分布式能源与经典建筑的融合.docx

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分布式能源与经典建筑的融合

一、不同用途建筑物应采用不同分布式能源系统和不同排热回收装置

1．不同用途建筑物冷、暖、热水、电峰值负荷不同，全年负荷量也不同，故应依照负荷性能质选取分布式能源燃气机类型。

表1、表2分别表达宾馆、医院峰值负荷和全年负荷量。

表3、表4分别表达燃气内燃机和燃气轮机排热回收量。

燃气轮机分为大中型（0kw）、小型（1000~0kw）和微型（<1000kw），分布式能源系统中常使用是小型和微型燃气轮机，微型燃气轮机压比约为4.0，透平进口温度约为1000℃，出口烟气温度约为650℃，回热器排温（出口烟温）不大于320℃。

燃气轮机和燃气内燃机重要区别见表5。

从表5可知，燃气轮机排热量所有为450~550℃烟气排热量，排热量/发电能力较大，烟气温度较高，当建筑冷、热负荷较大或需要蒸汽负荷量较大时，可采用这种方式。

当建筑规定生活热水负荷较多时，由于生活热水所需温度较低，故可采用燃气内燃机方式。

表1                      宾馆、医院峰值负荷

宾馆

医院

建筑面积（m2）

25270

14342

冷负荷（kcal/m2·h）

75.54

66.4

采暖负荷（kcal/m2·h）

67.64

128.8

生活热水负荷（kcal/m2·h）

28.47

20

电负荷（热源辅机除外）（w/m2）

28.1

34.5

蒸汽负荷（kcal/m2·h）

61.1

表2                      宾馆、医院全年负荷

宾馆

医院

建筑面积（m2）

25270

14342

全年冷负荷（Gcal/m2·a）

0.0876（33.48%）

0.039（12.95%）

全年采暖负荷（Gcal/m2·a）

0.095（36.15%）

0.098（32.56%）

全年生活热水负荷（Gcal/m2·a）

0.079（30.37%）

0.049（16.28%）

全年蒸汽负荷（Gcal/m2·a）

0.115（38.21%）

全年电负荷（kwh/m2·a）

205.4

174.6

表3     燃气内燃机发电机容量和排热回收量（最大值）关系

发电能力（kw）

100

200

300

400

600

900

排热

回收

量

水套排热（Mcal/h）

97

194

290

386

580

869

排气排热（Mcal/h）

54

108

163

217

325

488

共计（Mcal/h）

151

302

453

603

905

1358

排热量/发电能力

1.51

1.51

1.51

1.51

1.51

1.51

表4       燃气轮机发电机容量和排热回收量（最大值）关系

发电能力（kw）

200

400

1000

排热回收量（Mcal/h）

392

783

1782

排热量/发电能力

1.96

1.96

1.78

表5               燃气轮机和燃气内燃机重要区别

燃气轮机

燃气内燃机

发电效率（%）

27.0~39.0（小型、微型）

30.0~45（柴油内燃机）

排热量/发电能力（Mcal/h/kw）

1.8~1.96

1.51

排烟温度和排气排热量

450~550℃

（所有排热量）

400~450℃，约为所有排热量35%

水套出口水温和水套排热量

55~90℃，约为所有排热量65%

2．不同用途建筑物应采用不同排热回收装置

（1）选取排热回收装置重要性

排热回收是分布式能源特有技术，运用排热量多少和排热装置效率直接决定了分布式能源系统经济性、节能性，同步还对系统初投资、占地和系统可靠性、耐久性和维护保养性有很大影响。

选取排热回收装置普通原则是使冷（热）负荷和电负荷达到平衡，以便充分地运用排热量，提高分布式能源系统能源运用率。

（2）排热回收装置

①配套烟气型冷热水机，即不通过余热锅炉热转换环节排热运用方式。

重要型式有：

发电机配套低温尾气型冷温水机，制冷机运用发电机230~350℃尾气，单效循环进行制冷或制热；发电机配套高温尾气型冷温水机，冷温水机运用发电机380℃以上尾气，双效循环进行制冷、制热或提高生活热水，发电机配套高温尾气补燃型直燃机，余热直燃机运用发电机380℃以上尾气和燃料二种能源进行制冷、制热和提供生活热水；发电机配套尾气缸套水型冷温水机，制冷机运用380℃以上尾气，93℃以上缸套水二种能源，双效循环进行制冷、制热和提供生活热水。

