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节

能

论

坛

进度后备以及费用后备等措施，对项目投资风险进

行有效的降低或规避［10］

。

4.3 风险转移

转移建筑项目中的风险途径可分为承包合同

转移、融资和保险多种。这些转移方式要求有关作

业人员对其有充分的分析和了解，并且能够根据实

际情况来合理地应用，这样才可以充分地发挥出转

移风险的效果。出资方可以合理地使用合同当中

有关的条款和内容，针对其中的各种财务负担和相

应的法律责任需要对其进行及时的转移，通过这样

的方式将风险有效地转移给了对方，这就是其中一

种合同风险的转移［11］

。除此之外，有关单位为了融

资和筹建，还可以在每一个建筑工程项目投入和建

设过程中，通过自己发行证券和股份等多种方式来

直接进行投资风险转移。每一个从事投资的单位

都可以通过这种融资方法成为一个项目的股东，股

东虽然能够直接享受一定的收益，但在建设过程当

中也需要承担一些可能出现的投资风险。建设企

业可以按照实际情况将投资风险按比例转移到每

一个股东。

5 总结

随着当代我国经济和社会对于绿色环境保护

意识的逐步提高，绿色节能智慧建筑在全世界也逐

步彰显其重要意义。各种形式多样的新型建筑技

术在这个过程中已经获得了大量的应用，在有效地

降低了资源和耗损，提升了建筑的性能，促进了建

筑行业的长期健康发展的同时，也推动了人与生态

和大自然相互协调和共享。在绿色智能建筑快速

发展的当下，面对激烈且复杂的竞争环境，建筑业

为了赢取更高的效益同时促进行业的健康发展，对

绿色智能建筑投资风险的研究与管理提出了更高

的要求。建筑投资风险对工程的实施中有很大的

影响，相关从业人员要对这些风险进行充分的了解

和分析，从而能够对不同的风险进行有效的应对，

减小或规避投资风险。建筑行业在投资时应本着

“实事求是，稳健投资”的态度，始终坚持科学的原

则，树立全面的投资风险管理意识，完善相应体系，

促进企业稳定发展。

参考文献

［1］赵敏, 张卫国, 俞立中. 上海市能源消费碳排放分析［J］. 环境科学研

究, 2009, 22(8): 984-989.

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析［J］.中国住宅设施,2022(10):115-117.

［5］刘红霞. 中国境外投资风险及其防范研究［J］. 中央财经大学学报,

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(7):128-131..

［10］冯琛星.建筑工程项目投资风险应对策略分析［J］.财经界,2020(32):

76-77.

［11］智慧·绿色·融合 畅谈智能建筑行业新未来［J］.智能建筑,2020(1):

24.

绿色智能建筑投资风险研究

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常规潜艇AIP系统应用可行性分析

伍赛特

上海汽车集团股份有限公司

摘要：由潜艇隐蔽性的重要性作为论题引入点，通过介绍核潜艇现有的技术问题，指出了常规潜艇发展不

依赖空气推进（AIP）系统的重要性及必要性。重点介绍闭式循环柴油机、斯特林发动机、闭式循环汽轮

机、燃料电池的AIP系统，以及小型核动力AIP系统的结构与组成，重点对其应用可行性进行了分析。由

于目前核潜艇仍存在着成本较高、结构复杂等问题，因此针对常规潜艇AIP系统的研究与开发工作依然势

在必行。

关键词：潜艇；闭式循环；柴油机；斯特林发动机；汽轮机；燃料电池

DOI: 10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2023.10.012

Feasibility Analysis of AIP System Application in Conventional Submarines

WU Saite

Shanghai Automotive Industry Group Co., Ltd.

Abstract: By introducing the present technical problems of nuclear submarines, this paper points out the importance and necessity of developing air-independent propulsion (AIP) system for conventional submarines. It

focuses on the introduction of AIP systems for closed-cycle diesel engines, Stirling engines, closed-cycle

steam turbines, fuel cells, and small nuclear-powered AIP systems, and analyzes their application feasibility.

Due to the current problems of high cost and complex structure of nuclear submarines, the research and development of AIP systems for conventional submarines is still imperative.

Key words: Submarine; Closed Cycle; Diesel Engine; Stirling Engine; Steam Turbine; Fuel Cell

