上海市某综合性办公建筑节能减排解决方案与节能潜力案例分析应用研究

邹国良

上海国瑞环保科技股份有限公司

0 引言

随着改革开放后国内经济的快速发展，城市核心区的办公商场等大型公共建筑反映了一个城市建设和发展进程，目前相当一部分公共建筑已投入使用大于20年。设备老化，运行费用和维护成本急剧增加。随着可持续发展理念的深入，节能环保要求越来越高，各地政府出台了诸多限制性措施。随着国内建筑业的发展重点逐渐从新建建筑向既有建筑转移。对于既有建筑，尤其是大型公共建筑的节能减排技术改造将成为促进国内增效提质的重要抓手[1]。以上海市某核心商业区综合办公大楼的节能减排技术改造实践为案例，对改造方案和节能减排潜力进行分析与总结，为同类型公共建筑的节能减排技术改造的实施提供参考。

1 上海市某综合性办公建筑项目背景及改造需求

1.1 工程概况

本建筑位于上海市某核心商业区，为国际甲级水平的综合办公大楼，占地面积1.27万m2，三面临街，总建筑面积13.28万m2，楼高55层。本建筑具有典型的传统办公建筑的主要特征，拥有独立的冷、热源系统和配电系统，制冷采用传统离心式冷水机组和冷却塔系统，柴油蒸汽锅炉用于采暖、制备生活热水。空调系统制冷季开启时间为4月-11月，采暖季开启时间为12月-次年3月，办公区工作日开启时间为8:00-18:00，节假日一般不开启；商场工作日与节假日开启时间均为9:00-21:00。

1.2 技术改造需求

根据上海市人民政府颁布的《上海市节能和应对气候变化“十三五”规划》，公共机构和大型公共建筑能效水平应显著提升，建筑单位面积能耗需进一步下降5%。同时，上海市启动新一轮“清洁空气三年计划”，让蓝天白云常在，并于2018年6月7日颁布了上海市地方污染物排放标准《锅炉大气污染物排放标准》，要求上海市各单位在2020年10月1日前将锅炉NOx排放指标降至50 mg/m3内[2]。本次改造的目的是提高大厦设备运行效率，降低锅炉NOx排放，方便物业经营管理。以建筑节能为重点，实现单位建筑面积能耗的大幅下降，力争打造为上海市节能低碳示范项目。

2 某综合性办公建筑综合节能改造前能源消耗分析

2.1 年度总能耗统计分析

本建筑2台6 300 kVA变压器，功率因素基本维持在0.9。应政府要求，大楼目前使用了一套能耗分表记录和管理平台，系统运行良好。如表1所示，2014-2016年，年度平均总能耗为4 024.37 tce，年单位建筑面积能耗29.9 kgce/m2。根据2016年度实际分项计量数据（图1），按用途对用电进行拆分，中央空调、大楼公共区及办公区照明耗电占比极高；另外，柴油锅炉的单项能耗较高，占整个建筑能耗的11.3%（以标准煤计算），且锅炉NOx排放超标。因此，空调系统、柴油蒸汽锅炉系统及大楼整体照明，为本次节能减排技术改造的重点。

表1 2014-2016年度建筑总能耗及入驻率统计表

图1 2016年度电耗分项拆分比例图

2.2 逐月能耗统计分析

2016年逐月耗电量、耗油量以及折算总消耗标煤统计如图2～图4所示，可以看出制冷季电量消耗明显提高。能耗提高主要为夏季冷水机组、水泵和冷却塔系统运行消耗电能。日常采用柴油锅炉制取生活热水，冬季采用柴油锅炉制取采暖热水，因此在采暖季耗油量明显提高。标准煤消耗量夏季最高，原因是制冷能耗高；冬季次之，原因是采暖能耗高。逐月能源消耗总体符合办公楼能耗正常用能规律。

图2 上海万都中心大厦2016年逐月耗电量（单位：kWh）

图3 上海万都中心大厦2016年逐月耗油量（单位：t）

图4 上海万都中心大厦2016年逐月标准煤消耗量（单位：tce）

3 空调制冷系统改造方案与节能潜力分析

3.1 系统概况及存在问题

3.1.1 空调系统概况

空调系统流程如图5所示。冷源主机配置离心式冷水机组，3台1 400 RT、1台530 RT。冷冻水一次泵为4台150 kW、2台75 kW，二次泵为4台56 kW；冷却水泵配有4台110 kW、2台45 kW；冷却塔配有7.5 kW风机24台。制冷季节，工作日一般开启1台1 400 RT机组，高峰期间开启2台1 400 RT机组；节假日仅开启1台530RT冷水机组。