②排热回收用换热器（见表6）

表6                      排热回收用换热器分类

排热回收形态

发生蒸汽

产生热水

产生热风

排

热

排

出

形

态

排

气

排

热

发生蒸汽用换热器

·余热锅炉

产生热水用换热器

·管壳式

·板式

·直接接触式

产生热风用换热器

·管壳式

·板式

·排气直接运用式

冷

却

水

排

热

发生蒸汽式冷却水

换热器

·沸腾冷却

产生热水式冷却水换热器

·管壳式

·板式

·直接冷却式

产生热风式冷却水换热器

·管壳式

·板式

表6表达依照排热排出形态和回收形态换热器分类。

其中产生热风空气预热器不但要承受500~600℃高温，并且燃烧气体中凝结水对材质也有很大影响，近来开发板壳式换热器（空气预热器）不但能满足上述规定，并且传热效率较高。

（3）依照建筑需求，选取适当排热回收装置

①国内已有燃气内燃机分布式能源系统水套排热冷却水上限温度约为90℃，当以它作为单效循环吸取式制冷机热源时，机组体积大，能效系数低。

②对于烟气温度为500~600℃排气，可采用对接式烟气冷温水机，也可采用梯级运用方式，第一级发生蒸汽，满足工艺或吸取式制冷机规定，第二级通过水-水换热器发生热水。

二、设计人员采用习惯俗成冷（热）指标办法作为分布式能源系统设计根据是不适当

1．建筑面积和冷（热）源冷量关系

建筑面积越大，单位面积空调冷量越小。

《上海公共建筑能耗现状及节能潜力分析》通过对上海公共建筑调查得出，当建筑面积为1~2万m2时，空调装机冷量为140w/m2，当建筑面积为2~3万m2，该值为135w/m2，当建筑面积为7~8万m2时，该值为110w/m2。

因素是：

大面积高层建筑中各某些空调使用状况差别较大，也就是说有较大负荷参差率和同步使用率；峰值冷量并不等于各某些和各房间高峰负荷简朴地叠加；大面积高层建筑对建筑节能相对较注重，采用了相应节能办法，故减少了空调装机容量。