收稿日期：2022-12-01

作者简介：伍赛特（1990-02-），男，工学硕士，工程师、经济师，研究方向为内燃机与动力装置

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0 引言

潜艇有着较强的水下隐蔽性，以海水为掩护对

敌方进行攻击是其基本的作战方式。但是，潜艇因

自身能源的限制，无法长时间在水下活动，必须定

期浮出水面为蓄电池充电。潜艇一旦浮出水面，就

会使自身暴露，破坏了其赖以生存的隐蔽性。纵观

潜艇的技术发展史，不少潜艇就是因为浮出水面充

电，而遭到了敌方反潜兵力的攻击。

在第二次世界大战期间，各国为改善充电问题

对潜艇隐蔽性的影响，采用了多种方案。1942年，

德国首先在潜艇上使用了通气管，潜艇使用通气管

后，充电时无需浮出水面，从而能有效增强全艇的

隐蔽性。

但通气管的使用并不能彻底解决潜艇的隐蔽

问题。随着探测技术的进步，尤其是反潜直升机的

出现，使用通气管的潜艇依然会被敌方反潜兵力发

现。因此，有必要采用其他方案，以进一步提升潜

艇的隐蔽性。

1 常规潜艇 AIP系统的发展简史

二战后，为延长潜艇的水下续航力，世界各国

开展了一系列研发工作。对于常规潜艇而言，可将

不依赖空气的推进（AIP）系统作为其水下动力来

源。潜艇既不需要上浮至水面进行充电，也不需要

使用通气管充电，可大幅提升潜艇水下续航力，进

一步优化全艇的隐蔽性。

早在20世纪20年代，德国方面就曾提出过设

计方案，将过氧化氢动力装置作为潜艇推进动力。

尽管因过氧化氢消耗量过大，该类动力装置并未成

功推广，但为潜艇AIP系统的后续发展提供了宝贵

的经验。

1945年，随着首颗原子弹的成功爆炸，人类步

入核能时代，一定程度上也推动了潜艇动力的发

展。1954 年，世界首艘核潜艇“鹦鹉螺”号即告建

成。核潜艇的运行不依赖外界空气，因此具有较强

的续航力及隐蔽性。

但核潜艇的出现并没有完全取代常规潜艇。

这主要是因为核潜艇结构复杂，并且造价昂贵，使

部分中小国家难以承受［1］

。目前，世界上只有少数

国家的海军装备有核潜艇。因此，核潜艇的出现并

不能完全解决常规潜艇所面临的问题。

随着时代的发展，技术也在不断优化。1996

年，世界上首艘采用AIP系统的常规潜艇——瑞典

“哥特兰”号建成服役，标志着常规潜艇的技术水平

进入一个新阶段，由此也为常规潜艇的发展指明了

方向。“哥特兰”号潜艇配装有2台V4-275R型斯特

林发动机，可使潜艇以 6 kn 的最高航速在水下航

行。如果以该航速持续航行，“哥特兰”号潜艇可在

水下连续航行达数个星期，且不必上浮水面。

继瑞典之后，德国海军研发出了 212A 级潜

艇。该潜艇配装有燃料电池AIP系统，于1998年开

工建造，并于 2003 年建成服役。法国海军也研发

出了采用闭式循环汽轮机AIP系统的潜艇，并用于

阿戈斯塔90B级潜艇上，并出口至巴基斯坦。除上

述几个国家外，还有部分国家也在开展AIP系统的

研制，其中有俄罗斯、英国及荷兰等国家。

目前，各类AIP系统已由研制阶段向实用阶段

转变，技术逐渐趋向成熟，部分国家的AIP潜艇已建

成服役，有的正在建造过程中。从这些国家的技术

实践表明，AIP系统对减少潜艇通气管航行时间，延

长潜艇水下续航力，降低潜艇暴露率具有重要意

义。AIP系统的出现推动了常规潜艇技术的发展。

2 常规潜艇AIP系统的类型与功能

自20世纪80年代以来，不少国家海军对潜艇

AIP系统的研制给予了较高关注，并相继投入大量

的财力和人力［2］

，已经取得了不少成果。其中有的

已装备实艇使用，有的正在建造过程中，现对现有

AIP系统的作用、类型及其特点进行研究。

2.1 AIP系统的作用

依据能量转换装置的不同，现有已装艇或在研

的 AIP 系统主要可分为闭式循环柴油机 AIP 系统、

斯特林发动机AIP系统、闭式循环汽轮机AIP系统、

燃料电池AIP系统、小型核动力AIP系统5大类。

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尽管世界各国海军对潜艇航行性能和使用的

要求不同，但研制 AIP 系统的目的是一致的，潜艇

AIP系统主要有如下特点：

1）提高常规潜艇的水下续航力，增强潜艇的水

下自持力。

2）降低潜艇在巡航区航行时的暴露率，提高潜

艇的隐蔽性。

3）为潜艇提供足够的水下短时高航速。

通过以上几点可知，潜艇AIP系统最主要的作

用就是减少潜艇对通气管的依赖和需求，以减少在

航行过程中被发现的几率。

常规潜艇利用艇上的柴油机，并以通气管状态

进行水下航行的时间被称为潜艇的暴露时间。常

规潜艇利用通气管航行的时间与利用蓄电池进行

水下航行时间的比值称为“暴露率”。也就是说AIP

最基本的目的是降低常规潜艇的暴露率，或减少潜

艇利用通气管航行的时间［3］

。

2.2 AIP系统的总体优势及劣势

如2.1中所述，在现代潜艇设计中较成熟的AIP

系统主要有闭式循环柴油机、斯特林发动机、闭式

循环汽轮机、燃料电池以及小型核动力 AIP 系统。

以上几类AIP系统虽然其原理不同、系统组成不同、

性能也有所不同，但是都有一些相同的特点，主要

如下。

2.2.1 隐蔽性较好

现有几类AIP系统均能为潜艇提供较好的隐蔽

性，主要是由于以上AIP系统所产生的排放物较少

并且经过处理，具有无泡、无噪声的特点，使潜艇的

航行过程基本处于无迹状态。其次，这些AIP系统

机械振动较低，噪声也较低。尤其是燃料电池，基

本不会产生噪声，具有较好的静音性。通过采用

AIP系统，有助于增强潜艇的隐蔽性，提升全艇作战

性能。

2.2.2 降低潜艇暴露率

各类AIP系统虽然工作机理不同，但均有着共

同的出发点，即降低潜艇暴露率。常规潜艇最大的

缺陷是对通气管有较高的依赖性，因为潜艇要经常

上浮到水面附近来进行充电，为了增加水下航行续

航力，并降低潜艇暴露率，就需要尽量延长两次通

气管航行之间的时间间隔。通过采用AIP系统，潜

艇两次通气管航行之间的间隔时间，已从数小时增

加到数日，甚至数个星期。

2.2.3 对氧的依赖

在现有的几类 AIP 系统中，除了小型核动力

AIP 系统外，均离不开氧。因此，潜艇水下续航力

主要由潜艇的氧储备量决定。为了提高艇上的氧

储备量，各种 AIP 系统均使用液氧，其氧浓度明显

高于大气中的气态氧。由于对氧有较高的依赖性，

如果无法及时供给足够的氧，AIP系统就难以维持

运行。

2.2.4 功率有待提升

除了小型核动力 AIP 系统之外，其他几类 AIP

系统面临主要的问题是功率有待提升，这包括水下

长时间航行用电，以及艇上生活用电。由于各类

AIP系统在能量供给方面存在一定的局限性，因此

其通常只能作为常规潜艇的水下辅助动力系统。

所谓辅助动力系统是指艇上所装备的AIP系统通常

只能用于潜艇低速巡航（2～6 kn）和低负荷工况下

的能量需求。当潜艇在水下高速航行时，通常仍需

要使用柴电动力推进系统。

3 常规潜艇AIP系统的技术特点

现代常规潜艇AIP系统主要分为以下几类：闭

式循环柴油机AIP系统、斯特林发动机AIP系统、闭

式循环汽轮机AIP系统、燃料电池AIP系统，以及小

型核动力AIP系统。

3.1 闭式循环柴油机AIP系统（CCD-AIP）

闭式循环柴油机AIP系统是以柴油机作为能量

转换装置的AIP系统，其可通过控制普通柴油机系统

的进气与排气，从而实现相对意义上的闭式循环［4］

。

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3.1.1 基本原理

闭式循环柴油机AIP系统的基本原理是将柴油

机排出的废气中的CO2和蒸汽提取出来，经冷却后

进入吸收器，并用海水溶解。随后，在气体中加入

O2和微量Ar，经闭路循环再进入燃烧室，供柴油机

再次使用。

CO2和蒸汽的处理方法是采用化学清除器，但

这必然会影响潜艇的可用容积和总排水量。另外，

将这些排放物排出艇外，必须要克服海水的背压，

随着潜航深度的增大，海水背压也会相应增加，从

而会加速柴油机功率的消耗。为此，可通过采用增

加CO2浓度的办法用来适应海水背压的变化。

柴油机的燃烧过程不会使 O2全部耗尽。将

柴油机排气中的 O2提取出来并加以利用也是一

类可取的方法，但这将使柴油机的热效率有所降

低。此外，CO2和蒸汽的吸收过程也面临着一些

难题。

N2起着传递热量和维持效率的作用，在柴油机

燃烧过程中，N2会逐渐消耗，从而影响动力系统的

热效率。为此，需要在被净化的废气中加入N2，以

确保工作过程的可持续性。除此以外，也可在经净

化后的气体中加入微量Ar。Ar是一种惰性气体，不

受燃烧的影响，它能起到与N2相似的作用。通过加

入Ar，可使柴油机的热效率保持恒定。

3.1.2 系统组成

闭式循环柴油机AIP系统主要由高压柴油机、

吸收器、水处理系统、控制系统等组成。

1)高压柴油机。当普通柴油机以理论上的闭式

循环运行时，会对管道的总压力产生限制。通过使

用高压柴油机，可提高气体回路内的总压力，从而

使柴油机保有较高的效率。高压柴油机面临的主

要问题是其噪声较大，必须采取综合降噪和隔声措

施来降低水下辐射噪声。除对柴油机结构进行修

改以降低声源的噪声级之外，可采用隔声系统。该

隔声系统包括一个全封闭的隔声罩、一个双层的弹

性橡胶垫安装系统，以及与其他产生系统连接的挠

性管接头和电缆接头。

2)吸收器。吸收器可用来吸收CO2并经海水溶

解，将净化后的废气加入氧和微量 Ar 再送入燃烧

室。吸收器是一类以低速旋转的机械设备。废气

经水冷却后，通过分离器后，再进入吸收器。CO2会

溶于吸收器内的海水中。在充入 O2和 Ar 后，剩余

的废气会经分离器处理后重新返回柴油机。

3)水处理系统。水处理系统可用来向吸收器

提供海水，将溶解有 CO2的海水从吸收器排入海

中。水处理系统由带自由浮动活塞的三套水缸组

成，其中一套水缸与吸收器连接，其余水缸则通向

潜艇舷外。水从吸收器送入低压水缸，把淡水推向

活塞另一侧并进入吸收器，同时向高压水缸内注入

海水。由于海水处于流动状态，水处理系统可能会

产生噪声。经测定，该系统噪声源主要有两种：流

体噪声和设备噪声。为了降低水流噪声，在水处理

系统中并联安装三套控制阀，并对阀的启动和关闭

进行控制。

4)控制系统。控制系统可用来对 O2和氩的流

量进行控制，以确保AIP系统的正常工作，并可将控

制系统集成到监控系统数据总线上，以实现自动化

操作。

3.2 斯特林发动机AIP系统（SE-AIP）

斯特林发动机 AIP 系统以斯特林发动机作为

能量转换装置，它的基本特点是由外部供热并进行

再生循环，是一类利用气体在内部回路中进行高温

膨胀和低温压缩的差异来取得有效功的活塞式发

动机。

3.2.1 基本原理

斯特林发动机AIP系统是一种采用外部加热的

闭式循环发动机。实际上，斯特林发动机与普通的

内燃机相似，也借助于压缩和膨胀进行工作。但

是，它与内燃式发动机有两个不同之处：一是斯特

林发动机的动力活塞在一个闭合的系统中工作，并

会采用 He 等物质作为工质；二是斯特林发动机的

热量可通过一个热交换器连续传递到循环中。

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在位于发动机上方的燃烧室中，O2和柴油燃烧

产生的热量传递给工质，工质受热后，体积膨胀并

推动活塞运动，拖动发电机发电，并为电机提供电

能，以驱动螺旋桨运转。

燃烧产生的废气主要包含CO2和蒸汽。其中，

蒸汽经过冷却后排入海水中，其余的废气通过海水

冷却系统，由专门的混合设备将CO2吸收。由于使

用了必要的冷却措施，排出的气体温度较低，能使

红外辐射降到最低程度。

3.2.2 系统组成

斯特林发动机AIP系统由能源转换系统、控制

系统、液氧储存系统及电力系统等主要系统组成。

1）能源转换系统。能源转换系统又称水下燃

烧系统，即斯特林发电机组，可用于将高温燃气的

热能转换成电能。该系统主要有两个特点，一是以

可在纯氧环境中燃烧的碳氢化合物（如柴油等）作

为燃料；二是燃料需要在高压下进行燃烧。

2）控制系统。控制系统采用微机对水下燃烧

系统进行远距离监测和操纵，控制系统可对燃烧系

统进行控制，对主发动机附属系统进行控制，并对

所有的报警系统进行控制。斯特林发动机的输出

功率主要由燃料的流量所决定。可以在控制台上

由手动方式设定燃料的流量，流入燃烧室的O2量可

实现自动调节，以便平衡进入加热器的热量，使加

热器保持在700 ℃的恒温水平上。此外，控制步骤

还包括斯特林发动机的启动、停机及功率变化的顺

序等。

3）液氧储存系统。液氧储存系统可用于储存液

氧，以确保发动机燃烧过程的进行。一般情况下，液

氧在罐中的储存压力需要与环境压力实现平衡。

4）电力系统。电力系统即斯特林发动机AIP系

统中的发电机组，可用于输出电能，并通过传输线

缆将电能提供给潜艇推进电机。该发电系统配备

有励磁控制同步发电机。发电机可与艇上蓄电池

实现并联运行，并以预先设定的恒速进行工作，当

电负荷发生变化时，将会影响发电机的转速。此

时，可通过控制励磁来改变发电机的输出功率，以

此进行补偿。

5）辅助系统。斯特林发动机AIP系统还配备有

一些辅助系统，包括冷却系统、空调系统等。

3.3 闭式循环汽轮机AIP系统（CCST-AIP）

闭式循环汽轮机AIP系统又称自主式潜艇动力

系统（MESMA），它是一类以汽轮机作为能源转换

装置的AIP系统。

3.3.1 基本原理

该动力系统主要分为两个回路，一回路即燃气

回路，是产生高温、高压燃气的回路，一回路中高

温、高压燃气的热量通过热交换器传递给二回路。

二回路即蒸汽回路，内部充满着流动的淡水，通过

热量将淡水加热为高温、高压的蒸汽，用以驱动汽

轮机，带动发电机发电，再驱动潜艇推进电机转动。

3.3.2 系统组成

该动力系统由两个回路组成，即燃气回路和蒸

汽回路。燃气回路包括燃烧室、热交换器和冷却装

置等，蒸汽回路包括蒸汽发生器、汽轮机、冷凝器和

循环泵等。

1）燃烧室。燃烧室是一类用于产生高温、高压

的燃气设备。经过加热器加热后，气态氧进入燃烧

室与作为热量的乙醇混合燃烧，可产生温度高达

700 ℃、压力为6 MPa的气体。通过对燃烧生成物

的分析表明，燃料的燃烧率可达99.7%。

2）热交换器。由燃烧室产生的高温、高压燃气

被导入热交换器之后，会将热量传给二回路，即蒸

汽回路，并在二回路中产生过热蒸汽。

3）冷却装置。高温、高压气体经热交换器将热

量传递给二回路后，燃气温度降低到约200 ℃。随

后，这种燃气被导入冷却装置，由海水冷却；与此同

时，也会将热量传给液态氧，使液态氧加热升温，再

经过海水冷却，燃气的温度会大幅降低。

4）蒸汽发生器。一回路高温、高压燃气传来的

热量可将蒸汽发生器管路内的水加热成蒸汽。试

验表明，通过采用这种热交换方式，大幅提升了系

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统的热效率，热效率可达到90%～95%。

5）汽轮机。汽轮机是一类可将蒸汽能量转换

成电能的转换装置。该系统使用两级汽轮机，并与

交流发电机联结，发电机输出的电能作为潜艇推进

电机的动力来源，以供潜艇航行。过热蒸汽通过汽

轮机之后便进入冷凝器，在海水冷却后，蒸汽被冷

凝成水再被送回蒸汽发生器进行循环。

3.4 燃料电池AIP系统（FC-AIP）

燃料电池AIP系统是以燃料电池为能量转换装

置的潜艇AIP系统，它可通过电化学方法，将外界供

给的反应物质的化学能直接转换成电能，是一类电

化学发电机。

3.4.1 基本原理

水解是一种基本的化学过程。该过程通过将

水电解，从而使构成水的两类元素实现分离，即水

与电能反应，生成H2和O2。而燃料电池可实现上述

原理的逆向过程，使H2和O2这两类元素产生反应，

并生成水和电能。

3.4.2 燃料电池类型

早在19世纪初，就已提出了燃料电池的理念，

经过多年的探索，曾于 1897 年首次制成了世界上

第一款燃料电池，其功率为1.5 kW，使燃料电池由

设想变为现实。1959年 8 月第一款实用的燃料电

池问世，其功率为6 kW，并用作于起重机的动力来

源。从此，燃料电池由基础研究进入实用研制阶

段。1965年，燃料电池在宇宙空间领域获得成功应

用［5］

，引起世界各国的关注，许多国家投入大量的人

力、物力对燃料电池进行研制。

数十年来，燃料电池技术有了显著发展。按电

解质的不同，燃料电池可分为多种类型，如表1阐述

了燃料电池的分类情况及其特点。

上述各类燃料电池也可用于潜艇AIP系统，其

中前景最好的是质子交换膜燃料电池（PEMFC）。

表1 燃料电池的分类［6］

类型

电解质

燃料

氧化剂

启动时间

优势

劣势

碱性燃料电池

KOH溶液

氢等

O2

短

效率高、性能好

只能用纯氧当氧化剂、存在

腐蚀现象

质子交换膜燃料电池

质子交换膜

氢、甲醇等

O2、空气

短

效率高、性能好、无腐蚀

成本高

磷酸燃料电池

浓磷酸液

甲醇等

O2、空气

长

已投入广泛应用

成本高、启动时间长

熔融碳酸盐燃料电池

碳酸钾、锂

甲醇、柴油等

O2、空气

长

效率高、成本较低

成本高、启动时间长

固体氧化物燃料电池

ZrO2、Y2O3

甲醇、柴油等

O2、空气

长

效率高

工作温度高

由于金属氢化物燃料电池笨重又昂贵，经济性较

差；而甲醇重整燃料电池解决了这些问题，因此，甲

醇重整燃料电池具有更好的发展前途。与金属氢

化物燃料电池相比，甲醇重整燃料电池还具备重量

较轻的优势，可增加氢的携带量，以此提升潜艇的

水下续航能力。

3.4.3 甲醇重整燃料电池AIP系统

甲醇重整燃料电池AIP系统主要组成部分有：

甲醇重整装置、燃料器、气体净化器、电解槽等。

1）甲醇重整装置。甲醇重整装置又称转化器

用来产生燃料电池所需要的H2，其由甲醇转换器、

分离器、重整反应器及蒸汽盘管等设备组成。来自

重整反应器的气体混合物主要包括H2、CO2、蒸汽和

少量的 CO、甲醇及乙醇。混合气体通过预热器使

之过热，通过气体净化器（钯薄膜）来滤除杂质，大

部分H2直接供给燃料电池。剩下的混合气体流出

钯薄膜后，又回到燃烧器与甲醇和氧一起参与燃

烧。燃烧器内残留的气体几乎全是CO2，只有少量

的氧、氩、水［7］

。

2）燃烧器。在燃烧器中，由净化器排出来的混

合气体与甲醇及氧进行燃烧，并产生无害气体排出

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艇外。

3）净化器。净化器即为上文提到的钯薄膜，甲

醇经过净化后，进入电解槽进行化学反应，以提高

化学反应质量。

4）电解槽。电解槽可用来实现电解化学反应，

由氢在阳极放出电子，同时氢离子会通过电解质传

送到阴极，与氧进行化学反应，产生电能并生成水。

甲醇重整燃料电池的不足之处主要是其成本

较高，且燃料消耗量较大。燃料消耗较大的主要原

因是甲醇的能量密度较低，仅为柴油的一半，且其

容积密度也比柴油小。因此，甲醇重整燃料电池通

常需要较大的燃料体积和重量。

3.5 小型核动力AIP系统（AMPS-AIP）

3.5.1 历史发展

采用核动力装置，可显著提升潜艇水下的续航

力，但由此会产生较大的噪声，不利于潜艇的隐蔽

性。同时，核潜艇还存在着构造复杂、造价昂贵的

问题。如单艘美国海狼级潜艇的造价高达24亿美

元，后续建造的弗吉尼亚级核潜艇，尽管其性能比

海狼级有所降低，造价仍高达13亿美元。大多数国

家的海军很难负担得起如此高昂的成本。

