上海办公建筑节能改造技术研究

谢 立寇玉德

1上海市能效中心

2上海市建筑建材业市场管理总站

研究背景

当前，在上海市建筑节能各领域中，既有公共建筑节能改造依然是当前建筑节能工作的主要内容之一。根据《2016年上海年鉴》，截止2015年，上海房屋总计120 390万m2，非居住房屋有57 383万m2。此外，上海市于2005年前建成的公共建筑约有2亿m2，这些建筑至今已运行10年以上，设备的老化及当时尚未执行节能标准等因素造成运行能耗大，对全市的建筑节能工作影响很大。为促进既有公共建筑节能改造工作的开展，上海市相继出台扶持政策大力推动既有公共建筑节能改造的示范。

“十三五”期间，公共建筑节能改造仍将是上海建筑节能工作的重点，有必要在既有公共建筑节能改造的基础上，对项目中各项节能改造技术进行归纳梳理、总结经验以指导上海地区公共建筑节能改造工作更好开展。

1 上海办公建筑情况

根据上海市住房和城乡建设管理委员会和上海市改革和发展委员会发布的《2016年度上海市国家机关办公建筑和大型公共建筑能耗监测及分析报告》（以下简称2016年度报告）：截至2016年12月31日，接入到上海市国家机关办公建筑和大型公共建筑能耗监测中心平台的公共建筑有1 501栋，总建筑面积6 572.2万m2，办公建筑约占45%，其中机关办公182栋，数量占比为12.1%，总建筑面积368.4万m2；办公建筑497栋，数量占比为33.1%，总建筑面积2 189.1万m2。根据《2016年上海年鉴》，截止2015年，上海非居住房屋有57 383万m2，其中办公楼为7 343万m2，占比约为13%。因此，研究上海的办公建筑节能改造技术是推进上海公共建筑节能改造的一项重要工作。

2 办公建筑分布特点

本文的研究工作主要基于上海27个既有办公建筑节能改造项目。办公类项目总建筑面积150.24万m2。办公建筑进一步可细分为商务办公建筑和机关办公建筑，其数量和面积分布如图1和图2所示。其中，商务办公建筑数量较多，占总数的比例达到85%，面积比例达到84%。

图1 办公建筑数量分布

图2 办公建筑面积分布

如图3所示，从办公类项目建造年代看，主要分布在1991～2005年之间建造，占到项目办公建筑总数的89%。

图3 办公建筑年代分布

3 办公建筑用能分析

根据2016年度报告，国家机关办公建筑年用电强度合理值为109kWh/（m2·a）,办公建筑年用电强度合理值为115kWh/（m2·a）。改造前机关办公类项目最大单位面积能耗为176 kWh/（m2·a），最小为104 kWh/（m2·a），平均为138 kWh/（m2·a）。商务办公类项目最大单位面积能耗为196 kWh/（m2·a），最小为 50 kWh/（m2·a），平均为 122 kWh/（m2·a）。

3.1 办公建筑用能特点

办公建筑自身的建筑特点决定了其独特的能耗特点。影响办公建筑能耗的因素主要包括围护结构、暖通空调、照明系统和办公设备系统等。办公建筑用能特点如下：

（1）围护结构对能耗影响相对较大：办公建筑造型丰富，建筑形体较复杂，窗墙比较大。围护结构热工性能的特点与建筑建造年代有密切的关系。2005年《公共建筑节能设计标准》(GB50189-2005)发布前建造的办公建筑，其建筑填充墙材多为实心黏土砖、空心黏土砖或加气混凝土砌块等，热工性能较差，一般在2.0W/（m2·K）左右。2005年后建造的办公建筑，围护结构的热工性能有了较大的提升。如墙体保温材料种类有硬泡聚氨酯、岩棉板、挤塑聚苯板、保温砂浆等，墙体传热系数一般在 1.0W/（m2·K）左右。办公类项目改造前采用节能窗户的比例较低，多数办公建筑外窗传热系数在4.7～6.4 W/（m2·K）之间。

（2）办公建筑空调负荷特点是工作时间稳定，使用功能单一。办公建筑的空调负荷主要为办公、会议及相关配套服务；特殊区域用能设备主要是网络机房的用电和空调。

（3）办公建筑中的照明和设备电耗有很强的规律性，与人均办公面积、工作时间等关系密切。其节能潜力在于降低非工作时间段的办公电器待机电耗、选用节能的电脑设备。

（4）电热开水器、电梯、给排水泵等建筑物内综合服务设备，其耗电量在办公建筑中占5%～10%的比例。这类设备的能耗特点是：往往只有很少一部分时间工作在额定功率下、启停或功率变化频繁，具有较大的随机性。

