城市高层建筑的可再生能源论证分析

陈良，赵薇娜，黄柱乐

（1.广西大藤峡水利枢纽开发有限责任公司；2.东莞市企石镇水务工程运营中心）

1 引言

在我国，建筑能耗已占到全社会终端能耗的30%左右[1-2]。在建筑能耗中，采暖、制冷、空调和热水占75%，建筑能源的大量消耗使能源的供需“瓶颈”日益显著。新建、改建和扩建民用建筑，从建筑物使用功能、规模、场地条件等方面对可再生能源的应用进行研究论证[3]，并至少选择一种可再生能源在建筑中规模化应用，推进可再生能源建筑应用城市示范工作，将大幅提高可再生能源在建筑用能中的比例，促进城市建筑节能事业的发展。

2 项目概况

某生产调度业务楼项目位于南宁市五象新区[4]，总建筑面积为94861.3m2，包括一栋20层的办公楼、一栋25层公寓式办公楼、一栋20层商务综合业务楼，以及配套的地下停车场和其他配套的管理用房、公厕、消控室等，容积率4.99，建筑密度34.82%。据相关规定，本项目考虑应用可再生能源。

3 项目周边可再生能源情况

3.1 太阳能资源情况

本项目位于广西壮族自治区南宁市，年平均太阳辐射量为4679.66MJ/(m2·a)，一年中7-8月份最高，1-2月份最低，属于第Ⅲ类资源一般区，也属于资源可利用区（见表1、图1）。

图1 广西太阳能分布图（来源于广西壮族自治区可再生能源建筑应用“十二五”规划）

表1 太阳能资源分布划分表

3.2 地表水资源情况

该项目周围地表水资源匮乏，北面为邕江，直线距离为1.1km，且项目至江边为其他项目区域，地面为居住小区及公司等，地下管廊无多余空间。邕江实测最大水深23m，最大流速2.8m每秒，最大河宽1000m，正常水位宽300m至400m，大洪水涨落变幅15m至18m。枯水河床平均坡降为0.1‰，流速每秒0.3m，险滩局部坡降6‰，流速达3.5m每秒。

3.3 水文地质情况

拟建场地位于南宁市五象新区，周边均为市政道路，场地已经进行三通一平。根据岩土工程勘察报告显示，场区主要地层为第四系人工堆积层（Q4S）。

场地内无地表水，地下水根据含水介质的特征和地下水赋存条件、水力特征，根据勘察结果，场地地下水按其埋藏特点可分为上层滞水及基岩裂隙水。上层滞水层主要分布于人工填土、粘土层中，其补给来源主要为大气降水；基岩裂隙水主要赋存于下部第三系岩层裂隙中，富水性贫乏。勘察期间未发现地下水。

3.4 周边污水情况

根据本地区污水规划可知，规划范围内均采用分流制的排水体制。工业污水和有毒废水必须由单位内部进行处理，达到国家有关标准，再进入城市污水厂集中处理。目前周边污水资源管网处于建设阶段，无污水资源进行污水源热泵技术的实施。

4 项目应用可再生能源的负荷类型

该项目属于公共建筑，本身无热水负荷，仅有照明用电负荷、空调负荷。经计算，该建筑空调冷负荷为2016kW，空调热负荷为1008kW。公共区域照明负荷共计13.7kW。

5 项目可再生能源应用可行性分析

5.1 地埋管地源热泵系统利用的可行性

根据空调冷热负荷情况，计算项目全年冷热平衡情况。经分析，本地块全年冷热不平衡现象较严重，若利用地埋管地源热泵系统，其冷负荷为热负荷的4倍，全年冷负荷大于热负荷，不符合《地源热泵系统工程技术规范》的相关规定。系统长期运行易产生岩土热堆积，导致地埋地源热泵机组运行效率逐年下降，进而导致地埋地源热泵运行成本较高，经济效益急剧下降。