对于核潜艇现有的问题，不少国家海军都曾进

行过反复的试验、论证，并提出了一些解决方案。

在众多的方案中，由加拿大渥太华的ECS联合公司

提出的自主式船用动力系统（AMPS）方案最具特

色，也较易实现。ECS 公司提出，只要在常规潜艇

中加入一个配备有小型核反应堆的舱段，就可通过

核反应堆与柴油机两类动力装置，使一艘常规潜艇

实现混合推进。

在潜航时，潜艇既可使用核动力推进，也可使

用蓄电池推进。采用核动力推进时，可以长时间地

以 10 kn 左右的航速实现连续的水下航行。当潜

艇蓄电池的电能耗尽时，可利用艇上的核动力装置

为潜艇蓄电池充电。在安全海域，也可使用通气管

系统和柴油机对蓄电池进行快速充电［8］

。由此可

见，由 ECS 公司提出的这类方案具有较好的实用

性。该方案一经问世，便引起了世界各国海军的高

度重视。

3.5.2 系统组成及工作原理

小型核动力AIP系统由5个主系统及辅助设备

组成，这些系统主要有核反应堆热源、能量转换装

置、控制和监视系统、功率分配系统和连续供电系

统（也称主蓄电池系统）［8］

。在小型核动力AIP系统

中，最主要的部分是核反应堆热源。其中，核反应

堆堆芯以氢化锆与浓缩铀作为燃料。该反应堆性

能稳定，有着多年成功运行的实践经验。同时，用

于反应堆的核燃料具有较好的裂变产物抑制特

性。在控制系统和监测系统的操纵下，可通过调节

中子吸收器的位置来调节反应堆输出的功率。反

应堆进行核反应时所产生的热量，经反应堆堆芯的

轻水（冷却剂）带出，再经氟利昂蒸发器将热量转送

到能量转换装置。

核反应堆的主要元件，包括反应堆的堆芯、反

射器、一次屏蔽设备，以及一回路冷却剂管道等都

安装在一个较大的备用冷却水舱中。当一回路冷

却剂的循环遭到破坏时，被动冷却机械就会在反应

堆芯与备用冷却剂之间自动建立起冷却剂的对流

流动。

该AIP系统的反应堆采用了一种特殊的能量转

换装置。该转换装置可将反应堆热源所生产的低

温连续地转换成电功率。在进行能量转换时，所采

取的能量转换设备主要是低温汽轮机［8］

。在进行热

量传递和转换过程中，氟利昂作为工质进行循环。

在整个能量转换装置中，一回路将来自堆芯的高温

水通过二回路的热交换器进行循环，而二回路蒸发

器则充满氟利昂，氟利昂通过加热转换成气态，再

通过单级径流式汽轮机及交流发电机组后，将热能

转换为电能。完成能量转换后［8］

，氟利昂再流回到

冷凝器中。

作为反应堆的控制和监视系统，控制和监视系

统以微处理机为基础。该系统所具有的功能可对

核反应堆的参数进行扫描，并对输入信号偏离设定

值的误差进行检验和校核，执行控制计算［8］

，产生报

警信号，以驱动图像显示装置。

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4 常规潜艇AIP系统应用可行性分析

4.1 闭式循环柴油机AIP系统应用可行性分析

在闭式循环柴油机AIP系统中，柴油机排出的

气体经处理后再送入柴油机进气口进行循环使

用。该系统经过数十年的发展，经相关试验表明，

闭式循环柴油机AIP系统有较强的实用性和较高的

可靠性。当潜艇在水下航行时，该系统也可作于应

急备用设备。

4.1.1 隐蔽性较好

经实艇试验表明，闭式循环柴油机系统具有较

低的辐射噪声和目标信号特征。辐射噪声是任何

潜艇都会面临的关键问题。同时，以上几类AIP系

统都涉及机械噪声和流体噪声。实践表明，与潜艇

以通气管状态航行时所产生的噪声相比，闭式循环

柴油机所产生的噪声明显更低。因为闭式循环柴

油机不会将过多废气排出艇外，对排气系统的要求

较低。通常而言，可将闭式循环柴油机封装在隔声

罩内，与艇体采用双重弹性支架连接，使其噪声得

以进一步降低。

从吸收器排出的海水几乎处于饱和状态，因

此在潜艇伴流中几乎不会产生气泡。在实际应用

中，海水压力总是高于 CO2饱和压力。由于不会

产生气泡，该系统可实现无迹航行，降低敌方探测

效能。

4.1.2 安全且可靠

闭式循环柴油机可采用通用柴油机，因此有着

较高的可靠性。运行时，只需为系统定期补充少量

氧气，因此也有着较高的安全性。

4.1.3 研制及运行费用低

闭式循环柴油机AIP系统可充分利用现有的柴

油机技术。该AIP系统中所包含的部分设备（如吸

收器及水处理系统等），皆为通用性较高的机械设

备。因此，该AIP系统的研制开发费用较低。由于

在大部分情况下，该系统可采用民用产品，市场上

皆有现货可供，初期购置费也较低。因此该系统所

耗费成本在各类AIP系统中最低，因而有着较高的

效费比。

4.1.4 维修性好

总体而言，闭式循环柴油机AIP系统结构较为

简易，技术较为成熟，配套产品、备用产品在市场皆

有现货供应，技术人员无需专门训练。因此，该系

统有着较好的维修性，有利于长期运行。

4.2 斯特林发动机AIP系统应用可行性分析

斯特林发动机AIP系统是世界上第一款用在潜

艇上的 AIP 系统，1996 年 7 月，世界上首艘配装有

斯特林发动机AIP系统的瑞典海军潜艇“哥特兰”号

建成服役，标志着常规潜艇的发展进入新阶段，引

起了世界上拥有常规潜艇国家的关注。

“哥特兰”号潜艇水下排水量为1 490 t，配装有

2台功率75 kW的V4-275R型斯特林发动机，每台

发动机可以输出约65 kW的功率。2台斯特林发动

机所输出的功率主要用于两个领域：一是用于艇内

的生活负载，如照明、烹调、空调等生活设施，约消

耗 75～80 kW；二是用于潜艇航行时的动力来源，

约消耗45～50 kW，从而可使潜艇能以5 kn的航速

在水下航行。当潜艇以该航速航行时，艇上所携带

液氧的储存量可使潜艇在水下连续航行几个星期，

且无需浮出水面。实践表明，斯特林发动机AIP系

统有着较高实用性，与其他AIP系统相比，具有如下

优点：

1）斯特林发动机AIP系统结构紧凑、技术简单、

成熟，并已投入使用。

2）斯特林发动机AIP系统振动较小、噪声较低，

排出的燃烧废气易溶于水，不会留下明显航迹。实

测表明，该系统在高速工作状态时，其噪声等级比

尺寸相近的潜艇柴油机的低约15～25 dB，在低速

工况下，其噪声级别也低8～10 dB。

3）斯特林发动机AIP系统具有较高的使用灵活

性，通过增减艇上的斯特林发动机台数，即可改变

功率的大小。通过调整独立舱段的长度，可以改

常规潜艇AIP系统应用可行性分析

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变艇上储存液氧的数量，从而可以适用于不同国

家海军的不同舰艇，并实现其作战目的，满足其作

战需求。

4）斯特林发动机AIP系统具有较高的效费比，

不仅造价相对较低，运行和维护费用同样较低。

5）斯特林发动机AIP系统可与艇上的蓄电池实

现并联运行。因此，当潜艇在水下航行时，即使在

该AIP系统出现故障的情况下，蓄电池仍能为潜艇

提供必要的推进功率，使潜艇维持正常航行。

除上述优点外，斯特林发动机AIP系统还有一

些不足和缺陷，主要有以下两点：

1）从工作原理上来说，斯特林发动机AIP系统

属于一种外燃式热力发动机，其利用外部热源产生

热量，并以此加热封闭系统中的工质，通过工质与

机构之间的作用来实现能量转换。这种将燃料的

燃烧所产生的热量传递给工质的方法，从某种意义

上来说效果并不好。因为，当热量和氧在外部燃烧

之后，再将热能传递给工质，将需要一个较长的热

交换时段，意味着斯特林发动机难以对负载的变化

作出迅速响应，从而不可避免地对潜艇的航速及水

下机动性造成负面影响。

2）从使用上来说，斯特林发动机AIP系统在潜

艇上的持续工作时间主要受艇上携带液氧量的制

约。由于潜艇内部空间有限，潜艇不能无限制携带

液氧，即使嵌加舱段，其长度也不能过大，否则同样

会对潜艇的航行性能带来不利影响。

4.3 闭式循环汽轮机AIP系统应用可行性分析

闭式循环汽轮机AIP系统由法国舰艇建造局和

贝尔坦公司共同研制，已达到实用装艇的程度，并

已用于由巴基斯坦订购的阿戈斯塔 90B 级潜艇

上。实践表明，该系统主要有如下优点。

4.3.1 燃烧产物排放具有较高的隐蔽性

闭式循环汽轮机AIP系统燃烧产物具有较高的

压力，在排放时，不需要任何压缩设备就可以直接

排放到艇外海水中。另外，CO2在排出艇外海水之

前，可利用一种分裂气泡系统，使 CO2气泡尽量变

小，提高气泡溶解度，达到无泡排放，使潜艇实现无

迹航行。因此，该系统的一项突出优点是其燃烧排

放特性较好，并具有较好的隐蔽性。

4.3.2 以水为工质，安全且可靠

由于以水作为工质，该AIP系统较为安全可靠，

且腐蚀性较低，并能确保循环管路的清洁。

4.3.3 单机功率较高

闭式循环汽轮机 AIP 系统单机功率较高。

1992年对一款闭式循环汽轮机AIP系统开展了实验，

其功率可达400 kW，后续已开发出功率为600 kW

的动力系统。

该AIP系统的不足之处主要是其体系庞大、辅

助机械多、布置难度较大。其次，该AIP系统仍存在

效率较低、经济性较差的问题。对于以上不足之处

仍需进一步改进。

4.4 燃料电池AIP系统应用可行性分析

德国海军212A级潜艇是世界上首款使用燃料

电池AIP系统的潜艇，该艇装有西门子公司研发的

燃料电池堆，由16个功率为25 kW的单体燃料电池

组成，可使潜艇在水下以8 kn的航速航行，并可为

艇上蓄电池供电。该潜艇总排水量为1 350 t，并于

2003年建成服役。在各类AIP推进装置中，燃料电

池AIP系统具有如下优点。

4.4.1 效率高、尺寸小

燃料电池AIP系统的效率可达70%，明显高于

其他以热力发动机为动力来源的AIP系统。其重量

轻、容积小，O2消耗量较低。

4.4.2 噪声低

燃料电池AIP系统的一项突出优点是噪声低，

该特点基本与铅酸电池一致，没有斯特林发动机

AIP系统的机械噪声，只是在泵入甲醇时会产生较

低的噪声，这种噪声完全可为潜艇所产生的其他噪

声所覆盖。

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4.4.3 下潜深度不受限制

燃料电池AIP系统不会产生排放物质，不受背

压影响，因此，该系统可以在水下以任意深度航行，

不受下潜深度限制，可充分发挥立体作战的优势。

4.4.4 反应生成的水可用于确保潜艇压载平衡

该系统反应生成物是无害的水，不必排出艇

外，可用于保持潜艇压载平衡，有利于潜艇水下作

战和航行。

4.5 小型核动力AIP系统应用可行性分析

目前，小型核动力AIP系统主要具有如下特点。

4.5.1 输出功率范围宽广

小型核动力AIP系统的净输出功率，根据使用

对象不同，可在 100 kW～1 MW 的范围内进行调

整，具有广阔的应用范围。

输出功率为100 kW的小型核动力AIP系统可

应用在排水量为 1 000 t 的潜艇上；输出功率为

400 kW和1 MW的小型核动力AIP系统，可用于排

水量为2 000 t的或更大吨位的潜艇上［8］

。

4.5.2 具有自动停堆能力

小型核动力AIP系统所使用的反应堆是一个不

加压的或轻度加压的轻水冷却型，该反应堆所使用

的冷却剂的压力约为17个大气压，一回路冷却剂的

输出温度约为160 ℃，反应堆的堆芯既无高压又无

高温。

另外，该反应堆使用一种被动式冷却系统。这

种冷却系统具有一种独特的功能，当反应堆出现突

发性故障时，可以在多个部位对燃料棒进行冷却从

而避免发生危险。而且该冷却系统中没有运动部

件，即使操作人员不在现场，或在艇内电源被切断

的情况下，冷却系统仍能发挥作用，继续对反应堆

内部进行冷却。

由于具有自动停堆的能力，因此自诞生以来，

该反应堆就广受关注。这意味着在没有操作人员

进行现场监控和管理的情况下，小型核动力AIP系

统可以实现自动运行。从该角度而言，小型核动力

AIP系统常规潜艇不会使艇员人数大量增加，也不

会降低随艇人员的居住性，同样不会为全艇的总布

局带来新的困难。

4.5.3 核反应堆结构简单、操作容易

与传统的核反应堆相比，小型核动力AIP系统

的核反应堆结构简单，且成本低廉。同时，与传统

反应堆相比，小型核动力AIP系统反应堆内部的压

力和温度都较低，因而也简化了反应堆的运作过

程。运行人员和维修人员经过一般的技术培训即

可上岗操作，也降低了培训成本。

4.5.4 核燃料安全可靠

小型核动力 AIP 系统采用的核燃料是仅含

19.7%浓缩铀的低浓度核燃料。在采用这种低浓缩

核燃料后，即使偶然出现核反应堆功率升高的情

况，核燃料自身所具有的补偿特性仍可使核反应堆

的功率上升速度得以减缓［8］

。从安全标准来看，浓

缩率为20%的核燃料可满足安全要求，并已得到国

际公认。经过多年运行实践，充分证明了其安全性

及可靠性。

4.5.5 核燃料工作寿命较长

小型核动力AIP系统所使用的核燃料工作寿命

较长，一般可达 8-10 年。这样的寿命周期与潜艇

的大修周期基本同步，因而，核反应堆核燃料的更

换可与潜艇的大修同时进行，既可减少大修和维修

的费用，也可增加潜艇的在航率。

4.5.6 核反应堆应用性强

从设计角度而言，小型核动力AIP系统核反应

堆的尺寸与世界上绝大多数在役常规潜艇的主尺

度相匹配，可以装入2 000 t级常规潜艇的耐压壳体

内（直径约为 7 m）。因此，小型核动力 AIP 系统核

反应堆既可用于新建潜艇，也可用于改装后的在役

潜艇［8］

，扩大了系统的应用领域，并提高了应用的灵

常规潜艇AIP系统应用可行性分析

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活性。小型核动力AIP系统尽管有着显著优势，但

在使用时，还必须注意以下问题：

1）虽然是小型核反应堆，但其重量仍然较大。

就总布置方面而言，小型核动力AIP系统应尽可能

布置在潜艇重心附近，其屏蔽设施的重量约占系统

总重量的40%，因此，如何将屏蔽重量进行有效合

理分配，以及如何进行科学合理的设计、布局，均有

着较高重要性。

2）装备了小型核动力AIP系统的常规潜艇，其

工作噪声虽然较低，但是还需采取降噪措施，使其

综合噪声降至最低水平。

4.6 几类AIP系统的性能对比

综上所述，各类AIP系统的性能对比如表2所示。

表2 各类AIP系统的性能对比［9］

AIP系统

类型

主要优点

主要缺点

技术难点

闭式循环柴油机AIP系统

（1）柴油机技术成熟，性能

可靠，寿命长

（2）燃料通用

（3）经济性好，维修费用低

（4）工作过程受下潜深度影

响小

（1）效率低、氧消耗量大、排

出热量多

（2）噪声大

（3）输出功率受限

（4）废气处理系统复杂

（1）废气中 CO2的吸收与排

放

（2）使用循环气体时，需确

保燃烧质量

斯特林发动机AIP系统

（1）运行平稳，机械噪声

与振动较小

（2）废气排放方便

（3）辐射低，适合多种燃

料

（4）一次投资和运行费用

较低，技术较成熟

（1）功率较低

（2）燃油消耗量较大

（1）斯特林发动机的水下

燃烧系统

（2）废气排放

闭式循环汽轮机

AIP系统

（1）功率大

（2）燃烧产物的排

放非常隐蔽

（1）系统庞大，辅

助机械设备多

（2）热效率低、经

济性较差

液氧的存储及其

储存罐的安装

燃料电池AIP系统

（1）能量转换效率高

（2）对外热辐射较少

（3）噪声较小

（4）系统维护保养、制造加工

较为方便

（5）过载能力强

（6）系统配置灵活，便于安装

（7）效率随输出功率变化特性

较好

（1）燃料危险性大，易发生险

情

（2）系统比功率较小

（3）工作寿命短、价格较高

（1）燃料电池的选择；

（2）燃料的装备与储存

小型核动力AIP

系统

（1）续航力强

（2）结构简单、安

全可靠

（3）工 作 寿 命 较

长

（1）成本较高

（2）核 反 应 堆 自

身存在核辐射的

风险

（1）重 量 仍 然 较

大

（2）须 采 取 降 噪

措施

在几类 AIP 系统中，闭式循环柴油机 AIP 系统

调整功率的灵活性、技术的成熟度和易获取性均较

为出色，基础设施和保障设施也易于实现。考虑到

成本等方面的因素，一定时间内，闭式循环柴油机

AIP 系统较其他 AIP 系统具有明显优势，是一类较

有吸引力的AIP系统。

斯特林发动机AIP系统在我国已得到了充分发

展。但由于是一类外燃式热力发动机，仍然不可避

免地存在尺寸较大，附属设备众多的问题。除此以

外，斯特林发动机的密封问题也有待进一步优化，

功率也有待提升。

闭式循环汽轮机AIP系统自身输出功率较高，

但由于同为外燃式热力发动机，也存在着体系庞

大、效率较低的问题。

与其他类型的 AIP 系统相比，燃料电池 AIP 系

统O2消耗低、容积小、重量轻。其中，甲醇重整装置

电池的性能尤为出色，这对于潜艇现有的参数（如

重量和容积等）优化都具备显著优势，节省下的容

积和排水量可用于装备作战物资，以显著提升潜艇

的作战效能。燃料电池AIP系统由于具有较多的优

越性，是较有发展前途的AIP系统，并有望发展成单

一动力装置。

20世纪80年代末，小型核动力AIP系统正式诞

生。正如上文所述，该系统是在常规潜艇动力系统

的基础上增加AMPS小型核反应堆，并且与其他常

规AIP系统存在显著区别。小型核动力AIP系统可

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能

论

坛

被视为是核潜艇与常规潜艇之间的折中技术。与

常规潜艇相比，配备了该AIP系统的潜艇具备续航

力较强、工作寿命较长的优势。但设备自身成本较

高，并且由于核辐射的影响以及战时损毁现象的存

在，安全性问题依然亟待优化，一定程度上制约了

其应用。

总体而言，AIP 系统的出现和应用将为常规潜

艇改善水下性能带来诸多益处。可是，近些年来研

制的AIP系统的功率有待提高，部分系统还存在效率

不高的问题，尚无法完全取代潜艇使用多年的柴电

推进动力装置，只能作为潜艇辅助动力系统使用。

实践表明，现有的各类AIP系统均可提升现役

常规潜艇的水下续航力，这无疑是常规潜艇动力系

统的重大进步。不过，AIP系统完全取代常规潜艇

的柴电动力装置尚需时日。

5 结论与展望

作为提升常规潜艇水下续航力的有效措施，

AIP系统目前已得到了广泛应用。闭式循环柴油机

AIP系统、斯特林发动机AIP系统、闭式循环汽轮机

AIP 系统、燃料电池 AIP 系统，以及小型核动力 AIP

系统均有其优势及劣势。考虑到核动力潜艇高昂

的成本及安全性，常规潜艇依然会保有一席之地，

针对AIP系统开展的研究与试验依然有其必要性和

紧迫性。

参考文献

［1］伍赛特.船用核动力装置的技术特点及应用前景分析［J］.上海节能,

2022(6):670-675.

［2］祁一荣.AIP不依赖空气推进系统［J］.现代舰船,2002(1):42-45.

［3］边金尧,丁宁,胡松伟,等.当代外军常规潜艇技术及发展［J］.舰船科学

技术,2003(5):14-16.

［4］伍赛特.基于潜艇AIP动力装置的热力发动机闭式循环特征研究［J］.

内燃机,2018(6):54-57+62.

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程大学,2021.

［7］芳菲.AIP系统能源——未来潜艇推进系统的关键［J］.国防技术基础,

2003(2):31-32+36.

［8］伍赛特.潜艇 AIP 系统技术特点及其未来应用前景研究［J］.传动技

术,2020,34(4):40-48.