2．国内设计冷热负荷指标值比实际使用中最大值大得多

表7、表8、表9是国内关于供热空调设计手册中规定冷（热）和生活热水指标值。

设计时以表7中既有建筑，表8和表9为根据，将峰值冷（热）量简朴叠加，并乘以不不大于1安全系数。

按冷（热）负荷指标设计选取成果，必然浮现高估和冒估问题，即实际负荷大大低于估算值，如某些大楼空调装机容量虽然在最热天气也只使用一半左右。

表7  采暖热指标推荐值

建筑物

类 型

住宅

居住区

综合

学校

办公

医院

托幼

旅馆

商店

食堂

餐厅

影剧院

展览馆

大礼堂

体育馆

既有

建筑

43~56

（58~64）

（60~67）

58~81

（60~80）

64~81

（65~80）

58~70

（60~70）

64~87

（65~80）

116~140

（115~140）

93~116

（95~115）

116~163

（115~165）

节能

建筑

28~37

28~36

27~39

30~39

27~34

30~41

99~119

79~99

99~140

注：

热指标指民用建筑设计热负荷，不涉及管网、热力站等热损失。

表8                        空调冷负荷指标

建筑类型及房间名称

冷负荷指标

（w/m2）

建筑类型及房间名称

冷负荷指标

（w/m2）

旅游、旅馆：

客房（原则层）

酒吧、咖啡

西餐厅

中餐厅、宴会厅

商店、小卖部

中庭、接待

小会议室（容许小量吸烟）

大会议室（不许吸烟）

理发、美容

健身房、保龄球

弹子房

室内游泳池

舞厅（交谊舞）

舞厅（迪斯科）

办公

80~110

100~180

160~200

180~350

100~160

90~120

200~300

180~280

120~180

100~200

90~120

200~350

200~250

250~350

90~120

商场、百货大楼：

营业室

150~250

影剧院：

观众席

休息厅（容许吸烟）

化妆室

180~350

300~400

90~120

体育馆：

比赛馆

观众休息厅（容许吸烟）

宾客室

120~250

300~400

100~120

展览厅、陈列室

会堂、报告厅

130~200

150~200

图书阅览

75~100

科研、办公

90~140

医院：

高能病房

普通手术室

干净手术室

X光、CT、B超诊断

80~110

100~150

300~500

120~150

公寓、住宅

80~90

餐馆

200~350

表9                   居住区生活热水热指标

用水设备状况

热指标

（w/m2）

备注

住宅无生活热水设备，只对公建供热水

2.5~3

所有住宅有浴盆并供应生活热水时

40

20

热力站供热面积<2万m2

热力站供热面积>2万m2

  3．国内设计冷（热）负荷指标值与国外同类建筑比，在相似气候条件下也大得多。

在《上海公共建筑能耗现状及节能潜力分析》文中指出，上海空调大楼平均装机冷量为112.8w/m2，比东京大12.6%。

而上海夏季干球温度比东京平均仅高1℃，湿球温度基本相似，虽然气候条件差别导致围护构造传热负荷和新风负荷比东京大12%，但由于大型公共建筑围护构造传热负荷占总负荷比例很小，加上新风也仅比东京大3~4%。

4．建筑节能对冷（热）负荷影响

从表7采暖热指标推荐值可知，节能建筑热指标比既有建筑低得多，在分布式能源系统设计时，对于新建建筑应采用节能建筑热指标数值。

从表10还可知，国内建筑节能还具备很大潜力。

表10             北京建筑采暖能耗与某些国家比较      w/m2

执行新节能原则前采明期平均能耗

30.1

执行新节能原则后采暖期平均能耗

20.6

瑞典、丹麦、芬兰等国采暖期平均能耗

11

5．国内公共建筑物特点对冷（热）负荷影响

国内公共建筑特点：

（1）大型化：

如××机场新建航站楼50几万m2，大学城50万m2~100万m2，软件园30万m2~40万m2，

（2）功能复杂，往往将办公、公寓、商场、餐饮、娱乐等各种设施集中在一幢高层建筑之中。

在设计分布式能源系统时，必要考虑不同使用功能建筑同步使用系数和参差系数对冷（热）负荷影响。

6．建议采用详细和先进负荷计算办法。

在可行性设计阶段，当设计条件不具备时，也可采用指标估算办法，但应有一定科学根据，越是大型建筑越是需要考虑负荷参差率，即在负荷估算值基本上乘以一种不大于1系数（普通取为.7~0.8）。

