袁文伟

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

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 综合能源常用技術

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 m2，建筑面积5 006 m2，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 m2，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/ m2，则该办公楼楼宇的总体电负荷约为450.54 kW（5006 m2×90W/ m2=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 m2，可用于建设光伏系统的可用地面积约300 m2。按照单个光伏组件290 W的标准功率计算，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釋放出来，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.