［9］章明.常规潜艇的“芯动力”——AIP原理比析［J］.现代兵器,2006(3):

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浅谈火电厂危险废物的管理

郗 娟

上海电力股份有限公司 吴泾热电厂

摘要：国家对生态建设高度重视，危险废物管理越来越严格。通过制度、现场、台账的记录和全流程覆盖、

信息公开中危险废物管理的要点，结合火电厂生产的实际情况，着重强调了危险废物管理在产生、收集和

包装、贮存、危险废物管理计划、应急演练、危废转移联单、全流程管理方面的注意点，详细说明了在火电

厂管理常见问题中的承包商管理和大型检修现场危险废物管理的方法。并依照近期发布的《危险废物管

理计划和管理台账制定技术导则》《危险废物贮存污染控制标准》二次征求意见稿和近年环保方面管理体

系的发展，讨论了未来几年危险废物管理发展的方向。

关键词：火电厂；危险废物；管理；台账

DOI: 10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2023.10.013

Discussion on Management of Hazardous Waste in Thermal Power Plants

XI Juan

Shanghai Electric Power Co., Ltd. Wujing Thermal Power Plant

Abstract: The state attaches great importance to ecological construction, and the management of hazardous

waste is becoming increasingly strict. Through the recording of systems, on-site, and accounting records, as

well as the full process coverage and information disclosure of hazardous waste management, combined with

the actual production situation of thermal power plants, the key points of hazardous waste management in the

aspects of generation, collection and packaging, storage, hazardous waste management plan, emergency

drills, hazardous waste transfer joint forms, and full process management are emphasized. The methods of

收稿日期：2022-10-24

作者简介：郗娟（1998-02-），女，本科，环保专职，从事环保管理工作

1500

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节

能

论

坛

0 引言

近年来，国家对生态建设高度重视，陆续颁布

修订了关于危废的数部法律法规。处罚力度加大，

涉及到单位可以责令停业关闭，涉及到个人可以构

成犯罪。同时也强调了”污染担责“的原则，要求产

废单位建立健全全过程的责任制，根据“资源化、无

害化、减量化”原则，加强危废环境污染防控。企业

应改变以往的认知，加强对危险废物管理的重视。

1 危险废物的定义

危险废物，是指列入《国家危险废物名录》或者

根据国家规定的危险废物鉴别标准和鉴别方法认

定的具有危险特性的固体废物［1］

。危险废物从属固

体废物，不属于固体废物的物质也不属于危险废

物。若不在名录内，依据国家标准经鉴别后具有腐

蚀性、毒性、易燃性、反应性中一种或一种以上危险

特性的固体废物，属于危险废物［2］

。

2 管理制度

火电厂在废气、废水、碳排放等多个涉及环保

的领域都始终是行业内的重点，应注意管理制度须

覆盖整个危险废物由产生到处置的全流程，各个部

门职责明确。大型火电厂内部人员、分工众多，涉

及数个部门。如何迅速落实，确保措施实现到位也

是要点之一。

这就要求除了制度的起草部门、相关的执行部

门外，上到单位的第一责任人，下到处理每一个具

体工序的操作员都应知晓危险废物管理工作的重

要性，明确管理不到位的后果。同时须做好环保制

度宣贯工作，利用典型案例、警示卡等定期进行宣

传，详细讲解事件的前因后果、查处情况、启示意

义，以加强全体员工对危险废物管理相关法律法规

的认识，并做好自查自纠工作。

3 现场管理

3.1 相关环节的管理

危废管理从流程上可以分为产生、收集、贮存、

运输、利用、处置［1］

。火电厂通常涉及废油、废催化

剂、废水合肼容器等危废，有着产生量较大，种类相

对简单的特点。且自身工艺用料与产生危废相关性

低，难以自行处置利用。一般电厂作为产废单位，仅

上述管理流程中的前3项在厂内完成，后3项基本上

委托有经营资质的单位进行，电厂须全过程监督。

1）产生方面，国家鼓励企业从源头减量。对于

火电厂来说从工艺上改进确为重点，但同时提高工

人素质，关注人员行为动态，合理利用资源，坚决杜

绝操作失误，控制非停，减少非正常运行小时也极

为关键。从而确保机组稳定运行，避免设备损坏，

减少各类废物产生。

2）收集方面，购买并使用适当材质的容器，将

不相容的危废分开包装，分类收集危废，产生有害

气体或挥发性有机物的危废密封，收集液体半固体

废物的容器顶部与液面留出10 cm以上空隙［3］

。注

意包装表面的标签是否符合标准，标有名称，有害

成分和数量等信息。将收集到的危废移交到仓库

contractor management and hazardous waste management on large-scale maintenance sites in common management problems of thermal power plants are explained in detail. According to the recently released \"Technical Guidelines for the Development of Hazardous Waste Management Plans and Management Accounts\" and

the second draft of \"Standard for Pollution Control of Hazardous Waste Storage\", as well as the development of

environmental management systems in recent years, the direction of hazardous waste management development in the next few years is discussed.

Key words: Thermal Power Plant; Hazardous Waste; Management; Ledger

浅谈火电厂危险废物的管理

1501

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上海节能 No.10

2023

ENERGY SAVING FORUM

SHANGHAI ENERGY CONSERVATION

上海节能 No.08

2018

节能论坛

时，注意汇报数量准确，防漏措施到位。

3）贮存方面，大部分电厂都已设置危废贮存区

域。重点之一在于日常维护：相关管理制度上墙；

统计准确；确认包装容器是否破损及时消缺；定期

检查仓库防渗防腐情况，收集池是否堵塞等；贮存

期间产生废物其治理设施是否正常运行；做好防扬

散、防流失、防渗漏工作。另一项是贮存区域预备

各项应急物资，并定期检查。

4）其他方面，厂内应提前开展危废鉴别工作，做

好危废管理计划报至环保部门。在危废处置过程

中，应识别环境风险，编制应急预案，并定期进行应

急演练。考核危废处置单位的资质，如文件是否齐

全，转运车辆和人员是否持证等。转运前向有关部

门申请填写转移联单，获批后再转运。注意转移联

单应按照车次运行，信息和现场实际情况相一致。

追踪危废到最末端的处置利用情况，要求处置单位

提供处置信息，确保整个流程合法合规，完成闭环。

3.2 承包商管理

危险废物管理涉及面广，牵扯到厂内的每一个

产废部门。尤其是大型火电厂的危废现场管理中，

承包商管理是重中之重。厂内部门不仅自身应明

确危险废物管理的重要性，也必须让承包商遵守制

度规范。指导承包商明确本厂制度，定期检查、考

核承包商对制度的执行情况。需要适当邀请承包

商相关负责人参加一些环保制度宣贯，视频会议。

确保具体到每一个涉及危险废物产生、收集、贮存

相关操作的员工都有法律意识。保证承包商采购

和使用的相关器材、材料等符合规定，损坏及时检

修更换。

3.3 大型检修

火电厂日常运行以外一大重点就是检修，涉及

大型检修项目时会产生大量如废油、废催化剂等危

废。大修应被考虑到每年的危废管理计划中，识别

时切勿漏项。且在大修期间人员众多，多来自厂

外，管理会较为混乱。需定期巡视现场。严防危废

乱丢，与一般固废，或是生活垃圾混堆等现象。提

前划分危废暂存区并做好防护措施，设置专人定期

检查。告知现场人员注意事项，确保废物分类收集

有序堆放。

4 台账管理和信息公开

4.1 台账管理

台账是确保工作保质保量进行的交接单。完

整规范的台账体现了企业的管理水平，是确保自身

安全，减少法律风险，与执法部门沟通的重要依据。

危废管理台账通常涉及：危险废物管理责任制

度、相关建设项目环评材料、排污许可证、管理计

划、转移联单、与第三方签署委托处置协议、第三方

的经营许可证等文件、危险废物转移批复文件、应

急预案和相关演练记录、相关监测报告等。原始表

单和相关凭证都应存档。

在台账记录方面，应覆盖到全流程，实行分级

管理，使记录可追溯可查询。做到产生有产生记录

表，贮存有入库出库记录表，运输有委外利用处置

记录表和转移联单，利用有利用处置情况表。管理

部门有统筹上述信息的申报表。上述电子和纸质

台账都应保留至少5年［4］

。

4.2 信息公开

须提前准备相关资料，如实按时完成信息公

开。填报时确保填报危废种类、处置利用方式、代

码正确，区分收集单位和处置利用单位，在生活区

域产生危废不应混报入工业危废。填报也可以利

用国家危险废物管理系统，生成管理台账，完成信

息公开。

5 未来工作的方向

5.1 近年的规章制度

今年的出台《危险废物管理计划和管理台账制

定技术导则》中详细规定了危废管理计划以及相关

台账的一般原则，制定、填写、记录等要求。同时也

规定了申报周期。提供了样表。要求管理计划中

应当包括减少危废产生量和降低有害性的措施。

根据危险废物的产生数量、环境风险等将产废单位

1502

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节

能

论

坛

分为重点、简化、等级3类管理单位实行分类管理。

鼓励重点监管单位使用智能监控手段，与国家危险

废物信息管理系统联网［4］

。

在未发布的新版《危险废物贮存污染控制标

准》其两次征求意见稿中，有几点特别值得注意：危

废贮存设施的管理台账至少保留10年；除临时（少

量）贮存点外贮存区域设置现场视频监控系统，确

保画面清晰，视频记录保存至少半年；增加了对于

土壤和地下水污染隐患排查的要求；更详细地规定

了危废贮存设施的环境监测计划，及制订制度、方

案、信息公开、保存记录等要求；多了环境应急的章

节，要求应急预案和相关培训演练；贮存应符合安

全生产，职业健康，消防等方面［5］

。

可以看出近几年危废管理工作的信息化显著

提升。注重全流程监管和原始台账的规范保存。

环境风险逐步与安健环体系的其他方面接轨。要

求更加严格精细，覆盖流程更加全面。

5.2 管理体系提升

近年来大力推行以排污许可证为核心的管理

体系。排污许可证中规定了危废排放的具体信息，

如类别、名称、特性、产生环节及去向等，要求上报

自行贮存和利用或处置设施的基本信息。

国家危废管理系统也逐步完善，从早先的转移

申报扩展到转移申报、库存管理等多项功能，并鼓

励企业利用此系统进行危废台账的管理和申报。

可以预见未来几年，危废监管体系会得到进一

步加强，将产废企业、收集企业、处置或利用企业均

纳入系统之中，将这些企业之间的危废处理流程连

接起来，形成一个公开透明的监管系统。

6 结论

危废管理是环保的重点，近年在国家大力支持

下体系更完备，分类更规范，覆盖更广范。企业的

选择总会受到成本、市场等因素制约。做好危废乃

至环保管理，需要企业集体重视，汇聚从上到下所

有人的努力才能完成。火电厂作为基础行业中重

要的一分子，应该有社会责任的担当，提高法律意

识，为国家的环保事业做出贡献。

参考文献

［1］中华人民共和国固体废物污染环境防治法［Z］.

［2］危险废物鉴别标准通则：GB 5085.7—2019［S］.

［3］危险废物贮存污染控制标准：GB 18597—2001［S］.

［4］危险废物管理计划和管理台账制定技术导则：HJ 1259—2022［S］.

［5］危险废物贮存污染控制标准（二次征求意见稿）［EB/OL］.https://

www.mee.gov.cn/xxgk2018/xxgk/xxgk06/202109/t20210929_954969.

html，2021-09-29.

浅谈火电厂危险废物的管理

1503

基于EPC模式下的办公

建筑超低能耗机电技术

应用与分析

黄明强 陈延宇 王 龙 张世阳 刘砚文

中建八局上海科技建设有限公司

摘要：本工程是上海临港新片区首个以EPC总价模式申报超低能耗和绿

建三星建筑评价标准的办公类工程项目。以超低能耗相关设计要求为主

线，通过能耗模拟及工程投资概算情况得出重点专业专项类别，基于此进

行设计方案综合比选，找出一套既经济又能满足相关节能要求的机电设

计措施方案，为今后类似工程机电系统超低能耗相关设计提供参考经验。

关键词：EPC模式；办公建筑；超低能耗机电设计；能耗模拟；方案比选

DOI: 10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2023.10.014

Application and Analysis of Ultra-Low

Energy Consumption Electromechanical Technology in Office Buildings

Based on EPC Model

HUANG Mingqiang, CHEN Yanyu, WANG Long,

ZHANG Shiyang, LIU Yanwen

China Construction Eighth Engineering Division Corporation

Shanghai Science and Technology Construction Co., Ltd.

收稿日期：2022-09-20

作者简介：黄明强（1989-09-），男，本科，工程师，注册设备暖通工程师，主要从事暖通专业设计工作

陈延宇（1996-05-），男，本科，助理工程师，主要从事暖通专业设计工作

王龙（1988-12-），男，研究生，高级工程师，主要从事绿色低碳建筑研究工作

张世阳（1982-10-），男，本科，高级工程师，主要从事企业专业管理工作

刘砚文（1986-10-），男，研究生，高级工程师，主要从事企业管理工作

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节

能

技

术

Abstract: This project is the first office project in Shanghai Lingang New Area to apply for the evaluation criteria for ultra-low energy consumption and green building Samsung buildings under the EPC total price model. With the design requirements for ultra-low energy consumption as the main line, the

key professional and special categories are derived through energy consumption simulation and engineering investment estimates. Based on this, a comprehensive comparison and selection of design

schemes are conducted to identify a set of mechanical and electrical design measures that are both

economical and meet relevant energy conservation requirements, providing reference experience for

the future design of similar projects with ultra-low energy consumption related mechanical and electrical systems.