（5）特殊功能设备电耗高。据统计，200m2左右的信息中心全年耗电量能占到2～3万m2办公建筑全年电耗的30%～40%。

此外，多数机关办公建筑由于投入使用年限较久、设备老化程度较高、用能人数增长较快等原因，导致总体能耗呈逐年上升趋势，能耗总量控制压力加大。

3.2 办公建筑用能结构

在办公类建筑中，能源消耗形式有电力、天然气、燃油等。电力主要用于空调、照明、插座、动力等，同时也是主要的耗能形式。天然气、燃油等其他燃料主要用于集中空调的供暖。

某商务办公项目总建筑面积144 241m2，空调系统形式为离心式冷水机组+电锅炉，能源消耗形式为电力，基准年能耗为14 011 375kWh。全年能耗数据构成如图4所示。由图4可看出，暖通空调系统能耗最大，占全部能耗的37.48%；照明系统能耗占总能耗的29.53%，室内设备系统能耗占总能耗的24.28%，这两个系统的耗电量也相对较高；综合服务系统（包括电梯、水泵等）占总能耗的3.62%，特殊功能区能耗占总能耗的1.33%；其余用能都并入“其他”，占总能耗的3.75%。

图4 典型办公建筑能耗组成

由图5可以看出，该办公楼的用电高峰出现在1月、2月和12月，主要是由于大楼的冬季采暖全部使用电加热锅炉，用高品味的电能直接转化为低品位的热能进行采暖，热效率低，运行负荷高；这期间处于冬季气温最低时段，采暖负荷高，耗电量很大。用电量次高峰出现在7月和8月，此期间为夏季空调供冷主要时期，室外气温高，室内空调冷负荷高，空调系统耗电量较大。

图5 典型办公大楼逐月用电量

该办公楼的空调通风系统涉及的区域和用能范围很广，能耗占总能耗比例很大，现对其进行进一步的能耗拆分，以明确系统中各用能设备的具体能耗量情况。从图6可以看出，空调系统中，冷水机组电耗占空调系统电耗的33.63%，新风空调机电耗占空调系统电耗的18.83%，冷水泵电耗占空调系统电耗的14.88%，送排风机电耗占空调系统电耗的1.38%，风机盘管电耗占空调系统电耗的28.62%，冷却塔占空调系统电耗的2.66%。冷水机组和新风空调机组是主要的空调电能消耗设备。

图6 典型办公大楼空调通风系统电耗比例

办公大楼采暖系统采用电加热锅炉，能耗消耗量较大，现对其进行进一步的能耗拆分，明确系统中各能耗设备的能耗量情况。从图7可看出，采暖系统中，锅炉系统能耗占采暖系统能耗的70%，为主要耗能设备；末端风机盘管和新风机组电耗占采暖系统能耗的27.15%，为次要耗能设备；采暖泵电耗占采暖系统能耗的2.37%。

图7 采暖系统能耗比例

4 节能改造技术

办公建筑的能耗一般可分为空调能耗、照明能耗、插座能耗、电梯和给排水等综合服务设备能耗以及其他能耗。节能改造项目涉及的节能改造技术措施多达百种，常用的节能改造涉及围护结构、供暖通风空调、照明系统等（见图8）。

图8 办公建筑主要用能系统改造的频率分布

4.1 围护结构

4.1.1 外窗改造

建筑外窗是整个建筑围护结构中热工性能最薄弱的部分。外窗改造可采用整窗拆换、加窗及窗扇改造等多种节能改造措施，改善外窗的热工性能。外窗的改造通常包括拆换、加窗、贴膜、遮阳等方式。

4.1.2 外墙、屋面保温改造

外墙、屋面保温改造是指采用一定的固定方式（粘结、机械锚固、粘贴+机械锚固、喷涂、浇注等），把导热系数较低的绝热材料与建筑物固定一体，增加墙体的平均热阻值，从而达到保温或隔热效果。外墙保温改造适用于窗（墙）比较小、外墙热工性能差的公共建筑。屋面保温改造适用于屋面面积占外围护结构面积比例较大的建筑。从项目应用情况看，外墙保温改造通常结合建筑外立面改造、屋面防水改造同时进行，节能效果较为明显。

