办公楼宇节能改造技术路线研究

　　 文/林时金 唐世宏 许永强

　　能源托管服务兴起于20世纪80年代，最初主要应用于工业企业，随后逐渐推广到商业和公共建筑领域。随着全球能源危机的加剧和环境问题的日益突出，各国政府纷纷出台政策，鼓励和支持节能减排。基于对传统能源管理模式的优化和对节能减排的迫切需求，能源托管服务作为一种创新性的能源管理模式应运而生。 

　　2022年，国管局、国家发展改革委、财政部等多个部门联合发文，大力倡导公共机构采用能源费用托管服务模式，旨在通过市场化机制，调动社会资本积极性，推动公共机构节能降碳。天津市政府积极响应国家号召，市发展改革委、市住房城乡建设委等多个部门通力合作，率先开展能源费用托管型合同能源管理项目试点工作，为其他地区提供了宝贵经验。本文通过深入分析节能改造关键点，探索在机关办公楼宇实施能源费用托管的技术路线，旨在为项目实施提供科学、系统的技术支撑。 

　　节能改造关键点 

　　机关办公楼宇的能耗主要集中在供暖、通风空调、照明、办公设备等方面。根据节能改造潜力，能耗可分为3类：一是不可控能耗，指由于技术限制或其他客观因素，目前尚无法通过节能改造措施显著降低的能耗。例如，机房设备的运行能耗受制于计算任务的负载，难以大幅削减。二是在控能耗，指已采取了一定节能措施，但仍存在进一步优化空间的能耗。例如，采用节能灯具替代传统照明设备，虽然实现了部分节能，但仍可以通过智能控制、优化照明方案等手段进一步提高能源利用效率。三是可控能耗，指通过技术改造、管理优化等手段，具有较大节能潜力的能耗。例如，优化空调系统的运行参数、采用高效的热泵系统等，均可显著降低建筑的供暖、通风空调能耗。 

　　通过能源费用托管模式对机关办公楼宇的能耗系统进行深度优化，实现从“不可控”向“可控”的转变，从而建立以标准为导向、以目标为驱动的精细化能源管理体系。经过对部分机关办公楼宇能源费用托管的案例进行比较分析，可以总结出节能改造的关键点主要在于冷热源系统、照明系统、配电系统、无人值守系统及给排水、电梯等几方面。 

　　——冷热源系统。环控系统在建筑能耗中占比最高，冷热源又是环控系统中能耗最高的部分。冷热源改造关键技术的能源来源方向可以分为传统能源来源（包括电、燃气、煤、燃油等）、地热能（包括地热深井、干热岩等）和太阳能。 

　　电锅炉作为一种高效清洁的热源设备，其工作原理主要分为电阻加热和电磁感应加热两种。通过将电能转化为热能，并利用锅炉的换热部件将热量传递给水或有机热载体，从而产生热水、蒸汽或高温有机热载体。电锅炉具有无污染、无排放、热效率高、自动化程度高、运行安全可靠等诸多优势。然而，其在能源费用托管项目应用中也面临着一些挑战，如前期投资较高、运行成本相对较高。鉴于电锅炉的特性，其应用场景较为明确：一是既有锅炉房的改造，当原有锅炉房的燃气锅炉存在能效低下、安全隐患等问题时，采用电锅炉进行改造是一种高效、环保的解决方案；二是热源单一需求的场合，电锅炉主要提供热能，对于仅需热源的应用场景如采暖、热水供应等，电锅炉是一种理想的选择。 

