生態(tài)城建設中建筑能耗評估的探討

祝捷1

(天津大學建筑設計規(guī)劃研究總院，天津 300073)

生態(tài)城建設中建筑能耗評估的探討

祝捷1

(天津大學建筑設計規(guī)劃研究總院，天津 300073)

以某生態(tài)建筑為例，對耗能情況進行綜合分析，介紹各系統(tǒng)的整合應用，并用模擬軟件計算建筑能耗，模擬結果達到生態(tài)城綠色公共建筑的能耗控制性指標要求，并實現(xiàn)打造“零能耗建筑”的目的。建議業(yè)主后期運行時，追加設置能耗數(shù)據采集和能源管理等策略。

生態(tài)城市、綠色建筑、能耗指標、測算評估

引言

生態(tài)城市的發(fā)展目標是要建設人與自然和諧共處并可持續(xù)發(fā)展的城市，近年來中國的生態(tài)城建設在發(fā)展低碳經濟、加強環(huán)境保護、節(jié)約能源資源、構建和諧社會等方面做出的努力和探索，對未來的城市建設和創(chuàng)造美好人居環(huán)境具有重要意義。生態(tài)城的建設中要求建筑單體應為綠色建筑，經過幾年來的綠色建筑工程實踐，我們對綠色建筑的認識不斷加深。在研究過程中發(fā)現(xiàn)，目前我國的生態(tài)城建設和綠色建筑發(fā)展存在如下問題：

建筑的實際能耗與整個城市區(qū)域的節(jié)能減排目標缺少關聯(lián)。隨著節(jié)能減排工作的不斷推進，許多生態(tài)城都制定了節(jié)能減排的目標，并作為城市發(fā)展的重要指標。但是在建設過程中，并沒有將這一指標分解到建筑能耗、交通能耗、產業(yè)能耗、市政能耗等諸方面。因此，綠色建筑的標準制訂中沒有確定建筑物的綜合能耗指標標準，并且在設計時沒有要求對建筑物的能耗指標進行計算，從而使生態(tài)城的整體節(jié)能指標無法測算和檢驗。

現(xiàn)有綠色建筑評價標準重技術措施，輕量化指標要求。目前的國家標準和地方標準，多根據建筑所采用的技術措施進行打分，標準中沒有明確對于建筑能耗、水耗等指標的要求。按照這類評價標準評定的綠色建筑，往往存在獲得綠色建筑評價等級，而實際的能耗指標并不低等問題。

生態(tài)城市能耗指標探討的意義

生態(tài)城的能耗指標是衡量一座生態(tài)城市的建設成功與否、建筑物是否低碳節(jié)能的重要內容。有些專家一直在呼吁建立我國的建筑能耗統(tǒng)計平臺，測算出建筑物所消耗能源的具體數(shù)據，定量描述建筑的能耗，我們對此深表贊同。本文想就生態(tài)城建設中建筑物的能耗評估做些探討。

以中新天津生態(tài)城為例，希望建立以能源、水資源能耗指標為核心要求、以被動式節(jié)能技術為主要措施的綠色建筑評價體系。按照中新天津生態(tài)城指標體系和總體規(guī)劃要求，生態(tài)城內綠色建筑的比例為100%，目前在建建筑規(guī)模已超過 300 萬 m2。

我們選取了公建項目案例，對單體建設物設計中的能耗指標進行測算，并判定是否符合天津生態(tài)城的能耗指標要求，并希望對完善綠色建筑評價體系的量化指標奠定科學依據和實踐基礎。

單體建筑案例能耗測算

項目概況

本工程位于天津中新生態(tài)城內，建筑面積為3467m2，地上兩層，地下一層，建筑的主要功能為展示及辦公。

本工程的設計目標為零能耗的綠色公共建筑。通過被動式設計使建筑物耗能達到合理的極限，通過主動式設計提高設備能源使用效率，利用太陽能和地熱能等可再生能源滿足建筑能耗需求，打造現(xiàn)場零能耗的可持續(xù)型示范建筑。應用清潔技術、物質循環(huán)技術和生態(tài)產業(yè)技術等已有技術，實現(xiàn)對天然資源的完全循環(huán)利用，而不給大氣、水和土壤遺留任何廢棄物。

實例工程能耗模擬計算分析

建筑用能分析

建筑各用能系統(tǒng)按照各自在建筑物總能耗中所占的比重，可以分為以下幾部分構成：照明系統(tǒng)、暖通空調系統(tǒng)、室內設備、其他系統(tǒng)（電梯、給排水、通風等設備）。

照明能耗包括房間照明、應急照明、立面照明、安全和疏散誘導照明等。其安裝功率主要取決于建筑類型和房間功能，各設備耗電使用性能主要與使用的照明設備性能相關，作息時間由功能房間所決定。

影響空調采暖系統(tǒng)能耗的因素很多，主要包括：室外氣象條件、室內的產熱、產濕、房間的通風狀況、圍護結構的熱工性能、系統(tǒng)形式、設備的性能及啟?？刂撇呗?。

室內設備能耗指各功能房間內所使用的電器設備，對應不同的功能房間，按照圖紙說明，確定各設備的安裝功率，同時使用的時間。

其他系統(tǒng)和設備能耗取決于系統(tǒng)形式，設備運行功率以及控制方式。

建筑圖形信息

為確定本工程是否能夠滿足打造零能耗建筑的目的，根據施工圖設計資料，采用建筑環(huán)境與系統(tǒng)動態(tài)模擬分析軟件Energyplus，對建筑負荷及各系統(tǒng)全年能耗進行模擬計算。邊界條件設置