Key words: EPC Model; Office Building; Ultra-Low Energy Consumption Electrical-Mechanical Design; Energy Consumption Simulation; Scheme Comparison

0 概述

本工程位于临港新片区国际创新协同区内，总建

筑面积39 607.44 m2

，地上建筑面积 30 872.32 m2

，

地下建筑面积 8 735.12 m2

。建筑功能主要为研

发、研发配套，地下为 1 层，主要功能为机动车库及

设备用房。建筑整体申报绿建三星和超低能耗建

筑标准。

根据目前临港片区的超低能耗政策要求，主要

有财政和容积率补贴两类，容积率奖励给居住类建

筑申报带来较大激励。而相比之下，以公共建筑来

申报超低能耗，无论是财政补贴还是容积率奖励，

对比增加的工程建设投资均相去甚远。本工程为

EPC（Engineering Procurement Construction）总

价模式项目，EPC意为设计、采购、施工一体式的工

程总承包模式，总价模式下的EPC项目不能超越合

同总价，进而需要限额设计，申报超低能耗建筑对

建筑的围护结构热工参数要求较高，如幕墙传热系

数≤1.4 W/(m2

·K)，基本只能通过采用三玻两腔的

幕墙系统才可实现［1］

，由此会造成土建单方造价骤

增，机电造价空间被压缩。加之绿建三星对机电系

统的标准提升，比较局限的造价空间会给机电设计

带来严峻的挑战，这要求机电设计师在设计过程中

对系统进行优选，将设计标准提交给商务进行成本

核定，使选定的机电技术与造价匹配，以保证项目

的顺利推进。

1 EPC限额设计依据及思路

本工程设计过程中有关超低能耗相关的设计

要求主要参照《上海市超低能耗建筑技术导则（试

行）》沪建材［2019］157 号（后简称为“导则”），限额

设计造价要求参照本工程初步设计概算。

EPC总价模式的概算设定了造价底线，要求在

有限造价情况下，各专业专项工程分摊来完成整体

工程建造。机电相关专业专项限额设计需要将造

价细分到具体系统、设备、用具、材料，通过选择较

经济适用的型式来控制整体造价。设计阶段，绿建

设计过程需要全面考虑超低能耗已采取的措施来

控制得分项，通过评估能耗与概算投资占比，找到

重点进行造价限制的专业或专项设计方向，并对已

确定的专业或专项进行系统方案、设备、材料型式

全面对比选择。

1.1 绿建设计

本 工 程 按《 绿 色 建 筑 评 价 标 准 》GB/T

50378-2019 评价标准进行申报，总评分为 86 分，

基于EPC模式下的办公建筑超低能耗机电技术应用与分析

1505

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节能技术

其中超低能耗已采取的措施，占绿建设计相关评分

中的3.3分，采取的相同措施如下：

1.1.1 冷热源主机能效（得分项）

供暖空调系统的冷热源机组能效均优于现行国

家标准《公共建筑节能设计标准》GB 50189-2015

的规定以及现行有关国家标准能效限定值的要

求 而 采 取 的 措 施 为“ 风 冷 热 泵 机 组 能 效 达 到

现 行 国 家 标 准《冷 水 机 组 能 效 限 定 值 及 能 效

等级》GB 19577-2015 中的一级能效”。

1.1.2 输配系统能耗（得分项）

降低供暖空调系统的末端系统及输配系统的

能耗采取的措施为“空调冷热水系统循环水泵的耗

电输冷（热）比应较现行国家标准GB 50736-2012

要求降低20%以上”。

1.1.3 建筑能耗（得分项）

降低建筑能耗对应的措施为整体建筑能耗降

低50%。

1.1.4 空调系统能耗（加分项）

进一步降低建筑供暖空调系统的能耗对应

的措施为“全年累计耗冷热量降低幅度≥30%”，

加上高效低阻的空调水系统经能耗模拟计算可满

足能耗降低40%的要求。

1.2 能耗模拟

通过PKPM专业软件进行建模分析，分别从供

暖空调、照明、电梯、生活热水、通风机、可再生能源

（光伏板系统）六个方面进行建筑能耗模拟，经模拟

计算，本工程暖通空调耗冷热量减少32.60%，一次

能源消耗减少 50.21%，如图 1，总减少碳排放量

526.78 t，节约能耗比重较大的主要为供暖空调、可

再生能源(光伏)、照明，分别占比 46.5%，30.5%，

17%，电梯、生活热水、通风机总和仅占6.5%。各项

节约能耗占比见图2。

图1 设计建筑与参照建筑能耗对比

图2 各项节约能耗占比

1.3 造价分析

结合超低能耗造价顾问提供的增量成本估算

情况见表1。占比较大的几项也同样是能耗模拟内

节约能耗占比较大的三项——供暖空调、可再生能

源、照明中所包含的系统、设备、用具。同时2～4部

分对影响超低能耗节约能耗较大的为风冷热泵、新

风热回收机组、光伏系统、照明灯具型式进行综合

比选，对占比大项在满足超低能耗规定的相关措施

的前提下，尽量控制。

2 暖通设计

暖通专业相关限额设计及节能措施主要从负

荷计算、冷热源及空调末端方案比选、设备选型三

个方面落实。

2.1 负荷计算

施工图阶段按照超低能耗相关参数指标要求

1506

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节

能

技

术

进行详细负荷计算［2］

，影响负荷较大的室内参数及

围护结构热工参数按照超低能耗技术要求设计。

空调节能对比参照《公共建筑节能设计标准》

（GB 50189-2015）相关参数［3］

。

室内设计参数可参见表 2，围护结构热工参数

满足导则相关要求，外墙传热系数≤0.4 W/(m2

·K)，

屋面传热系数≤0.3 W/(m2

·K)，室内隔墙传热系数

≤1.0 W/(m2

·K)，楼板传热系数≤2.0 W/(m2

·K)，幕

墙传热系数≤1.4 W/(m2

·K)。最终空调总冷负荷为

2 931 kW，建筑面积空调冷指标为119 W/m2

，空调

表1 超低能耗机电设计相关造价估算

技术措施

高效能冷热源

全热回收新风系统

节能风机、水泵

总计

太阳能光伏

高效LED照明灯具

实施量

1

2

39 600

/

1 600

39 600

单位

套

套

m2

/

m2

m2

普通节能建筑单价（元）

2 000 000

150 000

50

/

/

50

超低能耗+绿建三星建筑单价（元）

260 000

250 000

90

/

2 500

250

总增量（万元）

60

20

158.4

238.4

400

792

专业

暖通

暖通

暖通

暖通

电气

电气

表2 室内参数超低能耗差异对比表

房间名称

办公

大堂

多功能厅

会议

配套商业

与导则要求

对比情况

夏季干球温度 (℃)

设计干球

温度

26

27

26

26

26

上海市地标绿建控制项要求，大堂为短期停留空间，温度可适当降低标准

（夏季提高1～2 ℃；冬季降低1～2 ℃）

超低能耗

要求

26

26

26

26

26

相对

湿度 (%)

≤60

≤60

≤60

≤60

≤60

冬季干球温度 (℃)

设计干球

温度(℃)

20

18

20

20

20

超低能耗

要求

20

20

20

20

20

相对

湿度 (%)

≥30%

--

--

--

--

一致

人均使用面积(m2

/人)

设计

8

20

3

3.0

2.5

设计按照

建筑图座位图

超低能耗

要求

4～10

20

无

3.33

2.5

新风量

(m3

/h/人)

30

10

16

25

20

一致

噪声dB

(A)

≤45

≤50

≤50

≤45

≤50

热负荷为1 235 kW，建筑面积空调热指标为51 W/m2

，

空调冷热负荷降低比例分别为30.4%和32.0%。全

年空调耗冷热量降低占比33.0%，满足导则所需的

30%降低比例要求［4］

。

2.2 方案比选

空调系统占暖通系统比例较大，在满足能效要

求的同时保证功能，主要以经济适用为导向进行方

案选择。空调系统占比较大的内容主要为冷热源

系统及空调末端。本工程采用区域能源，同时设置

备用冷源，结合工程体量及地下车库面积条件限

制，按风冷热泵与多联机进行对比分析，见表3。

办公标准层结合目前普遍采用的风机盘管加

集中新风系统与全空气变风量系统进行对比分析

（见表4）。通过经济性分析为主线，综合比选，备用

冷热源采用风冷热泵，末端采用风机盘管加新风系

统。暖通空调系统概算指标为 319.7 元/m2

。结合

专业造价要求，初投资选型时采用经济实用型暖通

空调系统。

2.3 设备选型

对螺杆式和涡旋模块式风冷热泵进行对比，并

选择经济型、可维护性较好的模块式风冷热泵，

COP（国标）＞3.4 W/W达到一级能效。热回收空调

箱采用热管式。对热回收风机组进行对比，结合经

济性及空间占用采用相对占优的三维热管式新风

热回收机组，显热热回收效率中冷量回收＞70%，

热量回收＞75%［5］

。空调水系统采用高效水泵，其

中空调冷水泵效率≥0.84，水泵输送能效（EC(H)

R-a）为0.014 62＜0.014 72（在GB 50189基础上

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降低20%）［6］

，空调热水泵效率≥0.82，水泵输送能

效（EC(H)R-a）为 0.008 320＜0.008 510（在 GB

50189基础上降低20%）。

2.4 系统控制

新风根据室内外焓差进行冬季或过渡季免费

冷却，且可通过CO2或室内空气有害物浓度控制室

内新风量。空调水系统采用能量阀，开度与室内空

调需求匹配。水泵通过末端压差调节转速，优化泵

性能与管网阻力匹配度。

3 光伏设计

选择目前市场上性价比较高的两款太阳能光

伏板，进行对比分析，经综合比选确定采用单晶硅

型。通过能耗模拟计算得出可再生能源产能需求

为14.0万kWh，总装机量120.0 kW，光伏板均设置

在塔楼屋面。最终模拟结果年碳排放量比参照建

筑减少约129.9 t。

表4 空调末端系统对比分析

比选示意

投资耗能

机房屋面

净高控制

安装难易

供能

日常维护

选择方案

方案一：风冷热泵

设备+风管投资约：100元/m2

，年电费约10元/m2

核心筒空调机房面积小,可集中至屋面。机房占用面积大

净高控制较优，4.5 m层高，可保证3.3 m 的吊顶控制线

主要为新风机组，风机盘管安装及系统配件，设备较多，安装工作量大

节能效率一般，品质一般

风机盘管数量多配件多，日常维护工作量大

方案二：变频多联机

设备+风管投资约：260元/m2

，年电费约20元/m2

核心筒需设空调机房，屋面仍需要设新风空调箱。机房占用面积小

净高控制一般，4.5 m层高，吊顶控制线仅为3.1 m

主要为空调箱，设备配件相对少，安装工作量相对较小

节能理论效率高，品质好。节能情况主要同运维有关

控制系统较复杂，运维难度大

表3 备用冷热源系统对比分析

比选示意

投资耗能

机房屋面

安装难易

供能

日常维护

方案一：风冷热泵

一次投资较高，总投资350元/m2 ，年综合运行费用约35元/m2 ，

能效最低

建筑面积0.3%的空间作为空调水泵房，1%建筑面积的屋面设备。

主要设备含风冷热泵机组、水泵，安装较便利

极端天气，供冷供热效率低

运维难度较大，冷热源虽然一体，但仍有大量水系统设备和阀件

方案二：变频多联机

一次投资最高，总投资400元/m2 ，年综合运行费用约28元/m2 ，

能效最高

无需设置冷热源机房或水泵房，1.5%建筑面积的屋面设备

主要设备为多联机室外机，可租户进入后安装，安装最便利

理论功能效率较高，但极端条件有影响，空调末端为冷媒盘管，供

能品质一般

运维相对简单，设备集中

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技

术

4 电气设计

电气专业超低能耗主要关注照明灯具的耗电

量，即对主要房间和设备机房照明功率密度和照度

有相关要求（见表5）。在达到相应照度的前提下，

功率密度对比国家标准《建筑照明设计标准》(GB

50034)规定目标值降低 70%。灯具选择时选型选

择同等亮度，耗功低的t8型LED灯具。

5 电梯设计

本工程客梯均采用能量回馈、变压变频调速等

节能技术以及电梯群控策略，主要从电梯运行控制

系统对电梯进行能耗节约。

6 智能化设计

本工程设置能耗计量和能源管理系统，设有室

表5 主要房间、设备机房照明功率密度和对应照度值要求

场所

照明功率密度(W/m2

)

GB 50034-2013目标值

对应照度值（lx）

在对应的照度要求下，照明功率满足导则要求的不大于《建筑照明设计标准》(GB 50034-2013)所规定的照明负荷密度指标的70%，节能效果在

2%~30%，每年总节能 80 000 kWh，比参照建筑减少碳排放量 74.2 t

走廊

≤1.4

2.0

50

服务大厅

≤7.0

10.0

300

普通办公室

≤5.6

8.0

300

高档办公室

≤9.4

13.5

500

会议室

≤5.6

8.0

300

地下车库

≤1.4

2.0

50

风机房，

空调机房，泵房

≤2.4

3.5

100

移动机房、

电信机房

≤9.4

13.5

500

消防控制室

≤9.4

13.5

500

内环境监测系统，监测公共区域及主要功能房间的

室内环境参数，同时上传至物业管理平台。设置运

维展示平台及智能建筑管控平台，对全楼的设备进

行监测和控制，并可纳入信息中心的局域网系统，

实现信息资源的共享。使建筑能耗可知、可见、可

控，从而达到优化运行、降低能耗目的。

7 结语

本工程通过能耗模拟计算结果，达到了导则主

要的指标，空调和冷热量降低30%及建筑能耗一次

能源消耗降低50%的要求，同时减碳量约526.78 t。

节能的同时降低了碳排放。因篇幅及工程进度原

因，仅对主要影响造价和节约能耗的系统、设备、用

具比选，在满足功能的前提下，尽量节约机电整体

造价。

相对于上海地区的其他超低能耗办公建筑的

主要区别为工程模式。EPC 总价模式下的机电设

计则更加注重对系统、设备、材料等的经济性分

析。而EPC模式下的超低能耗机电设计的难点在

于如何将超低能耗的额外投资增量分摊到每个专

业专项里，如何做到价值与效能高度匹配。这需要

综合类似工程案例做一版相对均衡的概算，并对每

个专业专项进行指标限定，单专业专项突破的应充

分进行系统、设备、材料比选，同时与商务深度联

动，保证设计造价与设计方案匹配。因超低能耗评

审设计延伸到工程运行阶段，总体造价可通过优化

普通系统和管材（与超低能耗不相关的）造价空间

来预留各阶段专家评审可能新增的措施费用，以保

证超低能耗能够最终落地。

参考文献

［1］朱晓平, 杜旭, 张新贺. 高层办公综合楼超低能耗设计技术策略［J］.

建筑技艺, 2022(6):350-351.

［2］中国建筑科学研究院.民用建筑供暖通风与空气调节设计规范：

GB 50736-2012［S］.北京：中国建筑工业出版社，2012.

［3］中国建筑科学研究院.公共建筑节能设计标准：GB 50189-2015［S］.

北京：中国建筑工业出版社，2015.

［4］杨珅菡, 刘羽岱.上海地区超低能耗办公建筑方案设计要点研究［J］.

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［5］桑映辉, 崔乃夫. 建筑中超低能耗技术的应用研究［J］. 建筑与结构设

计, 2022(3):7-9.

［6］燕艳, 孙斌, 等.大型超低能耗公共建筑设计策略及技术路径——上

海自贸区临港新片区 PDC1-0401单元H01-01地块项目［J］. 绿色建

筑, 2022(2):8-11.

基于EPC模式下的办公建筑超低能耗机电技术应用与分析

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SHANGHAI ENERGY SAVING

上海节能 No.10

2023

ENERGY SAVING TECHNOLOGY

节能技术

基于能耗监测技术的智能楼宇系统

分析

周胜泉

国检测试控股集团上海有限公司

摘要：近些年，随着资源与坏境问题的日益尖锐，我国政府高度重视在发展经济的同时，大力改变传统经济

发展模式，做到科学可持续发展。大型公共建筑由于具有能耗密度高、管理较集中的特点，因此做好公共建

筑的节能工作，是我国建筑节能的重中之重。用户侧楼宇群作为未来城市能耗的主要源头，能源管理的经

济性、节能性更需要不断提高。能源监测系统是智能楼宇系统重要组成部分之一，具有本身在所有的监测

管理系统中采用的都是先进的物联网或者是大数据的技术，能够有效做好集中的运维管理，而且也能够实

现所有数据的智能化标准化的管理。因此基于能耗监测技术下的智能楼宇系统能有效实施所有的数据监

测，并且更好地解决技术故障，做到快速定位，智能化告警，方便在运维方面做多方面的流程辅助，同时能进

一步提高效率，在短时间内迅速排除各种安全隐患。

关键词：节能；能源检测；智能楼宇；物联网

DOI: 10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2023.10.015

Analysis of Intelligent Building System Based on Energy

Consumption Monitoring Technology

ZHOU Shengquan

Guode Testing Holding Group Shanghai Co., Ltd.