三、在运用记录数据计算各类建筑能耗时，要考虑节能办法对建筑能耗影响

1．国内当前住宅建筑和公共建筑采暖、空调能耗

（1）住宅采明能耗现况：

北京某些住宅建筑平均采暖能耗约为0.5GJ/m2·a（140kwh/m2·a），相称于表11中德国80年代住宅水平，具备委大节能潜力。

表11                     德国住宅采暖能耗变化

住宅发展阶段

住宅采暖能耗（kwh/m2·a）

20世纪70年代前住宅（未改造）

20世纪80年代住宅

20世纪90年代低能耗住宅

超级低能耗住宅

300~400

150~200

50~80

20~40

（2）上海公共建筑空调能耗现况

《上海公共建筑能耗现状及节能潜力分析》文中对9幢办公楼和商办楼全年空调能耗调查成果：

平均能耗为1.8GJ/m2·a（析算年一次能耗）。

比日本办公楼节能原则1.256GJ/m2·a大，阐明节能潜力较大。

2．供热空调系统节能对全年能耗影响

（1）供热空调节能系统（见表12）

表12                     供热空调节能系统

项目

节能系统

机器

项目

节能系统

机器

1

可变流量方式

·VAV方式

·VWV方式

·台数控制

·VAV机组

·风机转速控制

·水泵转速控制

2

3

4

高效率控制系统

辐射采暖空调

蓄能系统

·计算机控制

·低温地板辐射采明

·立式蓄热槽

·潜热蓄热

（2）节能办法对供热空调能耗影响

①节能对象办公楼建筑（见表13、表14）

表13                      建筑面积2万m2办公楼

项目

内容

指标

建筑面积

空调面积

设计人数

实际人数

冷源

热源

合同电力

空调风量

新风量

0m2

1m2

人

1000人

2100kw

1600kw

800kw

00m3/h

40000m3/h

60（55~75%）

1人/6空调m2

50（40~60）人/千m2（建筑面积）

105（70~140w/m2）

80（55~120）w/m2

40（30~40）w/m2

10（10~20）m3/m2·h

2（2~4）m3/m2·h

热源动力

空调泵

空调机

送排风机

卫生泵

电梯

照明、万能插座

其他

共计

260kw

80kw

150kw

80kw

50kw

60kw

500kw

20kw

1200kw

13（4~15）w/m2

4（2~8）w/m2

7.5（4~10）w/m2

4（3~9）w/m2

2.5（2~6）w/m2

3（2~7）w/m2

25（20~35）w/m2

60（50~100）w/m2

表14                        不同用途能耗及比例

项目

燃气量

1次能GJ/a

1次能共计

比例%

直燃机（含补机）

170千m3/a

7829

7829

21

项目

设备容量

kw

最大负荷

kw

Mwh/a

1次能GJ/a

热源

比例%

冷热机组（含补机）

空调用泵

空调机

送排风机

卫生泵等

电梯

照明、万能插座

其他

共计

260

80

150

80

50

60

500

20

1200

180

50

100

40

20

40

350

20

800

360

200

330

200

100

160

1400

150

2900

3692

2051

3384

2051

1026

1641

14358

1538

29742

3692

热输送

5436

动力

4718

14358

1538

37572

10

14

13

38

4

100

合同电力800kw   单位面积能耗1879MJ/m2·a

②节能办法（共8项）（见表15）

表15                     节能项目及节能率

节能项目

减少用气量（千m3/a）

减少用电量（MW/a）

节能率（换算为一次能）

变更空调设定温度

缩短空调时间

减少新风量

减少空调机风量

白天、休息日熄灯

节约照明用电

夜间自动售货机关灯

小计

换算为一次能

17

8.5

14.3

39.8

1833.GJ/a

36

46

64.3

72

39

50

48

355.3

3644GJ/a

3.0

2.3

3.5

2.0

1.1

1.4

1.3

14.6%

·变更空调设定温度：

当将夏季空调室内设定温度提高1℃，冬季采暖设定温度下降1℃时，能减少冷（热）源能耗10%，即减少夏季空调燃气量170千m3/a×0.1=17千m3/a；减少空调、采暖用电量360MWh/a×0.1=36MWh/a。

·缩短空调时间1h：

当将50%空调系统在开业、停业时缩短运营1小时，即（1h/10h=0.1→10%）时，减少供热空调用气量为前项1/2，即8.5千m3/a；减少供热空调用电量（360+200+360）MWh/a×0.5×0.1=46MWh/a。

·减少新风量：

当减少新风量一半时，即25000m3/h时，减少能耗（夏、冬季）为25000m3/h×1.2kg/m3×29.3KJ/kg×1500h/a=1320GJ/a。

若燃气、电各为一半时，减少供热空调用气量（315Gcal/a×0.5）/11000kcal/m3=14.3千m3/a；减少供热空调用电量（315×0.5）/2450kcal/kwh=64.3MWh/a。