4.2 供暖通风空调

4.2.1 主机、输配系统与末端更换

（1）更换冷热源机组

将使用时间久、效率低下的冷热源机组更换为效率较高的离心式冷水机组、螺杆式冷水机组、空气源热泵机组、磁悬浮离心式冷水机组、热源塔热泵机组或者燃气锅炉等，以提高机组效率、降低能耗。

（2）更换水泵、风机和冷却塔

更换水泵是指采用更高效的冷水泵、热水泵替代原有老旧、效率低下、流量或扬程不匹配的水泵，从而降低输配系统能耗。更换风机是指采用更高效率的风机替代原来老旧、效率低下的风机，从而降低空调系统的风机能耗。更换冷却塔是指采用更高效的冷却塔替代原来老旧、冷却能力低下的冷却塔，从而提升冷却塔的冷却能力。

4.2.2 主机、输配系统与末端变频

（1）离心式冷水机组变频

离心式冷水机组安装变频器后可加大机组运行范围，并大幅提高机组部分负荷性能，使机组始终处于节能高效运行状态，同时可降低机组启动电流，避免机组频繁启停，延长设备使用寿命。

（2）输配系统变频

输配系统变频是指通过采用变频技术改变集中空调系统水泵和风机转速，调节管道流量，以取代阀门调节及旁通方式。

（3）冷却塔变频

冷却塔变频是指根据冷却塔的出水温度通过冷却塔风机变频器调整风机的转速，实现冷却塔的节能运行。冷却塔风机变频适合长期处于部分负荷工况运行下的公共建筑改造。

4.3 照明与插座

4.3.1 采用高效节能光源和灯具

采用高效节能光源和灯具替换传统光源（如球泡、荧光灯泡、白炽灯泡）或灯具。LED灯具适用于所有公共建筑，对地下车库、走道、大厅等公共区域的传统灯具或光源可采用性能参数满足要求的LED照明灯具或光源直接替换，同时配合智能控制方式实现节能降耗。LED照明具有节能、经济，使用寿命长，通用性好等优点。

4.3.2 智能照明控制

智能照明系统控制是照明节能设计优化的重要措施，智能照明控制应根据某一区域的功能、使用时间、室外环境对该区域的影响及该区域的用途来进行智能照明控制。采用集中控制、定时控制、感应开关控制等多种方式，可减少灯具启用时间，从而实现节能降耗。

4.3.3 节能插座与智能插座

节能插座是指通过设置插在主控孔上电器的开机/关机状态，自动实现开启和关闭其他受控孔的电源插座，从而减少电器待机能耗，达到省电目的。

智能插座是指在插座内设置WiFi模块，通过智能手机的客户端进行功能操作的电源插座，遥控插座通断电流，设定插座的定时开关。采用智能插座，对办公辅助设备进行控制。通过对智能插座进行属性定义（定时、延时）和开关设置，实现下班后设备及时自动关闭，减少能耗浪费。

5 节能改造效果分析

图9是办公建筑节能改造技术使用频率Top 10排名。从图中可以看出，对于办公建筑，非节能灯具更换为LED灯具的使用频率最高，在27个项目中出现了20次。除此之外，集中空调系统的水泵变频、空气源热泵机组以及冷冻机房的群控使用比例较高。相对于其他类型的公共建筑，围护结构对办公建筑能耗的影响较大，单层玻璃更换为双层玻璃以及外窗贴膜技术均出现在使用频率前十的排名。

图9 办公建筑节能改造技术使用频率Top 10排名

图10是办公建筑节能改造技术节能率Top10排名。从图中可以看出，对于办公建筑，某办公楼将燃油锅炉+蒸汽型溴化锂吸收式冷水机组更换为多联式空调（热泵）机组，节能率达到16.5%。此外，空气源热泵机组、LED灯具和高效离心式冷水机组也有上佳的性能表现。

图10 办公建筑节能改造技术节能率Top10排名

商务办公建筑改造后单位面积能耗平均值为93.44kWh/m2，机关办公建筑改造后单位面积能耗平均值为105.82kWh/m2。从节能率来看，商务办公建筑改造的节能率平均值为23.12%，机关办公建筑改造的节能率平均值为23.07%，如表1所示。

表1 项目数据对比

6 小结

上海办公建筑数量巨大，很多是2005年未执行节能设计标准时建造的。随着经济的发展、环境控制标准的提高、人们对于环境舒适程度的重视，办公建筑的能耗水平呈逐年上升的态势，因此办公建筑节能势在必行。通过针对不同建筑的特点、用能情况的差异等因素，应合理选择相应的节能改造措施。