Abstract: In recent years, with the increasingly acute problems of resources and environment, the Chinese government attaches great importance to vigorously changing the traditional economic development model while developing the economy, and achieving scientific and sustainable development. Due

收稿日期：2022-09-23

作者简介：周胜泉（1999-05-），男，本科，从事电气工程及其自动化方面的工作

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2023年第 10 期

SHANGHAI ENERGY SAVING

上海节能

SHANGHAI ENERGY CONSERVATION

上海节能

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2018 年第 08 期

ENERGY SAVING TECHNOLOGY

节

能

技

术

0 引言

建筑楼宇管理自动化已成为一个全新的发展

趋势,相对于传统管理模式，该模式是一种充分依托

网络、物联网构建的智能化管控方式［1］

。智慧大楼

管理系统能对整座大厦能量的消耗状况一目了然，

使用户运行更简单,管理更方便。

我国的楼宇智能化始于20世纪90年代，虽然

起步时间较晚,但发展速度很快。在我国楼宇智能

化的开发前后主要经过了三个时期,分别为初期开

发阶段、完善控制时期和发展成熟时期。我国建筑

智能化由一开始的设计定型和市场需求认可,到如

今的技术应用发展，整体而言,我国楼宇智能化的进

步速度和发展潜能还是非常可观的。

建筑楼宇智能化现在已经是一个国家综合国力

的体现之一。以美国、日本智能建筑数量最多［2］

。

1984年日本政府初次引入智能建筑，此后十余年间，

野村证券大厦、NEC大厦等先后落成。日本是世界

上最具代表性的国家，他们对楼宇智能化进行了全

面的研究，并提供了相关的理论和实践。新加坡政

府投入大量资金进行了专门的研究，以促进智慧建

筑，并打算把新加坡建设成一个“智慧的都市花园”。

为了让人们在安全、舒适、高效的工作、居住环

境中，智能化建筑需结合先进的技术，进行规范化、

标准化、集约化的开发和设计，并在其不影响环境

的基础上，逐步走向“绿色建筑”。但与此同时，目

前我国的能源管理工作虽然较前几年有了很大进

步，但由于数据的传递过程中出现了很多问题，使

得能源消耗的统计工作变得更加困难。在一些发

达的西方国家，特别是在大型公共建筑中，能源消

耗的监控器具也越来越先进，因此整体的系统运行

也愈加稳定。在我国智能楼宇体系发展相对于发

达国家起步还是较晚，所以相关系统还未健全，很

容易造成费时又费力，进而最后的结果还不是很理

想。为此，更需要结合当下我国的国情，有针对性

地进行能耗监控系统的改进，可对相关法律法规进

行修改完善，做到“科学发展”“可持续化发展”。

1 智能楼宇系统的组成

智能化建筑技术是信息、计算机、微电子技术

的集合。从布线到设备，从组件到系统，从语言到

多媒体，广泛分布于人们日常生活的点滴之中。它

能在计算机的调控和管理下，利用各种功能系统，

实现了调整室内环境，监测供水系统、安全监控系

统的运行，监控电梯运行，传递语音数据的图像。

该系统主要由八个部分组成（如图1所示）。

to the high energy consumption density and centralized management characteristics of large public

buildings, it is the top priority of building energy saving in China to do a good job in energy conservation

of public buildings. As the main source of urban energy consumption in the future, the economic and

energy saving efficiency of energy management needs to be continuously improved. Energy monitoring

system is one of the important components of intelligent building system, which adopts advanced Internet of Things or big data technology in all monitoring and management systems, which can effectively

carry out centralized operation and maintenance management, and also achieve intelligent and standardized management of all data. Therefore, intelligent building system based on energy consumption

monitoring technology can effectively implement all data monitoring, and better solve technical failures,

achieve rapid positioning, intelligent alarm,convenient in the operation and maintenance of various process assistance, at the same time can further improve efficiency, quickly eliminate all kinds of security

risks in a short time.

Key words: Energy Saving; Energy Detection; Intelligent Building; Internet of Things

基于能耗监测技术的智能楼宇系统分析

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上海节能 No.10

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节能技术

图1 智能楼宇系统的组成

2 能源监测技术在智能楼宇系统中的应用

智能楼宇能耗监测系统是对安装在楼宇内的

智能电表、智能远传水表、温度传感器等设备，利

用计算机网络技术、云计算技术、物联网技术，进

而设计与开发监测系统平台，实现对水耗、电耗、

温度等数据的采集和分项统计处理［3］

。系统图如

图2所示。

图2 能耗监控系统总图

3 数据采集及远程交互技术

“能耗”是一种广义的概念，难以用统一的标准

来衡量，也不利于“能耗”的管理。能源消耗监控系

统的目标是把使用者的个人信息与能源消耗装置、

环境等信息进行互动，这就要求该系统既要与WSN

通信，又与使用者网络取得联系，以便搜集使用者

的资讯与需求。达到使用者、能源消耗、环境三个

方面的有机结合。另外，为了达到对建筑节能的监

测与管理，系统还必须具有自适应能力和较高的智

能分析与综合判别能力。可把整个能源监测系统分

为三部分：设备感知层、网络传输层、应用管理层［4］

。

具体的构架图见图3。

图3 能源监测系统整体构架图

能耗监测系统的开发主要是对水、电、气等数

据进行采集与监测，本文的重点是对电表和水表的

数据采集与监测。

3.1 智能远传水表

科学的进步，技术的发展使得水表也从传统的

机械式到如今的智能化，其关键在于电信号转数字

信号，以及数据的传输这两方面的变革。随着通信

技术的不断发展，智能水表从有线到无线，从通用

分组无线技术到专用物联网网络技术。

NB-IoT 及窄带物联网网络技术［5］

，具有成本

低、功耗低、容量大、覆盖广、能在地下大楼中进行数

据通信等优点，每一座基站最多可以增加100 000

台以上的网络设备，保证了大量的物理连接。该系

统采用 PSM和 eDRX两种节能方式，减少了设备的

能耗，特别适合于以锂电池为动力但不太频繁的场

景，如水表、电表、气表等。数据上报一般是几个小

时或者几天一次。目前虽然电子技术的发展愈来

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ENERGY SAVING TECHNOLOGY

节

能

技

术

愈快，机电转化的手段也日益多样，常见的技术有

磁检测、光电检测等，但是也产生了很多新的问题，

例如测量数据很容易受外界电磁的影响导致最后

结果误差很大，另一方面，磁检测会因为水中部分

的杂质，导致最后计算结果有偏差，此外还包括人

为误差、机械结构等。基于上述问题，部分厂家设

计采用 NB-IoT技术来进行数据传输的智能水表，

该水表也是现在市场上主流的智能水表之一，因其

计算精度高、传输质量优等优点，解决了困扰人们

许久的水表数据的采集和它的传输问题［6］

。其总体

结构见图4。

3.2 智能电表

随着传感器技术的不断发展，我国智能电表也

在飞速进步中，目前国内许多厂家生产的智能电表

都能稳定地测出如电压、谐波、电流等参数。相对

图4 智能水表总体结构图

于传统的电表，如今的智能电表在保证耗能更低的

前提下做到精度更高，稳定性更好。

智能电表采用专用计量芯片，通过应用数字处

理技术、通信技术、计算机技术及 SMT 工艺，使电

表可做到实时的数据测量及监控、记录事件、报警

等功能。智能电表安装在楼宇建筑中，其计量参比

频率为 50 Hz、电压规格为 300、220 V，电流规格

为 1.5（6）A 等，电表的接线制式为三相三线抗冲击

负荷式、三相三线电子式、三相四线式等。 智能电

表的通信方式主要是 RS485［7］

、红外、电力线载波。

3.3 其他技术

智能建筑能耗监控系统能够将智能电表、智能

远传水表等采集终端的能量消耗信息传输给数据

终端，进行数据统计和分析。该采集终端可以根据

不同的使用情况对同类能源进行分类和测量。这

样就可以对能源消耗进行分项、分类测量。对于智

能楼宇系统的数据采集和通信方案，可以采用有线

通信和无线通信两种：CAN、RS485 等；无线技术

有 GPRS、ZigBee、GSM、蓝牙等；根据实际应用场

景最终选择有线和无线相结合的通信方式。各种

能源采集终端的连接技术在大型公共建筑的能源

监测系统中，最关键的技术就是将各种能源采集终

端连接起来，以便将各种能源数据收集到一起。不

同的能源消耗监测系统，不同的能源采集系统有不

同的接入技术，因为各区域政策的不同导致市面上

存在着很多协议，很难通过一个集中装置实现多种

能量采集的连接。由于各种能源监控体系的私有

协定, 所以在使用大规模公共建筑能源监控体系前,

需要对各个产品的体系进行分析，查看是否符合具

体使用情况，确保能成功连接到各个终端。在进行

大规模公用建筑节能监测系统的实际应用时，需结

合该系统总体的架构以及模块层次的特点，可采用

计算机编程语言如 java、C++等，将数据库和云计

基于能耗监测技术的智能楼宇系统分析

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节能技术

算技术相结合，进而确保传输数据的准确性和完整

性。同时，为保证能耗数据在采集后能高效传输，

可以采用RS485标准，以达到预期效果。

4 结论

1）本文进行了大量的实际调查工作和文献梳

理，剖析对比了国内外楼宇智能化的发展现状，总

结了智能楼宇监测技术的现有方法和最新成果，并

对智能楼宇能耗监测系统的改良模式进行了深化

研究。

2）对能耗监测系统的具体实施和相关计量表

具，以及数据传输的技术进行详细介绍说明，可以

看出，该系统是一个由物联网、传感器、大数据等诸

多技术组成的科技成果。科学技术的发展进步，不

仅和我们的生活有着密切联系，更能直接展示一个

国家的综合国力。未来楼宇的发展方向还是智能

化、人性化。楼宇的智能化程度的研究将是一个新

的值得挖掘的领域。

参考文献

［1］高晓佳,穆宇晨.大型公共建筑能耗监控体系剖析［J］.电子技巧与软

件工程，2021(5):165-166

［2］International energy agency.World Energy Outlook 2012：23-26

［3］宁方旭. 基于三层架构的 Web 应用程序设计［J］. 电脑知识与技术,

2013(35): 7978-7979.

［4］毕国锋. ASP.Net 技术的 Web 应用程序三层设计模型研究［J］. 黑龙

江科技信息, 2013(3): 109.

［5］宛如意，李震. 基于 NB－IoT 的智慧水务建设探讨［J］.电 子测试，

2017(12) : 72-73

［6］李诺.窄带物联网 NBIOT 在智能水表中的应用［J］.数字化用户，

2017，23(40) : 3

［7］Y. Jin and J. Yang.\" Design an Intelligent Environment Control System

for Green House Based on ＲS485 Bus，\"2011 Second International

Conference on Digital Manufacturing ＆ Automation，Zhangjiajie，Hunan，2011: 361-364

总投资3亿元 明天氢能将在黄山打造船用燃料电池生产线

10月11日，黄山高新区与安徽明天氢能科技股份有限公司举行大功率氢燃料电池发动机产业化项目

签约仪式。

安徽明天氢能科技股份有限公司是科技部“膜电极量产工业化”承担单位，安徽省“三重一创”“卡脖子

工程”承担单位，获得“高新技术企业”称号和安徽省“高层次科技人才团队”荣誉，拥有氢能燃料电池电堆与

系统自主核心技术与完全自主知识产权以及国内燃料电池领域唯一的衣宝廉院士工作站。

此次合作项目总投资3亿元，建设船用燃料电池动力系统智能装配测试生产线、氢能及燃料电池智慧展

示中心，并以黄山高新区为起点，推动氢能源燃料电池在黄山市乃至安徽省内的示范应用。同时，黄山高新

区也将成为明天氢能在安徽省内唯一、辐射全国的船用燃料电池动力系统生产基地。

此次签约项目的落户是黄山高新区贯彻落实市委市政府“一改两为”总体部署要求，打造绿色智能强市

的重大成果，也是高新区抢占氢能产业发展机遇，培育经济发展新动能，助力实现碳达峰、碳中和目标的重

要一步。

（来源：氢云链）

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节

能

技

术

双面双玻太阳能光伏组件能效提升

综述

孟庆茂 薛 培 王重阳 秦 斌

中广核新能源上海分公司

摘要：能源是我们赖以生存的基础，是确保社会稳定发展的重要前提。发展非化石能源是缓解能源危机、改善

全球气候条件的有效途径，其中太阳能凭借其无污染、资源量大等优势，得到了广泛的应用。但光伏发电存在

能量密度低、覆盖面积大、发电具有间歇性和随机性等缺点。太阳能光伏组件的能效提升始终是当今研究的

重点。分析了安装方式、太阳能光伏光热系统（PVT）、余热回收系统和聚光装置等对光伏发电的影响。

关键词：能源；太阳能；能效提升；双面双玻；光伏光热

DOI: 10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2023.10.016

Overview of Energy Efficiency Improvement of Double-Sided Double-Glass Solar Photovoltaic Modules

MENG Qingmao, XUE Pei, WANG Chongyang, QIN Bin

CGN New Energy Shanghai Branch

Abstract: Energy is the foundation of our survival and an important prerequisite for ensuring social stability and development. Developing non-fossil energy is an effective way to alleviate energy crisis and

improve global climate conditions, among which solar energy has been widely applied due to its advantages of non-pollution and large resource quantity. However, photovoltaic power generation has the

disadvantages of low energy density, large coverage area, intermittent and random power generation.

收稿日期：2023-04-25

第一作者：孟庆茂（1986-02-），男，本科，总经理助理，从事运维事业部上海区域总监、安全总监工作

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节能技术

0 引言

太阳能作为清洁的可再生能源得到了社会各

界的关注，经过近十几年的发展，太阳能的应用主

要集中在光伏和光热利用领域。随着光伏发电产

业的不断发展，光伏电站已由陆上逐渐扩展到水

域，水光互补、渔光互补等生态发电新模式逐渐成

为研究重点。水上光伏系统多采用双面双玻组件

（BPV），与传统的单面光伏（MPV）相比，双面光伏

（BPV）的背面能够接收来自环境的散射光和反射

光，实现更多的电能输出，有着更高的发电功率和

空间利用率［1］

。裴骏等［2］

针对BPV组件在水面、农

光互补等光伏电站中的发电特性进行了分析与实

证，结果表明，在水上光伏电站和农光互补电站，

BPV 组件较单面光伏组件的年均发电量增益分别

为5.39%和 11.96%。

1 安装方式对BPV组件发电的影响分析

由于BPV组件具有双面发电的特点，不同的安

装方式会影响电站的发电量，因此李亚彬等［3］

研究

了不同安装方式及不同反光背景条件下 BPV 组件

的发电量，结果表明，在单块组件的理想条件下（在

安装高度为0.4 m，安装角度为35°且反射率大于

70%的反光背景下），BPV 组件的平均发电量增益

为 21.38%，最高可达 32.99%。吴诗芹对 BPV 在

设计时应遵循的原则进行了探讨，研究发现，BPV

组件受倾角布置、地理位置、场地背景反射条件等

多种因素的影响，组件的安装高度越高，发电量越

多，但随着组件安装倾角的增大，组件背面接收的

反射辐射随之减小，导致光伏电站总发电量降低。

马庆虎等［4］

通过 PVsyst 软件模拟了 BPV 光伏电站

在不同安装倾角时其背面接收的太阳辐射量占比

和光伏电站发电量的情况，如图 1 所示，结果表明

BPV 组 件 背 面 接 收 的 太 阳 辐 射 量 占 其 正 面 的

6.09%~6.47%，并在组件安装角度为 33°时光伏

电站发电量最高。

图1 不同安装倾角下光伏电站首年发电量趋势图

（图片来源：《不同安装倾角对双面光伏组件光伏电站发电量的影响

研究》）

郭丹等［5］

详细分析了BPV的发展优势，并指出

如何在保证背部可以发电的同时还能维持正面发

电效率，是目前双面太阳能电池面临的挑战。

2 太阳能光伏光热系统的应用研究

除此之外，电池工作温度升高是导致电效率下

降的重要因素，对于晶硅太阳能电池，温度每提高

1 ℃电效率将下降 0.45%［6］

，所以有必要对太阳能

光伏组件进行冷却。自1978年kern和Russell［7］

提

出太阳能光伏光热（PVT）概念后，国内外学者对其

进行了大量的理论研究和实验研究［8］

，结果表明

PVT系统在降低电池温度提高发电效率的同时还获

The improvement of energy efficiency of solar photovoltaic modules has always been the focus of current research. The influence of installation method, solar photovoltaic thermal system (PVT), waste

heat recovery system and concentrating device on photovoltaic power generation is analyzed.

