多能互補(bǔ)技術(shù)在工業(yè)化辦公建筑中應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性分析

黃凱霖 謝 玲 王 曦 盧 軍

（重慶大學(xué) 重慶 400044）

0 引言

辦公建筑是高耗能建筑。國(guó)家發(fā)改委能源研究所、住建部數(shù)據(jù)顯示，國(guó)家機(jī)關(guān)辦公建筑和大型公共建筑年耗電量約占全國(guó)城鎮(zhèn)總耗電量的22%，每平方米年耗電量是普通民居的10～20倍[1]。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和城鎮(zhèn)化的發(fā)展，辦公建筑的能耗必定還會(huì)進(jìn)一步增加。進(jìn)入新世紀(jì)以來，能源短缺帶給人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的壓力越來越大，節(jié)約能源并開發(fā)可替代化石能源的新能源成為擺在人類面前亟待解決的重大挑戰(zhàn)。隨著化石能源燃燒給環(huán)境帶來的壓力越來越大，以及能源供求矛盾的日趨嚴(yán)峻，新能源的開發(fā)利用已成為備受矚目的研究熱點(diǎn)。但新能源一般具有不穩(wěn)定、不利于系統(tǒng)平衡的缺點(diǎn)，因此，尋求將多種能源綜合互補(bǔ)、高效利用的有效途徑與方法，逐步成為能源領(lǐng)域可持續(xù)發(fā)展的研究方向之一。

建筑工業(yè)化是以構(gòu)件預(yù)制化生產(chǎn)、裝配式施工為生產(chǎn)方式，以設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化、構(gòu)件部品化、施工機(jī)械化、管理信息化為特征，能夠整合設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工等整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈，實(shí)現(xiàn)建筑產(chǎn)品節(jié)能、環(huán)保、全生命周期價(jià)值最大化的可持續(xù)發(fā)展的新型建筑生產(chǎn)方式，是建筑業(yè)從分散、落后的手工業(yè)生產(chǎn)方式逐步過渡到以現(xiàn)代技術(shù)為基礎(chǔ)的大工業(yè)生產(chǎn)方式的全過程，是建筑業(yè)生產(chǎn)方式的變革。建筑工業(yè)化可以提高建設(shè)效率、提升建筑品質(zhì)、低碳節(jié)能，符合可持續(xù)發(fā)展，是未來建筑產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型方向。

本文基于DeST構(gòu)造的成都地區(qū)建筑模型，對(duì)單一能源系統(tǒng)和多能互補(bǔ)系統(tǒng)在建筑中的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能環(huán)保性進(jìn)行比照，分析多能互補(bǔ)系統(tǒng)在工業(yè)化辦公建筑中應(yīng)用的性能表現(xiàn)，對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用具有參考價(jià)值和指導(dǎo)意義。

1 多能互補(bǔ)技術(shù)概述

1.1 多能互補(bǔ)概念

多能互補(bǔ)是一種能源政策，即按照不同資源條件和用能對(duì)象，采取多種能源互相補(bǔ)充，以緩解能源供需矛盾，合理保護(hù)自然資源，促進(jìn)生態(tài)環(huán)境良性循環(huán)。

多能互補(bǔ)系統(tǒng)在發(fā)揮各種能源優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，彌補(bǔ)了單一能源系統(tǒng)的缺陷，有利于用能對(duì)象根據(jù)既有條件因地制宜的開發(fā)利用可再生的環(huán)境友好型分布式能源，減少化石能源的消耗，實(shí)現(xiàn)大幅度節(jié)能減排的目標(biāo)，緩解化石能源消耗帶來的環(huán)境問題。

1.2 我國(guó)多能互補(bǔ)的研究和發(fā)展

中國(guó)從80年代初開始制訂的能源政策，要求逐步改變單一以煤為主的能源格局，盡可能開發(fā)利用其他能源資源，包括煤、石油、天然氣和核能的合理利用，特別是要不斷提高新能源和可再生能源的比重。為實(shí)現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展，政府以及學(xué)者正在積極的探索新的能源利用方式。目前我國(guó)對(duì)于多種可再生能源聯(lián)合互補(bǔ)利用的研究尚處于起步研究階段[2]。

