中电投东北能源科技有限公司 杨文涵 庞开宇 郑立军 大连发电有限责任公司 张景弘 徐 京

在国家能源革命战略和电力体制改革的推动和引领下，综合智慧能源作为聚焦用户需求、侧重能源运营服务的新业态在促进能源领域转型升级中发挥至关重要的作用。所谓综合智慧能源就是指能够面向用户提供不同种类能源的一体化能源应用方案，一方面从横向的供应侧多能互补，需求侧集成供能；另一方面结合“云大物智移”等信息化技术，引领纵向的“源、网、荷、储”协调联动，统筹协调优化能源智慧运营，更大程度上提升能源的供应价值，并结合用户需求提供更为多元化的增值服务。随着智慧能源的各项先进技术融入城市生活，楼宇型场景作为日常办公、科技产业聚集地，属于能源消耗、环境污染的集中区域，能源利用率不足，发展绿电使用（分布式清洁能源）、节能改造、构建科学的能源运营策略，成为优化楼宇耗能的重要措施。

本文针对北方某大厦办公楼宇型场景，在充分调研和评估当地资源禀赋和用户负荷特性的基础上，因地制宜的设计了包括屋顶分布式光伏、空气源热泵与蓄热式电锅炉联动供热、新能源汽车充电桩的综能一体化解决方案。并结合峰谷时段电价以及设备容量，调整综合能效比COP最大化，确定了最优的空气源热泵与蓄热式电锅炉联动运行策略。

该综合智慧能源技术方案不仅有较好的投资收益率，而且一次能源利用率高，节能减排，大幅减少了碳排放，节约运行成本，提高了建筑空间利用率，经济和社会效益显著。

1 项目基本情况

北方某大厦位于大连市高新区，属于温带亚湿润季风气候，全年气温在-35.4℃～39.3℃之间，风光资源较为丰富，年日照小时数1800～2600h/a，年年辐射总量为5400～6700MJ/m2a。其中8月最热，平均气温24℃，日最高气温大于30℃的最长连续日数为10至12天，1月最冷，平均气温南部-4.5～-6℃，极端最低气温可达-20℃左右。全区年平均降水量在550至950毫米之间，由西南向东北递增。

该大厦现有建筑3栋（A、B、C座），总建筑面积：24196.96m2（实际供热面积22000m2），建筑高度48.7米。大厦B座楼顶可利用面积较大，考虑建设分布式光伏发电系统，部分替代峰、平电能，增加发电收益；园区内现有104个地面固定停车位，利用率很高，有很好的充电桩建设条件。因处于区域热源厂供暖回路末端且大厦现有供暖二次管网未按相关标准配置，大厦供暖效果一直不能达标，冬季部分房间只能达到14℃左右，所以考虑对供暖系统进行改造。

2 分布式光伏发电

2.1 分布式光伏发电系统架构

分布式光伏发电采用自发自用、余电上网的运行方式，实现就地消纳，提升可再生能源开发比例。光伏组件设计采用520Wp单晶硅半片太阳能电池组件，将高效单晶电池与半片组件技术结合，可显著提升组件功率与阴影遮挡下的发电能力，同时降低了组件工作温度与热板造成的局部温升。屋顶太阳能电池组件共计252块，以32°倾角敷设，总容量约131.04kW，18块串联、6块并联构成太阳能电池阵列，把太阳能转化为电能，输出直流电接入光伏逆变器。

太阳能电池阵列共用2台组串式60kW逆变器，逆变器设计为可靠、高效率的纯正弦波工频变压器式逆变器，使户用系统抗冲击性能强，具有反接保护、短路保护、过载保护、逆变电源故障自识别保护等功能，提高了系统的可靠性，设备维修方便。2台逆变器逆变后在交流侧分别汇流接入380V/50Hz的园区低压配电网，自发自用，优先满足园区自身消纳；另一路剩余电力经高压开关柜，并入公用电网发电，共计1个接入点。同时配有逆变器发电计量表，可直观的显示电网侧电压及放电电流的交流电网主副双向计量表，可计算园区用能负荷情况。

分布式光伏发电系统配置1套环境监测仪，实时采集光伏阵列现场的环境参数例如风速、风向、日照强度、环境温度、电池板温度等参量。并配置了监控平台实时掌握光伏并网逆变器的工作状态和运行参数，主要包括以下功能：