Key words: Energy; Solar Energy; Energy Efficiency Improvement; Double-Sided Double-Glass; Photovoltaic Thermal

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节

能

技

术

得了热能，实现了太阳能的梯级利用。BPV同样也

面临着温度升高光电转换效率下降的问题，为此

Kuo 等［9］提出了一种双面太阳能光伏光热系统

（BPVT），指出电效率和热效率是BPVT整体性能的

重要特征，经研究发现，相较于传统的 PVT 系统，

BPVT 系统的年平均发电量提高了 13.5%，储水箱

温度提高了4.8%，电力效益提高了16%~30%。除

此之外，不同冷却方式对BPVT系统的性能也有很

大影响，张泳［10］

设计了一种玻璃流道的BPVT系统，

研究了系统在冷却水流量为80 L/h时的热电性能，

如图 2 所示，玻璃流道 BPVT 系统的平均电效率为

17.13%，平均热效率为47.25%。

图2 电效率与热效率对比

图 2 数据来源：《玻璃流道集热器双玻双面 PV_T 组件设计与性能

研究》

Ma等［11］

针对BPV的特点提出了四种类型的冷

却装置并通过数值模拟开展了BPVT系统的性能研

究（如图3所示）。结果表明相较于传统BPV系统，

采用下表面冷却的BPVT系统的电性能最佳。

图3 四种类型的冷却装置

图4 输出功率随时间的变化情况

注：图3、图4数据来源于《A comparative study on bifacial photovoltaic/thermal modules with various cooling methods》

3 低品位热能回收利用分析研究

为提高能源的利用效率，学者们针对PVT的热

利用开展了相关研究。由于回收的热能品质较低，

传统PVT系统回收的热能可用于农业干燥、建筑采

暖以及生活热水等，将 PVT 技术应用于热水器是

PVT热水系统的利用方式之一，主要供家庭或公用

建筑独立使用。Dubey和Tiwari［12］

设计了结合PVT

技术的太阳能热水器，PV组件为系统提供电力，整

个热水器可独立运行，可以应用于偏远地区。将

PVT技术应用于太阳能海水淡化也是一项融合太阳

能光伏、光热及海水淡化技术的综合利用技术。

Kumar 等［13］

和 Singh 等［14］

将 PVT 系统与太阳能蒸

馏器相结合，利用光伏发电驱动直流水泵，水泵将

双面双玻太阳能光伏组件能效提升综述

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上海节能 No.10

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节能技术

蒸馏器与PVT平板集热器构成一个循环水系统，光

热部分被用来预热集热器中的水，热水进入太阳能

蒸馏器继续加热，通过蒸馏法获得淡水。由于光伏

表面的能流密度较低，系统获得的能量少，导致传

统的PVT系统所回收的热能品质较低，只能满足生

活用水所需的温度，很难直接作为热源去利用。而

PVT与热泵等技术相结合的复合系统可同时实现供

冷、供暖、供热水等多功能，但是增加热泵等设备不

仅会增加投资成本还会消耗光伏发电，因此有待探

索一种合理的热能利用方式。

4 聚光装置的热电性能分析研究

光伏电池表面普遍存在光照密度小，空间利用

率低等问题，将聚光装置与光伏组件结合为光伏的

发展提供了新思路。聚光装置与 PVT 结合后的

CPVT 系统在明显提高发电量的同时，还能获得较

多的热收益，为电站增加更多经济收益。聚光装置

示意图见图5。

图5 聚光装置示意图

图片来源：《Energy and exergy analyses of a low-concentration

photovoltaic/thermal module with glass channel》

崔文智等［15］

对于CPVT的研究结果表明，采用

平板式蛇形冷却通道的CPVT系统，随着聚光比由1

增加到 6，电输出量增加 366%，热输出量增加了

522%。Nahar等［16］

对具有平板冷却通道的PVT进

行了实验和数值模拟，并通过增加聚光装置研究了

CPVT 的性能，结果表明聚光装置增加了电池表面

的辐照强度并在冷却装置的作用下系统获得了更

多的电能和更高品质的热能。同时发现，提高电池

表面通量分布的均匀性有助于进一步提升CPVT系

统的性能。Meng Tian等［17］

综述了复合抛物面聚光

PVT系统的研究现状，可以看出CPVT系统的综合性

能相较于PVT系统有了较大的提升。Zhang H等［18］

将聚光装置应用到BPVT系统中，通过实验研究了

定冷却水流量时玻璃流道 CBPVT 系统与铝流道

CBPVT系统的性能，结果表明，玻璃流道CBPVT系

统的综合性能最好，其平均电效率为 13.1%，平均

热效率为 51.22%。Gao D 等［19］

建立了 CBPVT 光

伏组件的光、热、电耦合模型，并通过数值模拟分析了

CBPVT组件的热力学性能，结果表明，CBPVT系统

模块性能耦合良好，在BPVT系统中加入聚光器使

电效率提高了13%，总效率超过65%。

5 总结

文献综述表明，限制BPV发展的主要因素有电

池工作温度高、表面能流密度低以及安装运行方式

等问题。为此学者们先后提出了BPVT系统和CBPVT

系统，但受制于BPV双面发电的特点使得传统的冷

却装置无法直接与之匹配，因此，亟须开发一种具

有高传热性的模块化冷却装置来降低电池的工作

温度，实现电效率的提升。同时，研究聚光装置与

BPVT 系统结合的可行性和实用性，为光伏产业的

发展探索一种新的方向。除此之外，针对回收的低

品位热能，有待提出一种合理的利用方式，从而实

现能源的高效利用。

6 对未来工作的期望

未来我们要继续完善并提高试验研究与模拟

研究的准确性，针对BPV组件研发一套集聚光、发

电和热利用于一体的高性能光伏光热系统，为光伏

电站带来更多经济效益，并具有一定的推广性。

参考文献

［1］Katsaounis T, Kotsovos K, Gereige I, et al. Performance assessment of

bifacial c-Si PV modules through device simulations and outdoor measurements［J］. Renewable Energy, 2019, 143: 1285-1298.

1518

SHANGHAI ENERGY SAVING

2023年第 10 期

SHANGHAI ENERGY SAVING

上海节能

SHANGHAI ENERGY CONSERVATION

上海节能

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2018 年第 08 期

ENERGY SAVING TECHNOLOGY

节

能

技

术

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一汽解放：氢内燃机重卡2024年交付运行

日前，一汽解放方面表示，氢内燃机作为“双碳”实现路径之一，一汽解放不断加大研发投入，在 2022 年

首发点火后，一直在推进开发工作，目前已进入整车试制阶段，计划 2024 年 3 月交付用户示范运行。

2022年6月8日，由一汽解放自主设计研发的国内首款重型商用车缸内直喷氢气发动机成功点火并稳

定运行。该款氢气发动机属 13L 重型发动机，运转功率超 500 Ps，同级排量动力最强，指示热效率突破

55%，具有技术首创、行业首发、国际领先三大特点，标志着我国氢气直喷发动机自主研发取得重大突破。

本次发布氢气直喷发动机所基于的零碳氢基内燃动力孵化平台，具备氢气单燃料缸内直喷、氢气单燃料缸

内和气道混合喷射、氨气和氢气双燃料喷射能力，可灵活转化成氢气、氨气等净零碳燃料产品，是一汽解放

零碳动力研发领域的重要里程碑，必将持续引领中国商用车零碳动力转型发展。

双面双玻太阳能光伏组件能效提升综述

1519

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上海节能 No.10

2023

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节能技术

更换（改性天然酯）植物油配电变压器

应用技术研发

沈 晨 徐春峰 曹俊伟 张 剑

国网上海市电力公司奉贤供电公司

摘要：出于环保特性的考虑，近年来酯类绝缘油在变压器中的使用需求量在增长。与矿物绝缘油相比，酯类绝

缘油的生物降解率高，对生物无毒害，且部分源于天然植物原料，具备极强的可再生特性。运用改性天然酯油

更换变压器传统矿物油，起到节能、降低碳排放作用，通过对更换改性天然酯油后配电变压器与原矿物油配电

变压器试验对比，技术应用，进一步论证其必要性、环保节能、优越性。

关键词：矿物油；改性天然酯植物油；变压器；技术

DOI: 10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2023.10.017

Research and Development of Application Technology for

Replacing (Modified Natural Ester) Vegetable Oil Distribution Transformers

SHEN Chen, XU Chunfeng, CAO Junwei, ZHANG Jian

Shanghai Fengxian Power Supply Company of State Grid Shanghai Electric Power Company

Abstract: Considering the environmental protection characteristics, the demand for the use of lipid insulating oil in transformers has been increasing in recent years. Compared with mineral insulating oil,

收稿日期：2023-03-14

作者简介：沈晨（1986-10-），男，硕士，高级工程师，从事输配电线路、电缆运维工作

徐春峰（1988-02-），男，学士，工程师，从事变电检修及电气试验工作

曹俊伟（1989-02-），男，硕士，高级工程师，从事变电检修及电气试验工作

张剑（1990-03-），男，硕士，技师，从事输配电线路运维工作

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节

能

技

术

0 概述

油浸式配电变压器作为 10 kV 输配电网主要

设备，高压10 kV通过电磁感应原理变为400 V，起

到改变电网电压传输电能作用。其 400 V 低压侧

输出与用户侧负载连接，目前在农村、城市电网中

大量在线运行有S9、S11、S13、SBH15、SBH17型

等。近两年国家为推进“双碳”目标，要求新增油浸

式配电变压器为三级能效以上节能型产品（对应油

浸式配电变压器硅钢片变压器分别为 S13、S20、

S22 型 ，非晶合金变压器分别为 SBH15、SBH21、

SBH25 型）。同时近年来国家也在不断加强力度

进行电网改造，《关于统筹节能降碳和回收利用加

快重点领域产品设备更新改造的指导意见》（发改

环资〔2023〕178号）统筹推进电力变压器节能降碳

更新改造。目前在城市架空线电网运行油浸式配

电变压器规格容量主要为400 kVA，随着城市用电

需求不断提升，对变压器运行负荷提升提出更高的

要求。进行电网升级采用新能效产品应用是一个

有效的手段，但这需要大量资金投入、建设周期往

往比较长。目前在上海城市电网中，还有很大一部

分居民区、充电站、路灯共用设施采用 10 kV 欧式

箱式变电站作为用户供电模式。其容量分别为

630 kVA、500 kVA、100 kVA 等（内置为油浸式配

电变压器）。上述油浸式配电变压器产品用的绝缘

油均为传统矿物油。

绝缘油对变压器尤为重要，从环保特性考虑，

近年来酯类绝缘油在变压器中的使用需求量在增

长。与矿物绝缘油相比，酯类绝缘油的生物降解率

高，对生物无毒害，且部分源于天然植物原料，具备

极强的可再生特性。目前所使用的酯类绝缘油主

要有天然酯绝缘油、合成酯绝缘油及改性 绝缘

油。天然酯绝缘油主要来源于天然油料作物，成分

与食用油相似，主要为甘油三酯，其优点为燃点高、

防火能力强，几乎可完全生物降解，环保性佳，与绝

缘纸共用时，可延长绝缘纸的热老化寿命。缺点为

运动黏度大、散热性能不佳、氧化安定性较差，接触

氧气（O2）后容易被氧化，对变压器工艺要求较

高。合成酯绝缘油的主要成分为饱和季戊四醇酯，

优点与天然酯绝缘油类似，且其氧化安定性较好，

对工艺要求低于天然酯绝缘油，但也存在运动黏度

大的缺点，且其原料主要来源于石化产物，可再生

特性差。改性酯绝缘油的主要成分为脂肪酸单酯，

分子中的脂肪酸部分主要来源于天然油料作物，改

性酯绝缘油具备运动黏度低、氧化安定性好、可再

生特性好的优点。综合上述植物油特点，对电网运

行中变压器油更换，适合采用棕榈脂肪酸酯绝缘油

技术进行应用研发。其运动黏度较低，散热特性优

良，可达到节能低碳的效果。不同种类油特性对比

见表1。

lipid insulating oil has a high biodegradability, is non-toxic to organisms, and is partially derived from

natural plant materials, with strong renewable characteristics. The use of modified natural ester oil to

replace traditional mineral oil in transformers plays a role in energy conservation and reducing carbon

emissions. Through the experimental comparison of distribution transformers with modified natural ester oil and original mineral oil distribution transformers, the technical application further demonstrates its

necessity, environmental protection, energy conservation, and superiority.

Key words: Mineral Oil; Modified Natural Ester Vegetable Oil; Transformer; Technology

