上海辦公建筑節(jié)能改造技術研究

謝 立寇玉德

1上海市能效中心

2上海市建筑建材業(yè)市場管理總站

研究背景

當前，在上海市建筑節(jié)能各領域中，既有公共建筑節(jié)能改造依然是當前建筑節(jié)能工作的主要內容之一。根據(jù)《2016年上海年鑒》，截止2015年，上海房屋總計120 390萬m2，非居住房屋有57 383萬m2。此外，上海市于2005年前建成的公共建筑約有2億m2，這些建筑至今已運行10年以上，設備的老化及當時尚未執(zhí)行節(jié)能標準等因素造成運行能耗大，對全市的建筑節(jié)能工作影響很大。為促進既有公共建筑節(jié)能改造工作的開展，上海市相繼出臺扶持政策大力推動既有公共建筑節(jié)能改造的示范。

“十三五”期間，公共建筑節(jié)能改造仍將是上海建筑節(jié)能工作的重點，有必要在既有公共建筑節(jié)能改造的基礎上，對項目中各項節(jié)能改造技術進行歸納梳理、總結經驗以指導上海地區(qū)公共建筑節(jié)能改造工作更好開展。

1 上海辦公建筑情況

根據(jù)上海市住房和城鄉(xiāng)建設管理委員會和上海市改革和發(fā)展委員會發(fā)布的《2016年度上海市國家機關辦公建筑和大型公共建筑能耗監(jiān)測及分析報告》（以下簡稱2016年度報告）：截至2016年12月31日，接入到上海市國家機關辦公建筑和大型公共建筑能耗監(jiān)測中心平臺的公共建筑有1 501棟，總建筑面積6 572.2萬m2，辦公建筑約占45%，其中機關辦公182棟，數(shù)量占比為12.1%，總建筑面積368.4萬m2；辦公建筑497棟，數(shù)量占比為33.1%，總建筑面積2 189.1萬m2。根據(jù)《2016年上海年鑒》，截止2015年，上海非居住房屋有57 383萬m2，其中辦公樓為7 343萬m2，占比約為13%。因此，研究上海的辦公建筑節(jié)能改造技術是推進上海公共建筑節(jié)能改造的一項重要工作。

2 辦公建筑分布特點

本文的研究工作主要基于上海27個既有辦公建筑節(jié)能改造項目。辦公類項目總建筑面積150.24萬m2。辦公建筑進一步可細分為商務辦公建筑和機關辦公建筑，其數(shù)量和面積分布如圖1和圖2所示。其中，商務辦公建筑數(shù)量較多，占總數(shù)的比例達到85%，面積比例達到84%。

圖1 辦公建筑數(shù)量分布

圖2 辦公建筑面積分布

如圖3所示，從辦公類項目建造年代看，主要分布在1991～2005年之間建造，占到項目辦公建筑總數(shù)的89%。

圖3 辦公建筑年代分布

3 辦公建筑用能分析

根據(jù)2016年度報告，國家機關辦公建筑年用電強度合理值為109kWh/（m2·a）,辦公建筑年用電強度合理值為115kWh/（m2·a）。改造前機關辦公類項目最大單位面積能耗為176 kWh/（m2·a），最小為104 kWh/（m2·a），平均為138 kWh/（m2·a）。商務辦公類項目最大單位面積能耗為196 kWh/（m2·a），最小為 50 kWh/（m2·a），平均為 122 kWh/（m2·a）。

3.1 辦公建筑用能特點

辦公建筑自身的建筑特點決定了其獨特的能耗特點。影響辦公建筑能耗的因素主要包括圍護結構、暖通空調、照明系統(tǒng)和辦公設備系統(tǒng)等。辦公建筑用能特點如下：