3.1.2 空调系统问题分析

现有的中央空调冷冻站主要采用手动操作，依赖操作人员的经验进行开机/关机工作，水泵、冷却塔等设备均未采用变频节能技术，空调系统具有较大的节能潜力，主要表现在：1）制冷季，中央空调在7、8月份供冷负荷大，其他月份负荷小。制冷主机可根据固定出水温度卸载，但冷冻水泵、冷却水泵始终处于满负载运行，存在较大的浪费。2）冷却塔风机存在“停风不停水”的现象。冷却塔风机根据冷却水出水温度由空调操作工进行台数启停控制，但停开风机时，未切断相应的进水管。3）由于操作人员的错误观念，认为冷却水泵开启多台，而风机不开，冷却水可以被自然风冷却，节约风机耗电。由此导致了冷却水泵能耗大、冷却水温度高。4）原控制系统很多传感器读数不准，缺乏节能控制逻辑。5）冷冻水系统为异程式，水力不平衡现象严重，必须开启多台水泵勉强维持等情况。

图5 中央空调系统夏季制冷流程图

3.2 技术改造方案与节能潜力

3.2.1 技术改造方案

针对空调制冷系统运行效率低的问题，增加冷/热源智能控制系统，夏季可将冷水机组、冷冻水泵（含二次泵）、冷却水泵、冷却塔风机进行集中控制，根据末端实际负荷的变化，自动变频控制水泵和冷却塔风机出力，不仅可以解决水泵自动加减荷载的问题，而且可以通过变频冷却塔风机进行控制，根据实际环境湿球温度自动调整风机出力，在实现最佳冷却效果的同时，充分利用了冷却塔散热面积，降低了冷却塔风机能耗；另外一方面可有效降低冷却水温度带来制冷主机COP提高，进一步提升节能效果。同时，针对冷冻水系统异程式水力不平衡现象，组织技术力量，在冷高峰季，对中、高区各楼层手动平衡阀进行长达40多天的调试，最终试验结果：在中、高区冷冻水泵开启的数量均可减少1台。

3.2.2 节能潜力分析

根据制冷主机负荷性能曲线，冷冻水的出水设定温度每升高1℃或主机冷却水的进水温度每降低1℃，主机能耗相应减少3%～4%[3]。采用冷热源智能控制技术后，一方面可根据实时湿球温度，自动控制冷却塔风扇；从而降低冷却水温度2～3℃，提升主机效率6%～9%。另外，根据实际负荷自动变频控制循环水泵，有效解决停风不停水的现象，按照保障供回水5℃温差核算水泵节能量。逐月汇总后可得全年分项节能潜力，见表2。每年节约用电量44.7万kWh，折合标煤128.7 tce。

表2 冷热源智能控制系统节能量汇总表

4 柴油蒸汽锅炉系统改造方案和节能潜力分析

4.1 系统概况和存在问题

4.1.1 供热系统现况

蒸汽锅炉系统由3台6t/h的燃油蒸汽锅炉组成，全年制备采暖和生活热水，平时开启1台6 t/h的蒸汽锅炉，高峰期间极少开启2台6 t/h的蒸汽锅炉；节假日仅开启1台6 t/h的蒸汽锅炉。经过第三方能源审计机构对锅炉效率的实际测试，发现锅炉运行效率低于国家标准，锅炉排烟温度高达180℃，锅炉实际运行效率仅为80%，NOx排放指标超过150 mg/m3。整个蒸汽供热系统运维成本较高，综合能源利用效率仅为61%左右。

η=η1×η2×η3

式中：η——蒸汽供热系统综合效率，%；

η1——锅炉效率，第三方检定测试，80%；

η2——管网热量输送效率，输送距离约250米，保温情况一般,取90%[4]；

η3——换热器效率，采用容积式汽水换热器，取85%；

4.1.2 供热系统改造方案

原有锅炉系统2002年运行至今18年，换热能力低，同时，蒸汽锅炉为特种设备，必须每年进行年检，并由专人管理。针对上述状况，经实地勘测，综合考虑设备摆放场地、管道走向等综合因数后，提出彻底淘汰原有燃油蒸汽锅炉，采用采暖和生活热水分质独立供应的方案。