·减少空调机送风量：

当转速减少20%时能减少电耗40%，即360MWh/a×0.5×0.4=72MWh/a。

·白天熄灯1小时：

当照明器具一半白天熄灯1小时时，减少耗电量为300kw×0.5×1h/d×260d/a=39MWh/a。

·减少照明用电：

通过减少照度减少照明负荷削减耗电量为，1000MWh/a×0.05=50MWh/a。

·自动售货机照明关，夜间关：

自动售货机照明关削减耗电量为10台×0.1kw×8000h/a=8MWh/a；自动售货机夜间关削减耗电量为10台×1kw×4000h/a=40MWh/a。

从以上分析可知，节能系统不但减少了供热空调系统运营能耗，并且还减少了供热空调系统装机容量。

在计算分布式能源系统运营能耗时，应充分考虑节能办法效果。

四、公共建筑电力负荷是设计分布式能源重要参数

1．国内公共建筑耗电现况（见表16、表17）

表16                    北京某些宾馆电耗构成（%）

亮马河大厦

新世纪饭店

天桥饭店

宝辰饭店

香山饭店

空调系统

照明系统

锅炉

电梯

给排水

办公设备

55

17

2

9

9

8

44

20

2

9

17

8

50

17

4

13

12

4

40

22

16

16

6

50

6

5

14

16

9

注：

摘自《商业建筑空调节能改造技术指南》

表17                     办公楼电耗构成（%）

总用电量100

照明33.3

冷暖空调41.4

制冷机14.2

空调动力27.2

其他动力（电梯、电脑、冷排水）

25.3

注：

摘自《商业建筑空调节能改造技术指南》

2．照明、办公设备电负荷有增长趋势

当前国内办公室照度原则为100~x，电力负荷约为12~25w/m2，随着办公楼照度水平提高，照明原则将增长至400lx，照明电负荷和照明用电量将有增长趋势。

当前国内办公楼智能化水平较低，办公用电设备少，照明和插座容量电气负荷约为14w/m2，占办公楼总电气负荷40w/m235%。

日本照明和插座电气负荷约为30w/m2。

3．建筑规模不同、空调冷（热）源方式不同对公共建筑电力负荷有较大影响（见表18）。

从表18可知，空调冷（热）源方式不同，对电负荷及用电量有很大影响。

燃气空调冷（热）源电负荷为4~15w/m2，电驱动制冷机为8~37w/m2，分散式为23~36w/m2。

燃气空调用电量为103~106kwh/m2，电驱动制冷机动为152~242kwh/m2，分散式为73~195kwh/m2。

表18                    办公大楼设计参照数据

冷（热）源方式

A：

直燃机（含GHP）

B：

+电驱动制冷机

C：

分散式

建筑面积m2

2万~5万

~2万

不不大于

5万

2万~5万

2万~5万

~2万

建筑名称

A1

A2

A3

A4

A5

B1

B2

B3

B4

C1

C2

C3

C4

职工人数 人/千m2

74

50

64

40

43

48

35

53

47

-

32

45

40

冷

（热）

负

荷

冷负荷w/m2

热负荷w/m2

合同电力w/m2

空调风量m3/m2h

新风量m3/m2h

137

136

33

11

3

119

123

40

11

3

102

77

44

19

3

116

116

44

11

3

110

101

41

12

4

117

77

56

20

3

124

90

53

14

5

59

54

44

10

2

127

125

60

28

5

95

78

65

14

3

141

128

70

36

3

87

81

63

11

2

113

125

35

23

5

电力负荷

热源w/m2

输送w/m2

动力w/m2

照明、插座w/m2

小计

4

11

12

25

52

11

7

9

24

51

12

13

10

30

65

15

8

14

23

60

9

10

6

24

49

16

17

13

62

108

8

11

17

21

57

11

12

11

25

59

37

16

6

36

95

24

8

26

27

88

36

7

13

54

110

23

7

11

24

65

24

6

7

18

55

用能量比例

用能量MJ/m2

用电量kwh/m2

热源%

输送%

动力%

照明、插座%

其他%

1450

112

33

15

12

30

10

1360

118

38

10

14

35

3

1490

126

28

19

6

43

4

1470

126

36

10

16

33

5

1230

103

31

15

8

42

4

1860

171

24

16

10

46

4

2210

186

29

14

23

32

2

1570

152

23

21

13

39

4

2300

242

27

18

6

45

4

1860

195

21

10

24

38

7

1750

186

29

8

11

48

4

1590

164

26

12

13

45

4

900

73

49

9

30

30

3

4．公共建筑电力负荷特点如下：

①用电量夏季大、冬季少；平日多，星期六、星期日少。

②当使用吸取式制冷机时，夏季用电量不增长，但输送系统仍需用电。

③