（1）圍護結構對能耗影響相對較大：辦公建筑造型豐富，建筑形體較復雜，窗墻比較大。圍護結構熱工性能的特點與建筑建造年代有密切的關系。2005年《公共建筑節(jié)能設計標準》(GB50189-2005)發(fā)布前建造的辦公建筑，其建筑填充墻材多為實心黏土磚、空心黏土磚或加氣混凝土砌塊等，熱工性能較差，一般在2.0W/（m2·K）左右。2005年后建造的辦公建筑，圍護結構的熱工性能有了較大的提升。如墻體保溫材料種類有硬泡聚氨酯、巖棉板、擠塑聚苯板、保溫砂漿等，墻體傳熱系數(shù)一般在 1.0W/（m2·K）左右。辦公類項目改造前采用節(jié)能窗戶的比例較低，多數(shù)辦公建筑外窗傳熱系數(shù)在4.7～6.4 W/（m2·K）之間。

（2）辦公建筑空調負荷特點是工作時間穩(wěn)定，使用功能單一。辦公建筑的空調負荷主要為辦公、會議及相關配套服務；特殊區(qū)域用能設備主要是網(wǎng)絡機房的用電和空調。

（3）辦公建筑中的照明和設備電耗有很強的規(guī)律性，與人均辦公面積、工作時間等關系密切。其節(jié)能潛力在于降低非工作時間段的辦公電器待機電耗、選用節(jié)能的電腦設備。

（4）電熱開水器、電梯、給排水泵等建筑物內綜合服務設備，其耗電量在辦公建筑中占5%～10%的比例。這類設備的能耗特點是：往往只有很少一部分時間工作在額定功率下、啟停或功率變化頻繁，具有較大的隨機性。

（5）特殊功能設備電耗高。據(jù)統(tǒng)計，200m2左右的信息中心全年耗電量能占到2～3萬m2辦公建筑全年電耗的30%～40%。

此外，多數(shù)機關辦公建筑由于投入使用年限較久、設備老化程度較高、用能人數(shù)增長較快等原因，導致總體能耗呈逐年上升趨勢，能耗總量控制壓力加大。

3.2 辦公建筑用能結構

在辦公類建筑中，能源消耗形式有電力、天然氣、燃油等。電力主要用于空調、照明、插座、動力等，同時也是主要的耗能形式。天然氣、燃油等其他燃料主要用于集中空調的供暖。

某商務辦公項目總建筑面積144 241m2，空調系統(tǒng)形式為離心式冷水機組+電鍋爐，能源消耗形式為電力，基準年能耗為14 011 375kWh。全年能耗數(shù)據(jù)構成如圖4所示。由圖4可看出，暖通空調系統(tǒng)能耗最大，占全部能耗的37.48%；照明系統(tǒng)能耗占總能耗的29.53%，室內設備系統(tǒng)能耗占總能耗的24.28%，這兩個系統(tǒng)的耗電量也相對較高；綜合服務系統(tǒng)（包括電梯、水泵等）占總能耗的3.62%，特殊功能區(qū)能耗占總能耗的1.33%；其余用能都并入“其他”，占總能耗的3.75%。

圖4 典型辦公建筑能耗組成

由圖5可以看出，該辦公樓的用電高峰出現(xiàn)在1月、2月和12月，主要是由于大樓的冬季采暖全部使用電加熱鍋爐，用高品味的電能直接轉化為低品位的熱能進行采暖，熱效率低，運行負荷高；這期間處于冬季氣溫最低時段，采暖負荷高，耗電量很大。用電量次高峰出現(xiàn)在7月和8月，此期間為夏季空調供冷主要時期，室外氣溫高，室內空調冷負荷高，空調系統(tǒng)耗電量較大。

圖5 典型辦公大樓逐月用電量

該辦公樓的空調通風系統(tǒng)涉及的區(qū)域和用能范圍很廣，能耗占總能耗比例很大，現(xiàn)對其進行進一步的能耗拆分，以明確系統(tǒng)中各用能設備的具體能耗量情況。從圖6可以看出，空調系統(tǒng)中，冷水機組電耗占空調系統(tǒng)電耗的33.63%，新風空調機電耗占空調系統(tǒng)電耗的18.83%，冷水泵電耗占空調系統(tǒng)電耗的14.88%，送排風機電耗占空調系統(tǒng)電耗的1.38%，風機盤管電耗占空調系統(tǒng)電耗的28.62%，冷卻塔占空調系統(tǒng)電耗的2.66%。冷水機組和新風空調機組是主要的空調電能消耗設備。