張亨洋建立了基于200MW火電廠發(fā)電機(jī)組和槽式熱發(fā)電系統(tǒng)的光煤互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型并對(duì)該系統(tǒng)集熱場(chǎng)的集成模式進(jìn)行了優(yōu)化分析，對(duì)推廣光煤互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)有很好的指導(dǎo)意義[3]。齊學(xué)義等人提出了一種適合西部地區(qū)的可再生能源與化石能源組合的分布式能源多能互補(bǔ)系統(tǒng)方案[4]。韓巍提出了天然氣和煤綜合互補(bǔ)利用的新方法，實(shí)現(xiàn)了天然氣和煤的高效清潔利用。李洪強(qiáng)提出了天然氣與生物質(zhì)互補(bǔ)的甲醇動(dòng)力串聯(lián)型多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，不但實(shí)現(xiàn)了天然氣和生物質(zhì)的碳?xì)浣M分互補(bǔ)，還實(shí)現(xiàn)了合成氣化學(xué)能的梯級(jí)利用[5]。張世平等人通過對(duì)我國(guó)能源儲(chǔ)備供能系統(tǒng)的安全與分布式能量系統(tǒng)發(fā)展的分析，提出基于生物質(zhì)能和天然氣互補(bǔ)的分布式能量系統(tǒng)[6]。高丹丹等人通過對(duì)風(fēng)能水能，太陽能和生物質(zhì)能的發(fā)電原理簡(jiǎn)述，探討了目前國(guó)內(nèi)風(fēng)水互補(bǔ)、風(fēng)光互補(bǔ)、光生互補(bǔ)以及風(fēng)光生等多種能源聯(lián)合互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究成果，明確了我國(guó)對(duì)于多種可再生能源聯(lián)合互補(bǔ)發(fā)電的研究尚處于起步研究階段，并對(duì)其發(fā)展的前景持有積極的態(tài)度[7]。連小龍通過對(duì)多種可再生能源互補(bǔ)的聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)研究，構(gòu)建了一套多種可再生能源互補(bǔ)的聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)的熱力學(xué)性能進(jìn)行了模擬分析，對(duì)于滿足人們用能需求緩解能源供需矛盾有著重要意義[8]。高海濤構(gòu)建了風(fēng)能-太陽能-沼氣集成系統(tǒng)，研究了冬季工況和春季工況下系統(tǒng)的總體性能，并對(duì)其經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行了評(píng)價(jià)[9]。孟祥德等人提出了一種多種形式可再生能源集成互補(bǔ)利用的供暖供冷系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用了太陽能、生物質(zhì)能、地?zé)崮?，將三種形式可再生能源集成互補(bǔ)利用，克服了單一形式可再生能源系統(tǒng)具有的不穩(wěn)定性缺點(diǎn)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性[10]。陳新等人針對(duì)西藏阿里地區(qū)獨(dú)特的自然地理?xiàng)l件，提出了集合傳統(tǒng)水能與風(fēng)光的各自優(yōu)勢(shì)的一種新的多能互補(bǔ)開發(fā)方式[11]。

2 基于成都某辦公樓的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

2.1 模型建立

采用DeST軟件，根據(jù)建筑模型的平面圖建立模型，并設(shè)置相應(yīng)參數(shù)[12]。

2.1.1 模型介紹

本文研究模型選用成都地區(qū)某綜合建筑群中的一棟典型辦公建筑，建筑總建筑面積15330m2，其中空調(diào)面積13328.75m2，建筑總高度39.9m。地上共9層，層高4.2m（其中一層大廳層高5.4m），地下1層主要作為停車庫(kù)、設(shè)備用房并連接其他建筑群。建筑主要朝向?yàn)槟舷颉Ｔ撧k公建筑模型的房間功能主要有大廳、普通辦公室、會(huì)議室、資料室、接待室、高檔辦公室、衛(wèi)生間等幾種。其中，2層為主要會(huì)議室，3層為資料室和閱覽室，4-6層為辦公（含會(huì)議），7-9層為預(yù)留發(fā)展用房，如圖1所示。

圖1 某辦公建筑模型三維視圖Fig.1 3D view of an office building model

表1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造、厚度和傳熱系數(shù)Table 1 Structure,thickness and heat transfer coefficient of enclosure structure