　　水冷机组的工作原理基于蒸汽压缩式制冷循环。通过壳管式蒸发器，制冷剂吸收水中的热量，使水温度降低，产生冷冻水。随后，压缩机将低压气态制冷剂压缩为高压气态，并将其输送到冷凝器。在冷凝器中，高压气态制冷剂释放热量，凝结为液体。最后，通过膨胀阀节流，液态制冷剂进入蒸发器，再次开始新的循环。水冷机组具有制冷量大、运行稳定、可靠性高等优点，广泛应用于工业、商业和民用建筑的空调系统。然而其初始投资较高，且需要定期维护，运行成本相对较高。水冷机组在能源费用托管项目中的应用场景如下：既有制冷系统改造，当原有制冷系统存在制冷量不足、能效低下、故障频发等问题时，采用水冷机组进行改造是一种高效、可靠的解决方案；大型中央空调系统，水冷机组适用于大型建筑的中央空调系统，能够提供稳定的冷源，满足大负荷的制冷需求。 

　　风冷机组的工作原理基于蒸汽压缩式制冷循环。压缩机将低压气态制冷剂压缩为高压气态，并将其输送到冷凝器。在冷凝器中，高压气态制冷剂与室外空气进行热交换，凝结为高压液态制冷剂。随后，高压液态制冷剂经节流装置节流降压，进入蒸发器。在蒸发器内，低压液态制冷剂吸收循环水中的热量，汽化成为低压气态，从而达到制冷效果。制热时，四通阀切换系统管路，实现制冷剂流动方向的改变，从而达到制热的目的。风冷机组具有投资成本较低、噪声较小、操作简便、维护方便、占地面积小等优点。但其制冷量和能效受到室外环境温度的影响较大，在极端高温或低温环境下，制冷或制热效果可能会受到影响。对于既有锅炉房，若原有燃气锅炉存在能效低下、安全隐患等问题，采用风冷机组进行冷热源改造，不仅能提供高效的冷热源，还能改善能源利用效率，降低运行成本。此外，对于既有水冷机组，若存在维护困难、运行成本高等问题，风冷机组以其维护简便、运行成本低的优势，成为理想的替代方案。同时，风冷机组的模块化设计和较小的占地面积，特别适用于小型或中型建筑的冷热源系统改造。 

　　地源热泵的工作原理基于逆卡诺循环，通过地源热泵机组，实现建筑物与地下土壤之间的热量交换。夏季，机组吸收建筑物内的热量，并将其释放到地下土壤中，达到制冷效果；冬季，机组则从地下土壤中吸收热量，提供给建筑物，实现供暖。地源热泵具有高效节能、环保、寿命长、运行稳定等优点。然而，其初始投资较高，若系统设计不合理可能导致热量不平衡等问题。地源热泵同时具备制冷以及制热的能力，对于原有供暖系统能效低下、污染严重、存在安全隐患的建筑，能够提供高效、清洁、安全的供暖解决方案。而原有空调系统运行成本高、维护困难的建筑，地源热泵系统能够降低运行成本，提高系统可靠性。 

　　光热+地源热泵系统将太阳能光热技术与地源热泵技术相结合，实现了一种高效、环保的供暖制冷解决方案。夏季，系统通过地源热泵从建筑物内部吸收热量，并将其释放到地下土壤中，从而达到制冷效果。冬季，太阳能集热器将太阳能转化为热能，加热换热水箱中的水，同时地源热泵从地下土壤中吸收热量，与太阳能热水共同为建筑物供暖。光热+地源热泵系统的优势是绿色环保、高效节能、运行稳定可靠且运行费用低，但同样存在前期投入费用高的问题，此外对太阳辐射条件要求较高。当原有供暖系统能效低下、污染严重、存在安全隐患时，光热+地源热泵系统能够提供高效、清洁、安全的供暖解决方案。 

　　——照明系统。该系统的节能改造通常通过以下几个方面实现：合理照明设计、采用高能效LED光源以及智能照明控制。其中，照明控制系统作为照明设计的基础理论组成部分，在照明节能实践中扮演着至关重要的角色。通过合理配置照明控制方式，不仅能实现舒适的照明环境，还能显著提升能源利用效率。常见的照明控制方式包括调光调色、定时开关、场景模式、远程控制等。 