圖6 典型辦公大樓空調通風系統(tǒng)電耗比例

辦公大樓采暖系統(tǒng)采用電加熱鍋爐，能耗消耗量較大，現(xiàn)對其進行進一步的能耗拆分，明確系統(tǒng)中各能耗設備的能耗量情況。從圖7可看出，采暖系統(tǒng)中，鍋爐系統(tǒng)能耗占采暖系統(tǒng)能耗的70%，為主要耗能設備；末端風機盤管和新風機組電耗占采暖系統(tǒng)能耗的27.15%，為次要耗能設備；采暖泵電耗占采暖系統(tǒng)能耗的2.37%。

圖7 采暖系統(tǒng)能耗比例

4 節(jié)能改造技術

辦公建筑的能耗一般可分為空調能耗、照明能耗、插座能耗、電梯和給排水等綜合服務設備能耗以及其他能耗。節(jié)能改造項目涉及的節(jié)能改造技術措施多達百種，常用的節(jié)能改造涉及圍護結構、供暖通風空調、照明系統(tǒng)等（見圖8）。

圖8 辦公建筑主要用能系統(tǒng)改造的頻率分布

4.1 圍護結構

4.1.1 外窗改造

建筑外窗是整個建筑圍護結構中熱工性能最薄弱的部分。外窗改造可采用整窗拆換、加窗及窗扇改造等多種節(jié)能改造措施，改善外窗的熱工性能。外窗的改造通常包括拆換、加窗、貼膜、遮陽等方式。

4.1.2 外墻、屋面保溫改造

外墻、屋面保溫改造是指采用一定的固定方式（粘結、機械錨固、粘貼+機械錨固、噴涂、澆注等），把導熱系數(shù)較低的絕熱材料與建筑物固定一體，增加墻體的平均熱阻值，從而達到保溫或隔熱效果。外墻保溫改造適用于窗（墻）比較小、外墻熱工性能差的公共建筑。屋面保溫改造適用于屋面面積占外圍護結構面積比例較大的建筑。從項目應用情況看，外墻保溫改造通常結合建筑外立面改造、屋面防水改造同時進行，節(jié)能效果較為明顯。

4.2 供暖通風空調

4.2.1 主機、輸配系統(tǒng)與末端更換

（1）更換冷熱源機組

將使用時間久、效率低下的冷熱源機組更換為效率較高的離心式冷水機組、螺桿式冷水機組、空氣源熱泵機組、磁懸浮離心式冷水機組、熱源塔熱泵機組或者燃氣鍋爐等，以提高機組效率、降低能耗。

（2）更換水泵、風機和冷卻塔

更換水泵是指采用更高效的冷水泵、熱水泵替代原有老舊、效率低下、流量或揚程不匹配的水泵，從而降低輸配系統(tǒng)能耗。更換風機是指采用更高效率的風機替代原來老舊、效率低下的風機，從而降低空調系統(tǒng)的風機能耗。更換冷卻塔是指采用更高效的冷卻塔替代原來老舊、冷卻能力低下的冷卻塔，從而提升冷卻塔的冷卻能力。

4.2.2 主機、輸配系統(tǒng)與末端變頻

（1）離心式冷水機組變頻

離心式冷水機組安裝變頻器后可加大機組運行范圍，并大幅提高機組部分負荷性能，使機組始終處于節(jié)能高效運行狀態(tài)，同時可降低機組啟動電流，避免機組頻繁啟停，延長設備使用壽命。

（2）輸配系統(tǒng)變頻

輸配系統(tǒng)變頻是指通過采用變頻技術改變集中空調系統(tǒng)水泵和風機轉速，調節(jié)管道流量，以取代閥門調節(jié)及旁通方式。

（3）冷卻塔變頻

冷卻塔變頻是指根據(jù)冷卻塔的出水溫度通過冷卻塔風機變頻器調整風機的轉速，實現(xiàn)冷卻塔的節(jié)能運行。冷卻塔風機變頻適合長期處于部分負荷工況運行下的公共建筑改造。