通过计算，该项目可用于铺设地埋管的面积不满足预留钻井空间位置，不宜采用土壤源热泵热水系统。故本项目不宜采用地埋地源热泵系统。

5.2 地下水源热泵系统利用的可行性

本项目地下水资源主要由大气降水补给，水量一般。地下水源热泵系统要求保证采取可靠的地下水回灌措施，确保置换热量后的地下水全部回灌至同一含水层。若要成功实施地下水回灌，必须经过严格的论证。近年来，为保护地下水和地下水环境，国内部分城市已出台相关政策文件禁止在城市、集镇等建筑物密集区取用地下水用于地源热泵系统。尽管广西区内尚无出台政策制度，但目前地下水源热泵系统能够保证完全回灌成功的工程实例很少，一旦回灌失败，将造成地下水资源的浪费，甚至引起地面塌陷。因此，在城区范围内采取地下水源热泵技术在业界尚存在较大的争议。故本项目不适宜采用地下水源热泵系统。

5.3 地表水源热泵系统利用的可行性

该项目北面为邕江，直线距离为1.1km，项目地址与取水源距离较大，且管路必须历经其他项目建设用地，造成水输送系统成本高，管路施工协调困难。

对于江水源热泵的应用，其可再生能源部分的投资主要体现在系统的取水系统投资，主要有取水构筑物、取退水管道、机房及设备、室内管道及运行控制系统等。根据计算，该项目空调系统及热水全部采用地表水源热泵系统，其年节能量约42万kW·h，按电价1元/kW·h计算，年节约费用约42万元。经估算该项目总投资约为1307.9万元，相比常规空调系统年节约费用42万元，则投资回收期为31年。

从实施条件和节能效益出发，本项目不宜采用地表水源热泵系统对整个项目进行可再生能源规模化应用。

5.4 污水源热泵系统利用的可行性

该项目所在地域的污水管网主要收集的是沿途居民生活污水，由于附近的污水管网正处于建设阶段，污水量小且不稳定，无法满足污水源热泵实施的条件，因此该项目不宜采用污水源热泵系统。

5.5 太阳能光电利用的可行性

5.5.1 太阳能光伏发电系统的技术性分析

光伏发电通常有两种利用方式，一种是依靠蓄电池来进行能量的存储，另一种利用方式为并网使用。

本项目采用无逆流并网光伏发电系统，即太阳能光伏发电系统即使发电充裕也不向公共电网供电，但当太阳能光伏系统供电不足时，则由公共电网向负荷供电。系统原理图详见图2。

图2 光伏发电系统原理图

5.5.2 方案设计

本项目光伏发电系统主要由光伏电池组件、光伏逆变器、配电系统等重要部分组成。采用太阳能光伏发电技术则设计功率不能低于50kWp，并优先使用在无自然采光的地下车库，本项目在屋顶层上布置太阳能板，现将屋顶层全覆盖太阳能板（部分区域需架空敷设），在预留检修通道后可敷设216块太阳能电池板。电池组件总功率为216×235W/块=50.76 kWp，选用多硅晶235kWp电池组件，经过串、并联接方式连接，接入光伏逆变器系统交流输出接入低压交流母线，为地下车库照明供电。

本项目太阳能光伏系统的发电功率约为46.35kW（考虑逆变器等损耗约为10%），发电功率满足地下室车库公共区域的照明用电13.7 kW。

5.5.3 太阳能光伏发电系统的经济性分析

综合太阳能组件、安装及附件费、设计费、系统集成费、工程管理费、安全措施费、营业税、增值税、教育附加税等因素，该项目总成本为40.22万元。

按10%的转换效率，南宁市年太阳辐照量4679.66MJ/(m2·a)，根据《可再生能源建筑应用示范项目测评导则》中关于太阳能光伏发电系统发电量计算公式，得出光伏发电系统年发电量约4.6万kW·h。

5.5.4 投资回收期

以本地区非居民基准电价测算，本项目的年节约费用为4万元，收回成本需要40.22÷4=10年。

6 建议与结论

该项目采用太阳能光伏发电技术条件成熟，主要用于地下车库与公共区域的照明。符合可持续绿色建筑理念，从政策、经济效益、技术可行性等方面综合考虑，建议该项目采用太阳能光伏发电系统。

本项目实施后，建筑节能率50.39%，可再循环建筑材料用量比10.20%，获得二星级绿色建筑设计标识证书。