表2 不同朝向窗墻面積比Table 2 The ratio of the area of the window to the wall with different orientations

北0.44

2.1.2 內(nèi)部設(shè)計(jì)參數(shù)

依據(jù)《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50736-2012）和《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50189-2015），確定各類型建筑空調(diào)室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)，如表3所示。

表3 各類房間室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)Table 3 Interior design parameters of all types of rooms

辦公建筑作息時(shí)間和熱擾參數(shù)設(shè)置參考《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB50189-2015中附錄B中給出的空調(diào)運(yùn)行時(shí)間表和人員、照明、設(shè)備參數(shù)等。

普通辦公室空調(diào)開啟時(shí)間按7∶00～20∶00設(shè)置，照明密度11W/m2，人員占有率10m2/人，新風(fēng)量按每人30m3/h，電器設(shè)備功率密度20W/m2。普通辦公室應(yīng)適當(dāng)考慮加班情況。

表4 普通辦公室作息時(shí)間表Table 4 Schedule of general office

高檔辦公室與普通辦公室的主要區(qū)別在于人員工作時(shí)間，以及人員密度、照明設(shè)備等密度。高檔辦公室不考慮加班情況，周末不考慮上班情況。高檔辦公室空調(diào)開啟時(shí)間按7∶00～18∶00設(shè)置，新風(fēng)按每人45m3/h標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算。

表5 高檔辦公室作息時(shí)間表Table 5 Schedule of top office hours

2.1.3 建筑總冷熱負(fù)荷分析

通過系統(tǒng)全年8760小時(shí)逐時(shí)負(fù)荷計(jì)算，可以得到成都地區(qū)夏季（6月～9月）逐時(shí)冷負(fù)荷，如圖2所示。其中高溫天氣主要集中在7、8月份，6、9月冷負(fù)荷均小于1300kW。最大冷負(fù)荷為1763.65kW（冷負(fù)荷指標(biāo)132.32W/m2），出現(xiàn)在7月23日，星期一。根據(jù)四川地區(qū)辦公建筑使用行為調(diào)研，將能耗模擬時(shí)的供冷季設(shè)為6月15日至9月15日，總計(jì)93天。

圖2 夏季逐時(shí)冷負(fù)荷Fig.2 Hourly cooling load in summer

同時(shí)可以計(jì)算得到成都地區(qū)冬季（11月～次年3月）逐時(shí)熱負(fù)荷。通過觀察冬季及部分過渡季節(jié)逐時(shí)負(fù)荷發(fā)現(xiàn)，3月、11月熱負(fù)荷基本在600kW以下，冬季最大熱負(fù)荷出現(xiàn)在1月8日（星期一），為1188kW（熱負(fù)荷指標(biāo)為89.15W/m2）。根據(jù)四川地區(qū)辦公建筑使用行為調(diào)研，將能耗模擬時(shí)的供熱季設(shè)為11月15日至次年2月28日，總計(jì)106天。

圖3 冬季逐時(shí)熱負(fù)荷Fig.3 Hourly heating load in winter

通過對(duì)冬夏季最大逐時(shí)負(fù)荷的模擬可以看出，最大負(fù)荷時(shí)刻都出現(xiàn)在星期一，符合辦公建筑的使用特點(diǎn)。建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的蓄熱作用使得工作日的第一天需要更多的冷（熱）量來去除周末受室外氣溫的影響。

2.2 經(jīng)濟(jì)性分析

2.2.1 傳統(tǒng)單一能源系統(tǒng)

（1）設(shè)備選型

成都地區(qū)的主要能源是電能，因此，選用電能作為傳統(tǒng)單一能源系統(tǒng)的唯一能源。選用電能驅(qū)動(dòng)主機(jī)，設(shè)備型號(hào)及參數(shù)如表6所示。

表6 單一能源系統(tǒng)設(shè)備選型表Table 6 Equipment selection of single energy system

續(xù)表6 單一能源系統(tǒng)設(shè)備選型表

（2）初投資

表7 單一能源系統(tǒng)初投資分析表Table 7 Analysis of initial investment in a single energy system