4.2 采暖系统改造方案和节能潜力

4.2.1 采暖系统改造技术措施和优势

采用超低氮冷凝真空热水炉作为空调采暖热源，增加2台200万kcal、1台150万kcal的超低氮冷凝真空热水锅炉，替代蒸汽锅炉采暖。其技术优势：

1）采用超低氮技术，将锅炉NOx排放降至30 mg/m3以下。

2）超低氮真空热水锅炉负载通过自动控制技术，可保证负载不低于30%情况下，实际运行效率在94%以上（未计入烟气冷凝热回收节能效果），如图7所示。

3）本项目设计回水温度为40℃，如图8所示，采用冷凝热回收技术后，锅炉满载运行效率在103%以上，而且部分负载效率更佳。

4）辅助智能控制系统，可根据末端实际的负荷需求，自动调整锅炉启停数量，并对采暖水泵进行变频控制，进一步降低采暖系统能耗。

5）综合考量管道损失（以5%计）后，改造后的天然气超低氮冷凝真空热水锅炉系统的系统综合效率为：103%×0.95=97.85%。

4.2.2 低氮真空锅炉改造附加收益

超低氮冷凝真空锅炉高效、低成本，不存在膨胀、爆炸、破裂的危险，安全可靠，设计寿命在20年以上。3台超低氮冷凝真空热水锅炉采用模块化并联设置，更有效地合理运行锅炉，与楼宇自控连接，运行更加智能化。

采用超低氮冷凝真空锅炉采暖后，每年增加燃气消耗17.3万m3，节省燃油量258 t，节约标煤151.0 tce。

图7 超低氮真空热水炉实际负载与运行效率的关系

图8 超低氮真空热水炉热效率与回水温度的关系

4.3 生活热水系统改造方案和节能潜力

4.3.1 生活热水改造方案

生活热水全年供应，本次改造采用高效空气源热泵制取生活热水，完全替代原有柴油蒸汽锅炉制取生活热水。若利用谷电制取生活热水，进一步降低热水系统能耗。空气源热泵机组的COP大于3.5，在上海等夏热冬冷地区具有较高的适宜性，高效节能，而且系统运行时无CO2、NOx、SOx等污染物的排放，具有很好的环保特性。

4.3.2 生活热水系统改造技术措施

本项目共配置4组空气源热泵，每组采用2台5P空气源热泵，分楼层分区域放置，并对原有容积式换热器内热水进行循环加热，热水供水管采用原系统管路，不仅节约改装费用，而且满足热水系统蓄热性能需求。

4.3.3 生活热水系统节能潜力

生活热水系统的节能改造主要是把原来的蒸汽锅炉消耗柴油供热水改为使用空气源热泵机组耗电能供热水的方式，能源结构发生了变化。经核算，每年需消耗电能9.0万kWh，能够节省燃油量约54.0 t，节约标煤52.7 tce。

5 照明系统改造方案和节能潜力

大楼公共区域照明主要采用5寸筒灯、T8荧光灯和MR16射灯，有楼宇自控系统进行开启和关闭，整个大楼内的亮度基本符合设计要求。租户办公区主要采用T8普通荧光灯。

本次改造将上海万都中心原有的普通照明灯具进行了更换，其中，公共区总计更换LED灯具5 647套、租户总计更换LED灯具14 329套，全部满足《GB50034-2013建筑照明设计标准》的要求。总计节约耗电131.6万kWh，节约标煤379.1 tce。

6 综合节能改造效益汇总

综合以上节能改造方案，不仅降低能耗和污染物排放，对于业主方还会带来很多直接和间接的受益和好处。

6.1 节能效益

将各分项节能措施综合节能效果汇总，见表3。改造项目总节能量为711.6 tce，单位建筑面积能耗下降17.7%，且项目投资回报较好，具有较强的可实施性。

表3 节能技术措施综合节能效果汇总表

6.2 环保效益

通过超低氮真空热水炉和空气源热泵技术应用，淘汰原有燃油蒸汽锅炉，解决了污染排放超标问题，可将NOx排放值指标由150 mg/m3降至16 mg/m3，获得直接的环境效益，并成功入选《上海市锅炉提标改造（低氮燃烧）示范项目》。

6.3 节约运营费用

本技术改造不仅可以节约大厦运营能源费用，还可在淘汰原有燃油蒸汽锅炉的同时，降低锅炉运行的人工费用，以及蒸汽锅炉的维修、保养、水处理费用总计约50万元。原锅炉房面积可扩充为商业面积约600 m2。若考虑地方政府政策性补贴收益，将降低节能改造的成本使效益进一步提升。

7 结论与展望

本文对上海市某典型综合性办公大楼进行了综合节能技术改造的方案设计和节能潜力分析，通过冷热源智能调控技术改进系统运行策略，以及超低氮冷凝真空热水炉采暖技术、空气源热泵热水技术、高效LED照明技术的综合应用，不仅可将NOx排放值降至16 mg/m3，每年还可以直接降低能源消耗711.6 tce，实现节能改造和环保改造的双赢，业主与社会的双赢。该技术方案对夏热冬冷及夏热冬暖地区既有办公建筑的节能低氮技术改造具有较大的参考价值。