上海辦公建筑節能改造技術研究

謝 立寇玉德

1上海市能效中心

2上海市建筑建材業市場管理總站

研究背景

當前，在上海市建筑節能各領域中，既有公共建筑節能改造依然是當前建筑節能工作的主要內容之一。根據《2016年上海年鑒》，截止2015年，上海房屋總計120 390萬m2，非居住房屋有57 383萬m2。此外，上海市于2005年前建成的公共建筑約有2億m2，這些建筑至今已運行10年以上，設備的老化及當時尚未執行節能標準等因素造成運行能耗大，對全市的建筑節能工作影響很大。為促進既有公共建筑節能改造工作的開展，上海市相繼出臺扶持政策大力推動既有公共建筑節能改造的示范。

“十三五”期間，公共建筑節能改造仍將是上海建筑節能工作的重點，有必要在既有公共建筑節能改造的基礎上，對項目中各項節能改造技術進行歸納梳理、總結經驗以指導上海地區公共建筑節能改造工作更好開展。

1 上海辦公建筑情況

根據上海市住房和城鄉建設管理委員會和上海市改革和發展委員會發布的《2016年度上海市國家機關辦公建筑和大型公共建筑能耗監測及分析報告》（以下簡稱2016年度報告）：截至2016年12月31日，接入到上海市國家機關辦公建筑和大型公共建筑能耗監測中心平臺的公共建筑有1 501棟，總建筑面積6 572.2萬m2，辦公建筑約占45%，其中機關辦公182棟，數量占比為12.1%，總建筑面積368.4萬m2；辦公建筑497棟，數量占比為33.1%，總建筑面積2 189.1萬m2。根據《2016年上海年鑒》，截止2015年，上海非居住房屋有57 383萬m2，其中辦公樓為7 343萬m2，占比約為13%。因此，研究上海的辦公建筑節能改造技術是推進上海公共建筑節能改造的一項重要工作。

2 辦公建筑分布特點

本文的研究工作主要基于上海27個既有辦公建筑節能改造項目。辦公類項目總建筑面積150.24萬m2。辦公建筑進一步可細分為商務辦公建筑和機關辦公建筑，其數量和面積分布如圖1和圖2所示。其中，商務辦公建筑數量較多，占總數的比例達到85%，面積比例達到84%。

圖1 辦公建筑數量分布

圖2 辦公建筑面積分布

如圖3所示，從辦公類項目建造年代看，主要分布在1991～2005年之間建造，占到項目辦公建筑總數的89%。

圖3 辦公建筑年代分布

3 辦公建筑用能分析

根據2016年度報告，國家機關辦公建筑年用電強度合理值為109kWh/（m2·a）,辦公建筑年用電強度合理值為115kWh/（m2·a）。改造前機關辦公類項目最大單位面積能耗為176 kWh/（m2·a），最小為104 kWh/（m2·a），平均為138 kWh/（m2·a）。商務辦公類項目最大單位面積能耗為196 kWh/（m2·a），最小為 50 kWh/（m2·a），平均為 122 kWh/（m2·a）。

3.1 辦公建筑用能特點

辦公建筑自身的建筑特點決定了其獨特的能耗特點。影響辦公建筑能耗的因素主要包括圍護結構、暖通空調、照明系統和辦公設備系統等。辦公建筑用能特點如下：

（1）圍護結構對能耗影響相對較大：辦公建筑造型豐富，建筑形體較復雜，窗墻比較大。圍護結構熱工性能的特點與建筑建造年代有密切的關系。2005年《公共建筑節能設計標準》(GB50189-2005)發布前建造的辦公建筑，其建筑填充墻材多為實心黏土磚、空心黏土磚或加氣混凝土砌塊等，熱工性能較差，一般在2.0W/（m2·K）左右。2005年后建造的辦公建筑，圍護結構的熱工性能有了較大的提升。如墻體保溫材料種類有硬泡聚氨酯、巖棉板、擠塑聚苯板、保溫砂漿等，墻體傳熱系數一般在 1.0W/（m2·K）左右。辦公類項目改造前采用節能窗戶的比例較低，多數辦公建筑外窗傳熱系數在4.7～6.4 W/（m2·K）之間。

（2）辦公建筑空調負荷特點是工作時間穩定，使用功能單一。辦公建筑的空調負荷主要為辦公、會議及相關配套服務；特殊區域用能設備主要是網絡機房的用電和空調。

（3）辦公建筑中的照明和設備電耗有很強的規律性，與人均辦公面積、工作時間等關系密切。其節能潛力在于降低非工作時間段的辦公電器待機電耗、選用節能的電腦設備。

（4）電熱開水器、電梯、給排水泵等建筑物內綜合服務設備，其耗電量在辦公建筑中占5%～10%的比例。這類設備的能耗特點是：往往只有很少一部分時間工作在額定功率下、啟停或功率變化頻繁，具有較大的隨機性。