　　——配电系统。通常采用用电线路监测、故障预警等手段进行改造，结合先进的节能技术和设备，以提升电力转换效率和设备的能源利用率。通过安装智能电表、智能传感器和在线监测系统，实现对用电线路的实时监测和故障预警，从而对电力使用情况及各用电设备的能耗进行精确量化。这些系统所采集的大量数据，为用电单位提供了深入分析和评估电力消耗的基础，有助于精准定位能效低下的设备或高耗能区域。同时，通过对整个配电系统的远程监控和控制，不仅能够显著提升运维效率，还能实现对突发事件的快速响应和处理，确保电力系统的稳定可靠运行。 

　　——无人值守系统。指在无须人工干预的情况下，利用自动化设备和技术对特定系统或设备进行远程监控、管理和操作。在能源管控领域，构建无人值守系统可实现对能源数据的全面采集，从而提升能耗监测与控制水平。通过提前进行故障预判、实时报警以及自动远程控制，无人值守系统能够有效延长设备使用寿命、降低维护成本，并实现显著的节能降耗效果。例如，对无人值守变电站远程监控方法的研究，旨在实现对变电站设备的远程控制和监测，从而减少人力投入，提高操作的安全性与效率。 

　　——其他系统。如给排水系统、电梯系统等，通过加装智能采集终端进行在线监测，实时采集分析运行数据，监测异常数据实现故障预判及预警处理，进而延长设备使用寿命，减少维护费用，实现最终节能增效的目的。 

　　实践案例 

　　天津市公路事业发展服务中心办公大楼建成于2002年，已投入使用逾20年。大楼内的电力、燃气等能源设施老化严重，导致能源消耗持续攀升，且管线老化引发的安全隐患日益突出。近年来，中心积极开展机关单位绿色发展的探索与实践，以期通过能源费用托管等方式，提升能源利用效率，降低运行成本，保障安全生产。中心梳理了冷暖系统、电站系统、供水系统、用电系统等方面存在的问题，针对性开展了能源系统升级改造。 

　　原有冷热源系统改造为空气源热泵系统。为进一步提升工程质量、缩短工期、降低施工风险，输配系统改造采用了装配式施工方案。相较于传统现场施工，装配式方案具有品质可控、成本降低、安全可靠的优势，同时还可以缩短工期，施工占地面积减少1/2。 

　　为提升变电站的安全性和可靠性，对供电系统实施了无人值守改造。通过增设烟感、水浸、视频监控等传感器，并接入用电参数采集系统，实现对变电站设备运行状态的实时监测和智能分析。 

　　为提升能源利用效率，改善供水品质，新建两台低温型空气源热泵热水机组。该机组额定小时热水产水量为2.0立方米，冬季出水温度不低于50℃，夏季不低于45℃，满足了热水使用需要。 

　　为提升供水管理水平，针对现有供水系统进行数字化升级。通过将传统数字水表替换为智能远传水表，并接入数据平台，实现用水数据的实时采集与分析。该系统采用无线NB-IoT通信技术，确保用水量的稳定上传。通过对用水数据的分析，可直观反映中心每日用水情况，及时发现管网漏损等异常，为供水管理提供有力支撑。 

　　中心办公建筑电力设施使用年限已超过20年，目前存在线路老化、电器元件老化、电路过载等潜在安全隐患。为提升用电安全，中心通过部署智能传感设备及控制系统，搭建了一套先进的用电安全监测平台。该平台可实时监测各回路的电压、电流、功率、温度等关键参数，并对过压、欠压、过载、过温等异常情况进行及时报警。通过将数据采集、实时监控、智能分析和故障预警有机结合，实现用电全过程的智能化管理，保障用电安全。 

　　搭建智慧能源平台。结合本地配置的监控大屏，实现了对大楼能源数据的实时监测，能源服务公司基于平台所采集的运营数据，生成能源分析报告。借助数据，中心能够更精准地评估能源使用效率，并制定科学合理的节能减排措施，从而实现能源的高效利用和低碳运营。