实时显示电站的当前发电总功率、日总发电量、累计总发电量、累计CO2总减排量以及每天发电功率曲线图；可查看每台逆变器的运行参数，主要包括直流电压电流、直流功率、交流电压电流、逆变器机内温度、频率、功率因数等；监控所有逆变器的运行状态，采用声光报警方式提示设备出现故障，可查看故障原因及故障时间，监控的故障信息包括电网电压过高过低、电网频率过高过低、直流电压过高、逆变器过载、逆变器过热、逆变器短路、散热器过热、逆变器孤岛、DSP故障、通讯失败等。

2.2 分布式光伏发电系统经济效益分析

2.2.1 光伏发电能力计算

（1）发电量影响因数

光伏发电站发电量影响因素主要有：光伏组件类型、功率、数量、正常工作温度、逆变器效率、容量及光伏阵列安装损耗、灰尘遮挡损失、纬度和光伏方阵的方位角、安装模式、倾角、光伏阵列面上的平均日辐射等。光伏发电量的计算公式如下：

其中PAZ为组件安装容量。弘泰大厦太阳能并网项目共铺设组件共计131.04kW；HA为发电小时数；K为系统效率系数，综合考虑导线电缆损耗、积灰遮挡损失、并网逆变器效率、太阳辐射损失、系统故障及设备维护造成的损耗等多方面因素，综合计算系统效率为85%。

（2）光伏效率及首年发电量估算

首年发电量估算未考虑光伏组件的衰减，计算得到首年1-12月各月发电量估算，倾角为32度辐射量（kWh/m2d）分别为：2.72、3.73、4.88、5.90、6.43、6.23、5.56、5.54、4.96、3.80、2.70、2.31；发 电 量（kWh）分 别 为：9391.90、11632.94、16850.17、19714.97、22202.17、20817.67、19198.15、19129.09、16573.94、13121.04、9022.10、976.21，首年合计发电量185630.35kWh。

（3）光伏电站全寿命发电量估算

分布式光伏的第一年发电量为光伏电站的最大理论发电量乘太阳电池组件第一年的衰减系数。本工程所选单晶硅电池组件第一年的衰减系数为0.995，故光伏电站的第一年理论发电量为：185630.35×0.995=184702.2kWh。根据光伏组件年衰减情况分析表，按光伏电站使用寿命25年进行电站全寿命上网电量计算。第1年到第25年功率比率 分 别 为：99.50%、98.56%、97.64%、96.72%、95.81%、94.91%、94.02%、93.13%、92.26%、91.39%、90.84%、90.30%、89.76%、89.22%、88.68%、87.83%、86.99%、86.15%、85.33%、84.51%、83.70%、82.89%、82.10%、81.31%、80.53%；上网电量（kWh）分别为：184702.20、182957.27、181249.47、179541.67、177852.44、176181.77、174529.66、172877.54、171262.56、169647.58、168626.61、167624.21、166621.80、165619.40、164616.99、163039.14、161479.84、159920.55、158398.38、156876.21、155372.60、153869.00、152402.52、150936.04、149488.12。

20年合计发电量3403625.28kWh，年均发电量170181.26kWh；25年 合 计 发 电 量4165693.56 kWh，年均发电量166627.74kWh。

计算结果，根据组件逐年衰减情况，计算出本工程屋顶光伏电站建成后第一年上网发电量为184702.2kWh，运行25年的总发电量约4165693.56 kWh，年平均发电量为166627.74kWh，年有效利用小时数为1271h。

2.2.2 光伏发电建设成本分析

高效单晶半片光伏组件，每瓦成本约5元（含逆变器及建安费用），高效单晶半片成本按照131.04kW装机计算，考虑到屋顶施工等因素，建安成本略有上升，总费用约75万元。

2.2.3 电价分析

项目采用自发自用，余电上网的运行方式，上网部分按电价为0.375元/kWh。目前，弘泰大厦用电成本如下，峰：0.9408元/度、平：0.6452元/度、谷：0.3495元/度。弘泰大厦工作时段大致为8:30-17:00，日间光伏发电时段（8:00-16:00）峰电与平电加权平均电价为：0.7745元/度。

2.2.4 光伏电站经济效益估算

弘泰大厦日均用电负荷约150kW，工作日日间平均用电负荷260kW，由此光伏发电自用率近100%，则发电平均电价约0.7745元/度。分布式光伏总装机容量为131.04kWp，总投资约75万元，按照光伏组件寿命25年和发电量全部自用计算，简单静态投资回收期为6.2年，年均投资收益率约9%，25年总盈利169.8万元。