（5）特殊功能設備電耗高。據統計，200m2左右的信息中心全年耗電量能占到2～3萬m2辦公建筑全年電耗的30%～40%。

此外，多數機關辦公建筑由于投入使用年限較久、設備老化程度較高、用能人數增長較快等原因，導致總體能耗呈逐年上升趨勢，能耗總量控制壓力加大。

3.2 辦公建筑用能結構

在辦公類建筑中，能源消耗形式有電力、天然氣、燃油等。電力主要用于空調、照明、插座、動力等，同時也是主要的耗能形式。天然氣、燃油等其他燃料主要用于集中空調的供暖。

某商務辦公項目總建筑面積144 241m2，空調系統形式為離心式冷水機組+電鍋爐，能源消耗形式為電力，基準年能耗為14 011 375kWh。全年能耗數據構成如圖4所示。由圖4可看出，暖通空調系統能耗最大，占全部能耗的37.48%；照明系統能耗占總能耗的29.53%，室內設備系統能耗占總能耗的24.28%，這兩個系統的耗電量也相對較高；綜合服務系統（包括電梯、水泵等）占總能耗的3.62%，特殊功能區能耗占總能耗的1.33%；其余用能都并入“其他”，占總能耗的3.75%。

圖4 典型辦公建筑能耗組成

由圖5可以看出，該辦公樓的用電高峰出現在1月、2月和12月，主要是由于大樓的冬季采暖全部使用電加熱鍋爐，用高品味的電能直接轉化為低品位的熱能進行采暖，熱效率低，運行負荷高；這期間處于冬季氣溫最低時段，采暖負荷高，耗電量很大。用電量次高峰出現在7月和8月，此期間為夏季空調供冷主要時期，室外氣溫高，室內空調冷負荷高，空調系統耗電量較大。

圖5 典型辦公大樓逐月用電量

該辦公樓的空調通風系統涉及的區域和用能范圍很廣，能耗占總能耗比例很大，現對其進行進一步的能耗拆分，以明確系統中各用能設備的具體能耗量情況。從圖6可以看出，空調系統中，冷水機組電耗占空調系統電耗的33.63%，新風空調機電耗占空調系統電耗的18.83%，冷水泵電耗占空調系統電耗的14.88%，送排風機電耗占空調系統電耗的1.38%，風機盤管電耗占空調系統電耗的28.62%，冷卻塔占空調系統電耗的2.66%。冷水機組和新風空調機組是主要的空調電能消耗設備。

圖6 典型辦公大樓空調通風系統電耗比例

辦公大樓采暖系統采用電加熱鍋爐，能耗消耗量較大，現對其進行進一步的能耗拆分，明確系統中各能耗設備的能耗量情況。從圖7可看出，采暖系統中，鍋爐系統能耗占采暖系統能耗的70%，為主要耗能設備；末端風機盤管和新風機組電耗占采暖系統能耗的27.15%，為次要耗能設備；采暖泵電耗占采暖系統能耗的2.37%。

圖7 采暖系統能耗比例

4 節能改造技術

辦公建筑的能耗一般可分為空調能耗、照明能耗、插座能耗、電梯和給排水等綜合服務設備能耗以及其他能耗。節能改造項目涉及的節能改造技術措施多達百種，常用的節能改造涉及圍護結構、供暖通風空調、照明系統等（見圖8）。

圖8 辦公建筑主要用能系統改造的頻率分布

4.1 圍護結構

4.1.1 外窗改造

建筑外窗是整個建筑圍護結構中熱工性能最薄弱的部分。外窗改造可采用整窗拆換、加窗及窗扇改造等多種節能改造措施，改善外窗的熱工性能。外窗的改造通常包括拆換、加窗、貼膜、遮陽等方式。

4.1.2 外墻、屋面保溫改造

外墻、屋面保溫改造是指采用一定的固定方式（粘結、機械錨固、粘貼+機械錨固、噴涂、澆注等），把導熱系數較低的絕熱材料與建筑物固定一體，增加墻體的平均熱阻值，從而達到保溫或隔熱效果。外墻保溫改造適用于窗（墻）比較小、外墻熱工性能差的公共建筑。屋面保溫改造適用于屋面面積占外圍護結構面積比例較大的建筑。從項目應用情況看，外墻保溫改造通常結合建筑外立面改造、屋面防水改造同時進行，節能效果較為明顯。