固定費(fèi)包括設(shè)備折舊費(fèi)、占有空間費(fèi)、利息和稅金等?，F(xiàn)不計(jì)設(shè)備殘值及稅金，將初投資P折成等額年金，即為固定費(fèi)A：

式中：i為年利率，取10%；n為折舊年限，取20年。

按式（1）計(jì)算可得：固定費(fèi)A=17.17萬元。

（3）運(yùn)行費(fèi)用

運(yùn)行費(fèi)包括能耗費(fèi)（即水費(fèi)、電費(fèi)、燃料費(fèi)）、維修費(fèi)、人工費(fèi)等。民用建筑空調(diào)系統(tǒng)滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間很短，大部分時(shí)間處于部分負(fù)荷狀態(tài)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，一般建筑空調(diào)負(fù)荷分別如下：空調(diào)負(fù)荷率75%-100%占運(yùn)行時(shí)間的10%，空調(diào)負(fù)荷率50%-75%占運(yùn)行時(shí)間的50%，空調(diào)負(fù)荷率25%-50%占運(yùn)行時(shí)間的30%，空調(diào)負(fù)荷率＜25%占運(yùn)行時(shí)間的10%。因此，在計(jì)算能耗時(shí)，須考慮建筑的負(fù)荷分布規(guī)律和設(shè)備的部分負(fù)荷特性及調(diào)節(jié)方式，年能耗E為：

式中：ej為設(shè)備j的小時(shí)額定能耗；τj為設(shè)備j的年運(yùn)行時(shí)間；ζj為設(shè)備j的平均負(fù)荷率。

運(yùn)行費(fèi)用按式（2）計(jì)算，如表8所示。

表8 單一能源系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用分析表Table 8 Operating cost analysis of single energy system

（4）年經(jīng)營(yíng)費(fèi)

年經(jīng)營(yíng)費(fèi)為固定費(fèi)與運(yùn)行費(fèi)之和。年經(jīng)營(yíng)費(fèi)越低的方案，越經(jīng)濟(jì)。經(jīng)分析可得，傳統(tǒng)單一能源方案的年經(jīng)營(yíng)費(fèi)用為：固定費(fèi)17.17萬元+年運(yùn)行費(fèi)283.36萬元=300.53萬元。

（5）一次能源消費(fèi)和碳排放

按照電能 1MWh=122/（0.9×0.39）=349kg 標(biāo)準(zhǔn)煤（式中0.9為輸配電效率，0.39為電廠熱效率），1kg標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒產(chǎn)生2.79kgCO2的換算關(guān)系計(jì)算，傳統(tǒng)單一能源系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)煤耗量為3126.18MWh×349kg標(biāo)準(zhǔn)煤=1091.04t標(biāo)準(zhǔn)煤/a，折算二氧化碳排放量為 632.55MWh×349kg 標(biāo)準(zhǔn)煤×2.79kgCO2=3044.0tCO2/a。

2.2.2 多能互補(bǔ)系統(tǒng)：太陽能+河水源熱泵

（1）設(shè)備選型

成都地區(qū)河流眾多，適合河水源熱泵系統(tǒng)的推廣使用。同時(shí)，成都地區(qū)也具有一定的太陽能資源，雖然不穩(wěn)定，但通過多能互補(bǔ)系統(tǒng)可以通過太陽能發(fā)電技術(shù)開發(fā)利用。因此，該多能互補(bǔ)方案采用河水源熱泵系統(tǒng)，通過太陽能電池板發(fā)電為該辦公樓供應(yīng)電能，不足部分由市電提供。

根據(jù)空調(diào)負(fù)荷選擇匹配的主機(jī)，如表9所示。對(duì)于河水源熱泵系統(tǒng)，負(fù)荷側(cè)冷凍水的供回水溫度為：7℃/12℃，按照Q=cMΔt經(jīng)計(jì)算可得水環(huán)路的流量為234m3/h。

表9 河水源熱泵系統(tǒng)設(shè)備選型表Table 9 Equipment selection of river water source heat pump system

（2）初投資

河水源熱泵系統(tǒng)初投資如表10所示。

表10 河水源熱泵系統(tǒng)初投資價(jià)格表Table 10 Initial investment price list of river water source heat pump system