4.3 照明與插座

4.3.1 采用高效節(jié)能光源和燈具

采用高效節(jié)能光源和燈具替換傳統(tǒng)光源（如球泡、熒光燈泡、白熾燈泡）或燈具。LED燈具適用于所有公共建筑，對地下車庫、走道、大廳等公共區(qū)域的傳統(tǒng)燈具或光源可采用性能參數(shù)滿足要求的LED照明燈具或光源直接替換，同時配合智能控制方式實現(xiàn)節(jié)能降耗。LED照明具有節(jié)能、經濟，使用壽命長，通用性好等優(yōu)點。

4.3.2 智能照明控制

智能照明系統(tǒng)控制是照明節(jié)能設計優(yōu)化的重要措施，智能照明控制應根據(jù)某一區(qū)域的功能、使用時間、室外環(huán)境對該區(qū)域的影響及該區(qū)域的用途來進行智能照明控制。采用集中控制、定時控制、感應開關控制等多種方式，可減少燈具啟用時間，從而實現(xiàn)節(jié)能降耗。

4.3.3 節(jié)能插座與智能插座

節(jié)能插座是指通過設置插在主控孔上電器的開機/關機狀態(tài)，自動實現(xiàn)開啟和關閉其他受控孔的電源插座，從而減少電器待機能耗，達到省電目的。

智能插座是指在插座內設置WiFi模塊，通過智能手機的客戶端進行功能操作的電源插座，遙控插座通斷電流，設定插座的定時開關。采用智能插座，對辦公輔助設備進行控制。通過對智能插座進行屬性定義（定時、延時）和開關設置，實現(xiàn)下班后設備及時自動關閉，減少能耗浪費。

5 節(jié)能改造效果分析

圖9是辦公建筑節(jié)能改造技術使用頻率Top 10排名。從圖中可以看出，對于辦公建筑，非節(jié)能燈具更換為LED燈具的使用頻率最高，在27個項目中出現(xiàn)了20次。除此之外，集中空調系統(tǒng)的水泵變頻、空氣源熱泵機組以及冷凍機房的群控使用比例較高。相對于其他類型的公共建筑，圍護結構對辦公建筑能耗的影響較大，單層玻璃更換為雙層玻璃以及外窗貼膜技術均出現(xiàn)在使用頻率前十的排名。

圖9 辦公建筑節(jié)能改造技術使用頻率Top 10排名

圖10是辦公建筑節(jié)能改造技術節(jié)能率Top10排名。從圖中可以看出，對于辦公建筑，某辦公樓將燃油鍋爐+蒸汽型溴化鋰吸收式冷水機組更換為多聯(lián)式空調（熱泵）機組，節(jié)能率達到16.5%。此外，空氣源熱泵機組、LED燈具和高效離心式冷水機組也有上佳的性能表現(xiàn)。

圖10 辦公建筑節(jié)能改造技術節(jié)能率Top10排名

商務辦公建筑改造后單位面積能耗平均值為93.44kWh/m2，機關辦公建筑改造后單位面積能耗平均值為105.82kWh/m2。從節(jié)能率來看，商務辦公建筑改造的節(jié)能率平均值為23.12%，機關辦公建筑改造的節(jié)能率平均值為23.07%，如表1所示。

表1 項目數(shù)據(jù)對比

6 小結

上海辦公建筑數(shù)量巨大，很多是2005年未執(zhí)行節(jié)能設計標準時建造的。隨著經濟的發(fā)展、環(huán)境控制標準的提高、人們對于環(huán)境舒適程度的重視，辦公建筑的能耗水平呈逐年上升的態(tài)勢，因此辦公建筑節(jié)能勢在必行。通過針對不同建筑的特點、用能情況的差異等因素，應合理選擇相應的節(jié)能改造措施。