3 供暖系统改造

3.1 供暖边界条件

大厦总建筑面积：24196.96m2（实供22000 m2），建筑高度48.7米。设计为二级建筑保温，正常供暖设计热负荷指标取45W/m2（7:00-17:00，10小时，每天日间正常供热量为9900kWh）、低温运行热负荷取20W/m2（17:00-7:00，14小时，每天低温循环供热量为6160kWh），每天总供热量为16060kWh，每年规定供暖期为151天。大连市一般工商业峰谷平时段划分及电价为：谷电时段22:00-5:00，持续时间7小时，电价（kWh）0.3495元；峰电时段7:30-11:30、17:00-21:00，持续时间8小时，电价（kWh）0.9408元；平电时段5:00-7:30、11:30-17:00、21:00-22:00，持续时间9小时，电价（kWh）0.6452元。

3.2 供暖系统设计

3.2.1 空气源热泵+蓄热式电锅炉组合系统

由于北方地区冬季寒冷，室外环境温度低，采用传统的供暖方式会排放大量的污染物，为推动环境保护与可持续发展，我国在大力推进“煤改电”等清洁供暖技术，在电供暖技术中主要有电锅炉和热泵两种形式。

蓄热式电锅炉是一种“低谷蓄热，高温放热”的电供热设备，将电能直接转化成热能，每天低谷电价时段通电加热，将较低价格的电能转化为热能并存储，在用电高峰时段再将储存的热量释放，一般情况下电锅炉系统的COP仅能达到0.9左右

空气源热泵以电能做功，将原本不能直接利用的低位热源空气转化为可以利用的高位热能，空气源热泵的COP一般情况下在3-5左右，在北方极端低温天气零下10度以下，此时普通空气源热泵运行稳定性差，需要设置其他辅助热源或采用多能互补的方式，提高用能效率。

从能效比COP上看，系统的COP越高越节能，实际运行费用更低，空气源热泵虽能效比高但由于运行不稳定、运维投入大，仅适用于分散式供热或小型区域供热，为满足用电高峰时段负荷需求，通常结合电蓄热锅炉，充分利用低谷电和蓄热手段，最大化综合能效比，以实现“移峰填谷、节约电能、减少排放”[1-3]。

3.2.2 设计方案

本项目采用空气源热泵+蓄热式电锅炉组合方案进行供暖系统的改造，设计新建大厦独立供暖系统，与原集中供热管网断开，供热末端按原设计散热器不变，基础供热系数取0.6，系统供/回水温度55℃/40℃（设计工况）。白天不开启电锅炉，由电功率较低的热泵提供散热器采暖用热水，设计出水温度40℃—55℃之间，带基础供热负荷，当日间热负荷需求较高时（回水温度低于37℃），电锅炉蓄热顶尖峰，蓄热水箱热水通过板换向二次网供热。电锅炉只在夜间谷电期间运行，将水箱水温从50℃提升至85℃，谷电蓄热、边供边蓄的方式利用谷电的低谷电价在保证夜间低温运行负荷的同时将白天所需顶尖峰的热量存储起来。本方案不考虑变压器增容改造，大厦园区现有两台800kVA变压器，设计用电负荷不同期、分别接入两台变压器，共同为热泵机组和电锅炉提供工作电源。

（1）方案一

热泵投运提供（7:00-17:00）日间10小时正常供热基础负荷，14小时夜间低负荷运行时段热泵停机；电锅炉蓄热提供（17:00-7:00）夜间14小时低温运行负荷，提供日间10小时正常供热负荷顶尖峰（投运条件：系统回水温度＜37℃）。

日间正常供热负荷45W/m2，供热面积22000 m2，基础供热系数取0.6，若满足日间供热需求，计算热泵机组总制热功率600kW，取COP3.0，热泵出力约280匹。

低温运行热负荷取20W/m2，供热面积22000 m2，由于热泵机组最大运行热负荷为27W/m2，在日间热负荷需求高的时候，由电锅炉水箱蓄热作为辅助热源弥补负荷需求，既能实现节能降耗，又使极端条件下稳定供热具有了可行性，因此日间正常供热电锅炉顶尖峰负荷为18W/m2。按照谷电7小时蓄热计算，电锅炉总制热功率约1200kW，谷电时段启动加热（蓄热投运条件：水箱温度≤80℃；停运条件：水箱温度≥85℃），提供14小时低温运行基础负荷，除日间高热负荷需求顶尖峰运行外，其他时段停运。设计两台600kW电锅炉，一台提供14小时低温运行热负荷，一台备用，提供顶尖峰负荷，配置1个200m3水箱（有效容积152m3）。同时两台600kW电锅炉分别接入两台变压器，带常规电负荷变压器接一台电锅炉，备用变压器接热泵+电锅炉。

（2）方案二

热泵投运提供（7:00-17:00）日间10小时正常供热负荷以及（21:00-7:00）的低温运行热负荷；峰电时段（17:00-21:00）热泵部分或全部停运，电锅炉蓄热提供该时段4小时低温运行热负荷。