按式（1）計(jì)算可得：固定費(fèi)A=16.42萬元。

（3）運(yùn)行費(fèi)用

運(yùn)行費(fèi)用按式（2）計(jì)算，如表11所示。

表11 多能互補(bǔ)系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用分析Table 11 Analysis of operating cost of multi energy complementary system

（4）光伏發(fā)電經(jīng)濟(jì)性分析

目前，光伏發(fā)電晶硅電池組件的市場(chǎng)價(jià)大約為0.703美元/瓦，推算到光伏發(fā)電的成套設(shè)備的市場(chǎng)價(jià)大約為1.4-1.5美元/W，折合成人民幣不到10元/W，即10000元/kW。按照國(guó)家目前的政策，光伏發(fā)電上網(wǎng)按脫硫電價(jià)0.43元/kWh，并加上額外的補(bǔ)貼0.45元/kWh，即總價(jià)為0.88元/kWh。研究表明，光伏發(fā)電設(shè)備的效力每年平均降低不多于1%，因而可不考慮效率的降低。設(shè)備壽命按照普遍認(rèn)可的壽命為25年計(jì)算。

假設(shè)該辦公樓的光伏發(fā)電設(shè)備裝機(jī)容量為n（kW），則初投資約為n萬元，由式（1）計(jì)算可得，A'=0.11n萬元；n（kW）的發(fā)電機(jī)組每年發(fā)電時(shí)間按t小時(shí)計(jì)算，則發(fā)電量為nt（kWh）。每度電的電價(jià)按照0.88元計(jì)算，則每年節(jié)約電費(fèi)0.88nt元。

（5）年經(jīng)營(yíng)費(fèi)

年經(jīng)營(yíng)費(fèi)為固定費(fèi)與運(yùn)行費(fèi)之和。經(jīng)分析可得，多能互補(bǔ)系統(tǒng)的年經(jīng)營(yíng)費(fèi)用為：熱泵系統(tǒng)固定費(fèi)16.42萬元+熱泵系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)129.05萬元=144.47萬元，即多能互補(bǔ)系統(tǒng)年經(jīng)營(yíng)費(fèi)用為：144.47萬元。

（6）一次能源消費(fèi)和碳排放

多能互補(bǔ)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)煤耗量為1411.62MWh×349kg標(biāo)準(zhǔn)煤=492.66t標(biāo)準(zhǔn)煤/a，折算二氧化碳排放量為 1411.62MWh×349kg標(biāo)準(zhǔn)煤×2.79kgCO2=1374.51tCO2/a。

2.3 結(jié)論

將上述分析過程整理如表12所示。

表12 單一能源系統(tǒng)和多能互補(bǔ)系統(tǒng)比較結(jié)果Table 12 Comparison results of single energy system and multi energy complementary system

易得：多能互補(bǔ)系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)、節(jié)能、減排等方面都優(yōu)于傳統(tǒng)的單一能源系統(tǒng)，因此，太陽能+河水源熱泵的多能互補(bǔ)方式在成都地區(qū)應(yīng)用具有優(yōu)勢(shì)，能夠發(fā)揮很好的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)和環(huán)境效益。

3 結(jié)語

在節(jié)能減排趨勢(shì)不斷向前發(fā)展的時(shí)代背景下，多能互補(bǔ)系統(tǒng)因具有的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性、低耗節(jié)能性、低碳環(huán)保性等特性，可以在滿足人們辦公需求的情況下因地制宜地開發(fā)利用建筑周邊新能源資源，降低辦公建筑這類高耗能公共建筑的能耗，對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)健康可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生積極的影響。

在建筑工業(yè)化背景下，多能互補(bǔ)系統(tǒng)未來將與之相結(jié)合，相應(yīng)的設(shè)備系統(tǒng)將呈現(xiàn)整體化、集成化的發(fā)展趨勢(shì)。多能互補(bǔ)技術(shù)與建筑工業(yè)化結(jié)合，需要研發(fā)者制定相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，來實(shí)現(xiàn)多能互補(bǔ)系統(tǒng)的更多兼容，促進(jìn)多能互補(bǔ)系統(tǒng)在工業(yè)化建筑中的應(yīng)用。