4.2 供暖通風空調

4.2.1 主機、輸配系統與末端更換

（1）更換冷熱源機組

將使用時間久、效率低下的冷熱源機組更換為效率較高的離心式冷水機組、螺桿式冷水機組、空氣源熱泵機組、磁懸浮離心式冷水機組、熱源塔熱泵機組或者燃氣鍋爐等，以提高機組效率、降低能耗。

（2）更換水泵、風機和冷卻塔

更換水泵是指采用更高效的冷水泵、熱水泵替代原有老舊、效率低下、流量或揚程不匹配的水泵，從而降低輸配系統能耗。更換風機是指采用更高效率的風機替代原來老舊、效率低下的風機，從而降低空調系統的風機能耗。更換冷卻塔是指采用更高效的冷卻塔替代原來老舊、冷卻能力低下的冷卻塔，從而提升冷卻塔的冷卻能力。

4.2.2 主機、輸配系統與末端變頻

（1）離心式冷水機組變頻

離心式冷水機組安裝變頻器后可加大機組運行范圍，并大幅提高機組部分負荷性能，使機組始終處于節能高效運行狀態，同時可降低機組啟動電流，避免機組頻繁啟停，延長設備使用壽命。

（2）輸配系統變頻

輸配系統變頻是指通過采用變頻技術改變集中空調系統水泵和風機轉速，調節管道流量，以取代閥門調節及旁通方式。

（3）冷卻塔變頻

冷卻塔變頻是指根據冷卻塔的出水溫度通過冷卻塔風機變頻器調整風機的轉速，實現冷卻塔的節能運行。冷卻塔風機變頻適合長期處于部分負荷工況運行下的公共建筑改造。

4.3 照明與插座

4.3.1 采用高效節能光源和燈具

采用高效節能光源和燈具替換傳統光源（如球泡、熒光燈泡、白熾燈泡）或燈具。LED燈具適用于所有公共建筑，對地下車庫、走道、大廳等公共區域的傳統燈具或光源可采用性能參數滿足要求的LED照明燈具或光源直接替換，同時配合智能控制方式實現節能降耗。LED照明具有節能、經濟，使用壽命長，通用性好等優點。

4.3.2 智能照明控制

智能照明系統控制是照明節能設計優化的重要措施，智能照明控制應根據某一區域的功能、使用時間、室外環境對該區域的影響及該區域的用途來進行智能照明控制。采用集中控制、定時控制、感應開關控制等多種方式，可減少燈具啟用時間，從而實現節能降耗。

4.3.3 節能插座與智能插座

節能插座是指通過設置插在主控孔上電器的開機/關機狀態，自動實現開啟和關閉其他受控孔的電源插座，從而減少電器待機能耗，達到省電目的。

智能插座是指在插座內設置WiFi模塊，通過智能手機的客戶端進行功能操作的電源插座，遙控插座通斷電流，設定插座的定時開關。采用智能插座，對辦公輔助設備進行控制。通過對智能插座進行屬性定義（定時、延時）和開關設置，實現下班后設備及時自動關閉，減少能耗浪費。

5 節能改造效果分析

圖9是辦公建筑節能改造技術使用頻率Top 10排名。從圖中可以看出，對于辦公建筑，非節能燈具更換為LED燈具的使用頻率最高，在27個項目中出現了20次。除此之外，集中空調系統的水泵變頻、空氣源熱泵機組以及冷凍機房的群控使用比例較高。相對于其他類型的公共建筑，圍護結構對辦公建筑能耗的影響較大，單層玻璃更換為雙層玻璃以及外窗貼膜技術均出現在使用頻率前十的排名。

圖9 辦公建筑節能改造技術使用頻率Top 10排名

圖10是辦公建筑節能改造技術節能率Top10排名。從圖中可以看出，對于辦公建筑，某辦公樓將燃油鍋爐+蒸汽型溴化鋰吸收式冷水機組更換為多聯式空調（熱泵）機組，節能率達到16.5%。此外，空氣源熱泵機組、LED燈具和高效離心式冷水機組也有上佳的性能表現。

圖10 辦公建筑節能改造技術節能率Top10排名

商務辦公建筑改造后單位面積能耗平均值為93.44kWh/m2，機關辦公建筑改造后單位面積能耗平均值為105.82kWh/m2。從節能率來看，商務辦公建筑改造的節能率平均值為23.12%，機關辦公建筑改造的節能率平均值為23.07%，如表1所示。

表1 項目數據對比

6 小結

上海辦公建筑數量巨大，很多是2005年未執行節能設計標準時建造的。隨著經濟的發展、環境控制標準的提高、人們對于環境舒適程度的重視，辦公建筑的能耗水平呈逐年上升的態勢，因此辦公建筑節能勢在必行。通過針對不同建筑的特點、用能情況的差異等因素，應合理選擇相應的節能改造措施。