基础供热系数取0.6，计算热泵机组总制热功率990kW，日间COP3.0，夜间COP2.0，热泵出力约670匹。

电锅炉谷电7小时蓄热，（17:00-21:00）电锅炉蓄热提供该时段4小时低温运行热负荷，其他时段停运保温，因此设计1台250kW电锅炉，配置1个60m3水箱。

（3）方案三

热泵投运提供（7:00-17:00）日间10小时正常供热基础负荷以及（21:00-7:00）的低温运行负荷；电蓄热锅炉提供峰电时段（7:00-11:00）4小时正常供热尖峰负荷，以及（17:00-21:00）4小时低温运行负荷，该时段热泵机组部分或全部停运。

基础供热系数取0.6，计算热泵机组总制热功率600kW，日间COP3.0，夜间COP2.0，热泵出力约400匹，热泵机组最大运行热负荷为27W/m2，在日间峰电时段，电锅炉提供18W/m2的顶尖峰负荷。

教材的例题与习题里蕴含着思想教育因素，只要努力钻研，认真备课，就能把这些因素挖掘出来，在课堂教学中不失时机地进行思想教育。如：在教学简单的统计时，把我国的体育健儿在历届夏季奥运会获得奖牌的数量设计成统计表，让学生通过分析、观察、比较，体会出奥运健儿为国争光的拼搏奉献精神，从而树立学生崇高的理想。这样，既加强了数学与生活的联系，又赋予数学教学中的思想教育以时代的气息，学生容易产生共鸣，有新鲜感。

电锅炉谷电7小时蓄热，提供17:00-21:00四小时低温运行负荷以及7:00-11:00四小时尖峰负荷，设计1台500kW电锅炉，配置1个120m3水箱。

3.3 方案比选

电锅炉的能效比通常小于1，空气源热泵的能效比一般在2—5之间，在相同的热量需求下，空气源热泵比电锅炉更节省电能，因此应采用空气源热泵为主，电锅炉为辅的运行方式。上述三个方案比较，方案一电锅炉容量大，能效比低，后续技术经济分析中，主要对方案二与方案三进行详细对比。

3.3.1 投资估算

（1）方案二投资

低温空气源热泵系统包括9台低温空气源热泵机组（高温出水型），2台循环水泵，补水箱、自动定压补水装置、软化水处理装置各1台，约175万元；电锅炉及蓄热水箱系统包括250kW的加热系统、60m³的储能系统、智能一体化电控系统循环系统等各1套，约40万元，方案二工程预估造价215万元。

（2）方案三投资

低温空气源热泵系统包括6台低温空气源热泵机组（高温出水型），2台循环水泵，补水箱、自动定压补水装置、软化水处理装置各1台，约130万元；电锅炉及蓄热水箱系统包括500kW的加热系统、120m³的储能系统、智能一体化电控系统循环系统等各1套，约70万元，方案二工程预估造价200万元。

（1）方案二运行成本分析

供热面积：22000m2，年运行时间151日，正常供热时供热负荷为45W/m2，日运行时间为4h（峰）和6h（平），平均系数0.6，年耗电量为5.436度/m2和8.154度/m2，电费单价分别为0.94元/度（峰）和0.65元/度（平），水费+运行管理费+维修费为0.8元/m2，折算年电费为5.11元/m2（峰）和5.3元/m2（平）；低温运行时供热负荷为20W/m2，日运行时间为4h（谷）、7h（谷）和3h（平），平均系数0.6，年耗电量为6.04度/m2、6.342度/m2和2.718度/m2，电费单价分别为0.35元/度（谷）、0.35元/度（谷）和0.65元/度（平），水费+运行管理费+维修费为0.8元/m2，折算年电费分别为2.11元/m2（谷）、2.22元/m2（谷）和1.77元/m2（平）。

管网采暖费697721元/年，COP：3.0（热泵，日间）、COP：2.0（热泵，夜间）、COP：1.0（电锅炉），折旧期15年，设备折旧费6.52元/m2，年运行成本23.83元/m2，年运行费524260元。

