布系统结构，通过站控层、通信层、间隔层实现数据的分布管理。

2）构建各类能耗模型（包括整体能耗、区域能耗、重点设备能耗）展示，辅助制定能效管理策略，优化系统设备的运行控制，降低系统能耗。

3）具备包括报表管理、运行计划管理、用户管理等模块的系统运维管理功能，实现数据报表分析处理、自动调节冷源运行模式、用户多级权限控制。

4）可以实现室内灯光高效照明、自动遮光窗帘、通风及空调自动控制、智能会议场景的楼宇智能管理。

４　结论
针对日益发展的办公楼宇能耗问题，该文对一办公楼宇的冷、热、电负荷进行了深入分析，重点根据建筑的空调供应面积进行主要负荷估算，综合天然气分布式能源、分布式光伏、电储能等主要技术进行综合能源系统设计，得到结论有3点。

1）南方地区办公楼宇冷电负荷需求接近，采用天然气分布式能源的主机选型原则为“以冷定电”，可以通过溴化锂机组和空气源热泵实现冷热负荷调节，提高能源利用率。

2）分布式光伏与电储能系统可相互协同配合，实现可再生能源优先本地消纳和富余存储再利用，降低终端用户的用电成本。

3）各类综合能源技术设备的应用，形成了一个小型微电网。

通过能源管理系统实现各种能源设备的运行监控与辅助分析，可协调优化整体系统的运行控制，提高楼宇能效水平。

参考文献
[1]张宇帆，艾芊，郝然，等.基于机会约束规划的楼宇综合能源系统经济调度[J].电网技术，2019（1）：108-116.[2]唐扬，杨霞.大型楼宇可再生能源综合利用技术[J].建设科技，2010（10）：104-106.
图1 分布式光伏和电储能系统示意图
隔离开关
汇流箱
隔离开关隔离开关隔离开关
充电机
光伏DC 变换器
电池管理系统
储能电池系统
直流电能转换系统集成柜
电池组
直流稳压变换器
负载
储能双向DC 变换器
隔离开关
L1
L2L3。