更换（改性天然酯）植物油配电变压器应用技术研发

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节能技术

国网上海市电力公司奉贤供电公司于2021年立

项进行了400 kVA杆上运行变压器进行更换改性天

然酯油项目研发，目的是通过对杆上运行400 kVA油

浸式配电变压器更换，使产品达到快速提高其短时

过载能力，产生低碳经济效益，提高运行中变压器

的可靠性。

1 为更好推进研发制定严格更换改性天然酯

油研发流程

1.1 原产品工厂试验检测

对运行近20年400 kVA油浸式配电变压器（编

号2005R4001101）产品（矿物油）在变压器工厂内

进行全套出厂试验和特殊型式试验雷电全波冲击

考核。

出厂试验数据见表2。

2 雷电冲击试验数据

雷电冲击试验数据见图1。

3 变压器油更换

产品上述测试反馈数据正常后，在工厂内对

变压器油箱（焊接式）进行了切割，并对器身进行

检查处理：包括器身整理、烘燥、密封件更换，同时

完成绝缘件取样工作。器身按工厂变压器工艺

要求完成烘燥处理，经绝缘电阻测试后数据大于

5 000 MΩ以上（未注油），同时对油箱进行清洗，

加装取油样阀门。

注入经测试合格改性天然酯新植物油（DL-7）

后，进行产品常规绝缘耐压试验考核。由于前期对

加注新油经验不足（静放时间不够），造成第一次耐

压到32 kV时跳闸。重新清洗器身后新油再注入油

箱，静放24 h后，再重新耐压35 kV/1min考核产品

顺利通过。

4 更换改性天然酯油后变压器进行常规出厂

试验，100%全波雷电冲击型式试验考核

4.1 出厂试验数据

油浸式变压器试验报告见表3。

4.2 100%全波雷电冲击

上述更换改性天然酯油后产品试验数据正常

（见图2）。

表1 不同种类油特性对比

注：DL-7为改性天然酯油产品工厂产品牌号

1522

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节

能

技

术

表2 油浸式变压器试验报告

注：为了更严苛考核产品绝缘特性，按工厂出厂新产品绝缘值进行100%考核

更换（改性天然酯）植物油配电变压器应用技术研发

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A相：

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节

能

技

术

B相：

更换（改性天然酯）植物油配电变压器应用技术研发

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C相：

图1 雷电冲击试验数据

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节

能

技

术

表3 油浸式变压器试验报告

注：对放电后变压器油DL-7进行油质第三方测试和处理

更换（改性天然酯）植物油配电变压器应用技术研发

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A相：

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节

能

技

术

B相：

更换（改性天然酯）植物油配电变压器应用技术研发

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C相：

图2 更换改性天然酯油后产品试验数据

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节

能

技

术

4.3 专项温升试验校核

为更好掌握改性天然酯油可提高负荷运行特

点，在工厂试验站内对变压器进行特殊试验（热点

温升）研发性试验认证。

对项目中 400 kVA 油浸式配电变压器进行测

试。在传统温升试验基础上(电阻法)，对变压器热

点温升进行了试验监测和温升（矿物油与改性天然

酯油）对比。对原变压器设计基本参数经测量论证

确认后，对变压器最热点高低压线圈部分进行了热

仿真计算（fluent），在确定相应热点区域位置后，在

线圈最热点区域埋设了热电偶（见图3）。

400 kVA油浸式配电变压器热点温升试验现场

见图3。

综合两次温升试验结果如下：

1）油顶层温升41.5 K，高压绕阻温升49.3 K，

低压绕组温升50.2 K（矿物油）。

2）油顶层温升 39.7 K，高压绕阻温升 46.1 K，

低压绕组温升46.8 K（DL-7植物油）。

从传统电阻法推算平均温升，与直接最热点测

试温度数据显示，均反馈出更换改性天然酯油后温

升下降3 K左右。

5 改性天然酯油更换后性能分析及应用

5.1 过负荷特性

通过变压器仿真、电阻法测试和直接热电偶

数据测试，均反馈出此台变压器产品改为改性天

然酯植物油后温升下降 3 K 左右。基于其为 B 级

以上绝缘介质，结合我们测试产品特点，对运行中

变压器通过更换植物油以后其负荷能力进一步提

升分析：由于其低压绕组温升为 46.8 K 与 65 K 之

间尚有18 K 裕度。进一步通过理论设计推算，调

换植物油，该变压器负荷能力提升为变压器110%

运行工况下，温升可满足变压器产品长期安全运

行要求，对短期内存在过负荷需求区域可快速解

决问题。

5.2 油样监测

油样监测始终贯穿整个研发过程，由于初期变

压器在工厂静放时间较短引起放电产生乙炔，器身

高低压线热电偶埋设最热点区域位置 植物油变压器温升试验过程

变压器热点温升测试（a） 稳定后变压器热点温升显示（b）

图3 400 kVA 油浸式配电变压器热点温升试验现场

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烘燥处理再加入改性天然酯油过程。变压器绝缘

试验考核完成后，均进行油样监测跟踪。对配电变

压器加装在线油样取样装置后也进行了运行中油

取样，数据均反馈正常，为后期推广应用于35 kV及

以上变压器运行提供可靠依据（改性天然酯油应用

于110 kV电力变压器产品已通过国家级试验站试

验认证）。对存在乙炔的改性天然酯油样进行真空

过滤处理，达到去除乙炔效果。为以后积累变压器

改性天然酯油处理提供可靠经验。

相关报告见图4。

图4 相关报告

5.3 变压器

更换改性天然酯植物油后，400 kVA油浸式配

电变压器已安全投入电网并已顺利进入挂网试运

行。同时完成在线运行变压器油取样监测，数据正

常（见图5）。

图 5 更换改性天然酯油的配电变压器已进入挂网试运行

6 社会效益

采用改性天然酯油进行老旧矿物油变压器绿

色升级改造低碳环保、经济性好。

采用植物油更换矿物油，以400 kVA杆变样机

为例：

更换一台可减少碳排放：307×3.13=961 kg。

以更换1 000台为例可减少碳排放近1 000 t。增加

电网容量输出容量40 000 kVA; 变压器部分负荷能

力提升，可减少电网建设投资力度。推算其社会效

益、经济效益更为可观。

图6为改性天然酯油厂家提供资料：

图6 改性天然酯油相关试算

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节

能

技

术

7 总结

采用改性天然酯油进行老旧矿物油变压器绿

色升级改造，较其它方式更具有其优越特性，提高

了在线运行配电变压器产品安全性和绝缘材料的

老化寿命。由于（改性天然酯）植物油具有散热性

能好、环保、闪点高、氧化安定性好的特点，变压器

运行工况会优于传统矿物油变压器。应用（改性

天然酯）植物油不需要对原变压器油道结构进行

调整，可实现在线快速更换。如对植物油技术应

用于新能效植物油变压器生产制造，其优势更明

显，如产品小型化、耐热等级高、环保等。未来应

用于 35 kV 及以上电力变压器，其散热性能、电气

参数优于传统矿物油，但尚需进行更多试运行场

合应用。对改性天然酯油应用于变压器油更换目

前也在建立相应标准。对新技术应用未来需要投

入更多研发和论证性试验,使其有利于电网和社

会发展。

博世和中邮物流联手打造无锡市首个零碳氢运示范

近日，全球领先的汽车零部件供应商博世动力总成与中国邮政速递物流公司联手打造的一项零碳氢运

示范项目正式启动。这标志着无锡市正在迈入实现氢能源汽车规模化运营的新阶段，为推动绿色能源的广

泛应用提供了有力支持。

作为中邮物流在江苏省的首个氢能物流示范项目，首批搭载博世氢动力模块的中邮物流货车将在无锡

市开展绿色配送服务。这些车辆将充分利用氢燃料电池技术，具备长续航里程和快速加注的特点，为无锡

市提供高效、环保的物流配送解决方案。同时，无锡市拥有相对便利的加氢设施，为氢燃料汽车的推广和应

用提供了良好的条件。

氢能作为一种重要的清洁能源，被认为是全球能源转型发展的重要载体之一，也是未来国家能源体系

的重要组成部分。近期，《无锡市促进新能源产业发展若干政策》的通知出台，其中明确了将重点强化公共

领域氢燃料车船的示范应用，鼓励加快推进加氢站建设等规划。博世与中邮物流的此次合作正是在这一政

策背景下展开的，旨在共同推动氢能产业的发展和商业化应用。

对于中邮物流而言，这批氢能源货车的投入运营不仅有助于实现绿色零碳物流的目标，还可以兼顾其

物流车的运输需求。随着氢能产业规模的不断扩大，中邮物流期待氢能物流车辆能够得到更广泛的应用，

为推动绿色物流发展做出积极贡献。

对于博世而言，搭载博世氢动力模块的卡车在无锡的示范运营是其在中国推动氢动力技术商业化应用

的重要节点。博世正积极努力在无锡将氢燃料汽车拓展到其他应用领域，并计划继续丰富产品组合，深化

与上下游伙伴的合作，探索更多的氢燃料汽车应用场景，以持续推动氢能产业的发展。

通过博世与中邮物流的合作，无锡市迈出了向“氢未来”迈进的关键一步。该项目的成功启动将为无锡

市乃至全国范围内的氢能产业发展提供宝贵的经验和借鉴，有望在未来引领更多城市和企业加入到绿色能

源的转型潮流中来。

（来源：氢云链）

更换（改性天然酯）植物油配电变压器应用技术研发

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600 MW 亚临界机组锅炉节能降耗

存在的问题分析

高雨琪

上海吴泾第二发电有限责任公司

摘要：随着能源需求的不断增加，火力发电作为我国主要的电力供应方式之一，对能源资源的高效利用和环境

保护提出了更高要求。以600 MW亚临界机组锅炉为研究对象，分析了其节能降耗存在的问题，并提出了相

应的对策。通过对锅炉燃烧优化、余热回收、运行调整等方面的研究，旨在为提升火力发电厂能效、减少能源

浪费，实现可持续发展提供理论和实践指导。

关键词：600 MW亚临界机组；锅炉节能降耗；燃烧优化；余热回收；可持续发展

DOI: 10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2023.10.018

Analysis on Problems of Energy Saving and Consumption

Reduction of 600MW Sub-Critical Unit Boiler

GAO Yuqi

Shanghai Wujing No. 2 Power Generation Co., Ltd.

Abstract: With the increasing demand for energy, thermal power generation, as one of the main power

supply modes in China, has put forward higher requirements for the efficient utilization of energy resources and environmental protection. Taking the 600 MW sub-critical unit boiler as the research object, this paper analyzes the problems existing in energy conservation and consumption reduction, and

proposes corresponding countermeasures. Through research on boiler combustion optimization, waste

heat recovery, operation adjustment, etc., It aims to provide theoretical and practical guidance for im收稿日期：2023-08-22

作者简介：高雨琪（1994-12-），男，学士，助理工程师，从事运行主值工作

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节

能

技

术

0 引言

我国火力发电在能源供应中占据着重要地位，

然而随着电力装机容量的不断增加，火力发电也面

临着能源效率和环境排放的双重压力。600 MW亚

临界机组作为火力发电厂的主力机型之一，在满足

电力需求的同时，其能源利用效率对电力系统的整

体运行和可持续发展具有重要影响。为此，深入研

究600 MW亚临界机组锅炉节能降耗问题，提出有

效对策，对于推动我国火力发电行业的可持续发展

具有重要意义。

1 问题分析

1.1 燃烧效率不高

锅炉的燃烧过程受到众多因素的综合影响，其

中包括煤种的物理化学特性、燃烧设备的运行状态

以及供氧、混煤等因素。这些因素的变化导致燃烧

效率的不稳定性，从而影响了煤炭的能源高效转

化。这不仅会造成燃烧效率的下降，还可能导致燃

烧不完全，产生有害气体，对环境造成影响。因此，

需要采取相应措施来优化燃烧过程，提高煤炭的能

源利用效率，同时减少对环境的负面影响。

1.2 余热未充分回收利用

在火力发电过程中，锅炉排烟中蕴含着大量的

热能，即余热，其中蕴藏着巨大的潜力。然而，当前

仍有许多电厂未能充分利用这一宝贵的资源，导致

大量热能被遗漏，造成能源的浪费。这些未被回收

的余热可能直接排放到大气中，不仅浪费了能源，

还加剧了环境污染。

要解决这一问题，电厂应加强余热回收技术的

研发与应用。通过设立合适的余热回收装置，将排

烟中的余热用于供暖、发电过程中的预热等用途，

能够显著提高能源的利用效率。

1.3 运行参数不合理

锅炉运行参数的合理设置对于保持高效的燃

烧和能源转化至关重要。然而，一些电厂存在运行

参数不合理的情况，如过高或过低的供风量、风粉

比等。这些不合理的参数设置会直接影响到锅炉

内煤炭的燃烧情况，导致热效率下降。当供风量过

高时，会增加风机电耗，浪费宝贵的热能，同时使

NOx生成量变多；而供风量过低则会导致燃料燃烧

不完全，影响燃烧稳定性，产生有害气体。类似不

合理的风粉比也会影响到煤炭的燃烧效果，从而降

低了锅炉的热效率和能源转化效率［1］

。

1.4 燃煤种类选择不当

在火力发电过程中，煤炭是主要的燃料之一，

而不同种类的煤炭具有不同的物理化学特性。然

而，一些电厂在选择燃煤种类时与设计煤种存在较

大差异，这可能导致燃烧效果不佳，进而影响能源

的高效利用。燃煤种类的不当选择可能导致燃烧

过程的不稳定性，甚至引发燃烧不完全或不稳定的

情况。此外，不适当的煤种选择还可能导致热值不

匹配，燃烧过程的温度和压力波动，进一步影响锅

炉的热效率。这些问题都会造成能源利用效率的

降低，增加了能源的浪费。

1.5 技术手段较为落后

600 MW亚临界机组大多数投产时间较早，运

行时间较长，锅炉所采用的一些技术手段与当前先

进的技术相比已经较为落后，比如在锅炉启动过程

中因点火方式落后消耗大量能源从而造成能源的

proving the energy efficiency of thermal power plants, reducing energy waste, and achieving sustainable development.

Key words: 600 MW Sub-Critical Unit; Boiler Energy Saving and Consumption Reduction; Combustion

Optimization; Waste Heat Recovery; Sustainable Development

600 MW亚临界机组锅炉节能降耗存在的问题分析

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SHANGHAI ENERGY SAVING

上海节能 No.10

2023

ENERGY SAVING TECHNOLOGY

节能技术

浪费，以及因再热汽温控制调节不稳定导致生产效

率的下降。通过对锅炉进行相关改造，运用先进的

技术手段可以直接提高机组的运行效率，降低机组

煤耗。

2 对策分析

2.1 燃烧优化调整

为了解决燃烧效率不高的问题，电厂可以采

取燃烧优化技术。首先，通过对不同煤种的燃烧

特性进行详细分析，了解不同煤种的燃烧特点，包

括其灰分含量、挥发分含量等。根据这些特性，合

理地调整燃烧参数，如供氧量、风粉比、一次风速

等，以优化燃烧过程，提高煤炭的燃烧效率。此

外，引入先进的燃烧控制系统也是关键。通过采

用精细化的燃烧管理，可以更准确地控制燃烧过

程，避免过量的空气供应或不足的燃料供应，从而

降低燃烧损失。这些先进的控制系统可以根据实

时数据自动调整参数，确保燃烧过程始终保持在

最佳状态。总之，燃烧优化技术的应用是提高燃

烧效率的关键［2］

。通过科学分析煤种特性、精确调

整燃烧参数，并引入先进的燃烧控制系统，能够显

著提高煤炭的能源利用效率，减少能源浪费，推动

火力发电行业向更加可持续的发展方向迈进。

2.2 加强余热回收利用

在锅炉排烟中存在大量的热能，这些热能若得

不到合理回收利用，将会造成巨大的能源浪费。为

此，电厂可以加强锅炉排烟余热回收装置的建设，

将排烟中的热能用于供热系统、发电过程中的预热

等用途，从而显著提高能源的利用效率。我厂2号

炉采用的中温省煤器系统在空预器进口和出口之

间连接一路新的烟气通道，称为空预器烟气旁路烟

道，其主要作用是分离一定量的空预器进口烟气至

烟气旁路烟道中，在旁路烟道中增加两级换热装置

分别与系统的高、低压给水系统连通，旁路烟道中

的烟气依次加热从给水系统抽出的给水，加热后的

给水返回原系统，而烟气则被冷却，达到降低预热

器出口烟温的目的（见图1）。通过推广这些余热回

图1 炉 2中温省煤器系统流程图

收技术，电厂能够在降低能源浪费的同时，实现能

源的有效利用。因此，加强余热回收利用技术的推

广是提高能源利用效率的重要手段。

2.3 运行参数优化调整

通过持续监测锅炉运行情况，根据实际数据精

准地调整供风量、风粉比等关键参数，可以确保煤

炭在炉膛内得到充分的氧化，最大限度地提高燃烧

效率。同时，运用先进的自动控制系统，根据实时

数据和模型预测进行运行参数调整，可以使锅炉持

续处于最佳工作状态。我厂协调控制系统在送风

总操的基础上另外加了氧量自动控制功能，送风总

操对总风量进行粗调，氧量自动控制对总风量进一

步修正，进行细调，从而精准地控制氧量。此类技

术可以迅速响应运行状况的变化，确保锅炉在不同

负荷和燃烧条件下都能实现最佳的热效率。

2.4 合理选择燃煤种类

不同的煤种具有不同的燃烧特性，热值和灰分

含量等因素会直接影响燃烧效果。因此，在选择燃

煤种类时，应充分考虑电厂锅炉的设计要求、燃烧

设备的性能以及供应市场的煤种特点。合理选择

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