（2）方案三运行成本分析

供热面积：22000m2，年运行时间151日，正常供热时供热负荷为27W/m2、18W/m2和45W/m2，日运行时间为4h（峰）、4h（谷）和6h（平），平均系数0.6，年 耗 电 量 为3.26度/m2、5.436度/m2和8.15度/m2，电费单价分别为0.94元/度（峰）、0.35元/度（谷）和0.65元/度（平），水费+运行管理费+维修费为0.8元/m2，折算年电费分别为3.07元/m2（峰）、1.9元/m2（谷）和5.3元/m2（平）；低温运行时供热负荷为20W/m2，日运行时间为4h（谷）、7h（谷）和3h（平），平均系数0.6，年耗电量为6.04度/m2、6.34度/m2和2.718度/m2，电费单价分别为0.35元/度（谷）、0.35元/度（谷）和0.65元/度（平），水费+运行管理费+维修费为0.8元/m2，折算年电费分别为2.11元/m2（谷）、2.22元/m2（谷）和1.77元/m2（平）。

管网采暖费697721元/年，COP：3.0（热泵，日间）、COP：2.0（热泵，夜间）、COP：1.0（电锅炉），折旧期15年，设备折旧费6.06元/m2，年运行成本23.23元/m2，年运行费511060元。

方案二在（17:00-21:00）低温循环运行阶段，为放大能效比，节省电能，采用以夜间（22:00-5:00）工业低谷电为能量来源的热泵和电锅炉蓄热联合运行的方式，系统回水温度40℃，电锅炉热水输出温度85℃，热泵先把40℃的水加热到50℃，升温10℃，再由电锅炉把50℃的水加热到85℃，升温35℃，夜间热泵的能效比COP为2，电锅炉为1，二者加权综合能效比COP为1.2。

方案三在（7:00-11:00）日间峰电时段，由于热负荷高，电锅炉蓄热参与顶尖峰，同样采用以夜间工业低谷电为能量来源的热泵和电锅炉蓄热联合运行的方式，热泵把水加热到45℃后，再由电锅炉加热。

方案二初投资高于方案三，且年运行成本也较方案三略高，因此本工程最终推荐方案三600kW低温空气源热泵+500kW电锅炉（配套120m3蓄热水箱）设计新建独立清洁供暖系统作为清洁采暖改造方案，这一部分投资约200万元，年运行成本511060元，年节约采暖费186661元，静态投资回收期约10.71年，投资收益率约9.33%。

4 新能源汽车充电桩

4.1 建设方案

大厦园区内现有104个地面固定停车位，利用率很高，有很好的充电桩建设条件，驻大厦用户多数为固定上班人员，而且白天长时间停车，因此适合使用常规交流充电桩。常规交流充电桩相比可快速充电的直流充电桩具有功率小，系统简单，对园区总用电负荷影响小，对变压器容量及线路敷设要求低，自用无需电网公司备案等特点，因此本方案设计在园区安装3台交流充电桩。

充电桩的输入端与交流电网直接连接，输出端都装有充电插头用于为电动汽车充电，用户可以使用特定的充电卡在充电桩提供的人机交互操作界面上刷卡使用，进行相应的充电方式、充电时间、费用数据打印等操作，充电桩显示屏能显示充电量、费用、充电时间等数据。

4.2 经济分析

大厦园区建设3台交流充电桩并配1套运营平台，考虑电源箱、电缆敷设、充电桩建设等费用，总投资约为103000元。

目前大连市内的商业电动车充电桩的收费标准是在执行正常的工商业（峰、谷、平）电费价格基础上，每度电额外收取0.6元的管理费用。园区内新建充电桩收费可给予适当优惠，若按每度电收取0.5元的管理费考虑，充电桩利用率按15%计算，则每年总的充电量为27594kWh，年收益13797元，总投资103000元，需要7.47年收回成本，投资收益率约13.4%。

综上，清洁低碳能源是能源结构调整的主攻方向，城市楼宇型智慧能源改造方案在各领域技术发展的支持下，日渐成熟，已成为综合智慧能源的一个重要发展方向。本方案结合用能需求，因地制宜的设计了屋顶分布式光伏、空气源热泵与蓄热式电锅炉联动供热、新能源汽车充电桩的多能一体化解决方案，主要得出以下主要结论。

（1）北方某大厦综合智慧能源项目方案设计建设131.04kW分布式光伏电站、6台总制热功率600kW的低温空气源热泵，500kW/120m3的谷电蓄热供暖工程以及3台交流充电桩。

（2）采用空气源热泵与电蓄热锅炉联合运行供热的清洁技术方案，提高热工系统运行效率，降低电能成本，大幅减少碳排放，且该联动供热系统在供热季节运行安全稳定，使极端环境条件下稳定供热具有了可能性。

（3）该项目总投资约327.3万元，年收益约27.47万元，投资收益率达8.39%。全投资内部收益率为12.79%，静态投资回收期约6.84年。该方案针对同类型办公楼宇，乃至工业、商业园区场景中的复制、推广前景广阔，并且有良好的经济和社会价值。