室外氣象參數(shù)采用天津市典型氣象年氣象數(shù)據。

采暖期：11月15日至3月15日，空調期：6月15日至9月15日。

使用時間：檔案存儲、普通辦公部分、外窗口辦公按照全年260天工作日計，公屋展示、銀行按照全年242天工作日計。

設備開啟時間：工作日早上8:00至下午18:00，辦公設備開啟時間按照業(yè)主提供的各設備使用時間來確定。

暖通能耗模擬計算結果

以采暖空調系統(tǒng)為例，簡要說明能耗模擬計算過程。本工程的空調冷熱源形式為地源熱泵耦合太陽能光熱＋溶液除濕系統(tǒng)。對部分需24小時供冷熱的電氣房間及室內要求“無水患”房間采用VRF機組全年供冷熱。

冷熱負荷的模擬計算

該建筑年房間耗熱量（新風負荷除外）為54932.8kWh，合18.3kWh/m2·a；年新風耗熱量為83176.99kWh，折合27.7 kWh/m2·a。13144.31kWh，水泵（包括冷凍水泵和冷卻水泵）耗電量6440kWh，溶液除濕機組耗電量為23680.8kWh，總計為43265.1kWh。

空調季系統(tǒng)效率=空調季耗冷量/空調季系 能耗=88885.8/43265.1=2.05

采暖季系統(tǒng)能耗：

采暖季高溫熱泵冷水機組耗電量為30828.1kWh，水泵（包括用戶側和原水側）耗電量為9317.0kWh，溶液冷水機組耗電量為31145.4kWh，總計為71290.5kWh。

采暖季系統(tǒng)能效=采暖季耗熱量/采暖季系統(tǒng)能耗=138109.7/71290.5=1.94

單位建筑面積采暖能耗指標為23.76 kwh/m2.a

單位建筑面積空調能耗指標為14.4 kwh/m2.a

單位建筑面積采暖空調能耗指標為38.1 kwh/m2.a

建筑物單體能耗統(tǒng)計匯總

通過計算模擬，建筑分項各類能耗數(shù)值統(tǒng)計如下：

系統(tǒng)分類 空調、采暖系統(tǒng)給排水系統(tǒng) 通風系統(tǒng)年能耗量（kwh/m2.a） 38.1電力系統(tǒng)4.51.11.98單位能耗指標（kwh/m2.a） 45.7

該建筑年房間耗冷量（新風負荷除外）為27722.31kWh，單位建筑面積合 8.0kWh/m2·a；年新風耗冷量為61163.5kWh，單位建筑面積折合 20.4 kWh/m2·a。

注：系列3為新風耗冷量，系列2為房間耗冷量

暖通系統(tǒng)效率

空調季系統(tǒng)能耗：

該系統(tǒng)空調季高溫冷水熱泵機組年耗電量為

依據中新天津生態(tài)城綠色公共建筑的能耗控制性指標，其認證級能耗限值為≤110KWh/m2。該項目能耗指標小于≤110KWh/m2，優(yōu)于控制性指標要求。

本建筑年總耗能量約為160MWh，采用太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)提供建筑電力要求，光伏發(fā)電總裝機容量293kWP，全年發(fā)電量295MWh。

天津屬華北地區(qū)季節(jié)差異較大，夏、春秋季，光伏發(fā)電量大于負荷用電量。冬季，光伏發(fā)電量小于負荷用電量。通過光伏發(fā)電與風力發(fā)電系統(tǒng)的并網技術措施，即可實現(xiàn)從電網取電，也可向電網饋電的并網形式。即：夏季及春秋季多余的電量饋向電網，冬季從電網取電，從而真正實現(xiàn)零能耗建筑。

低耗高效性的設計

建筑節(jié)能是指在居住建筑和公共建筑的規(guī)劃、設計、建造和使用過程中，通過執(zhí)行現(xiàn)行建筑節(jié)能標準，提高建筑圍護結構熱工性能，采用節(jié)能型用能系統(tǒng)和可再生能源利用系統(tǒng)，切實降低建筑能源消耗的活動。節(jié)能不能簡單地認為只是少用能。節(jié)能的核心是提高能源效率。本工程對建筑的體形、朝向、窗墻比、遮陽措施等不僅影響外在質量，而且同時也影響通風、采光、節(jié)能等方面的內在因素，進行了精心設計。

建筑物采用豎向條形窗為主，20%的開窗率，在滿足自然通風和采光的同時，降低了建筑物維護結構的能耗。依據清華大學研究成果，當窗墻比在0.2時，即可滿足自然采光又可以最大程度的降低能耗。在降低體形系數(shù)到合理區(qū)間的前提下，選擇圍護結構的合理窗墻比是實現(xiàn)被動節(jié)能的重要前提。建筑體型系數(shù)為0.21。

通過應用與建筑結合良好的坑道風、設置屋頂自然通風窗井及大廳地面送風口，強化自然通風，縮短入口大廳空調制冷時間約20%，減少入口大廳空調制冷能耗約30%。

屋頂設置光導筒，解決空間內區(qū)的自然采光，降低照明能耗。光伏發(fā)電和儲能，為建筑物提供電能。地源熱泵為建筑物提供冷熱源。屋面雨水通過虹吸收集系統(tǒng)收集全部地下蓄水池，水池中的水用于綠地灌溉和道路澆灑。

能耗的檢測與維護運行

除了為此項目做了能耗測算，我們還為建筑后期使用能達到預想效果對業(yè)主提出了兩個建議。

首先，建議業(yè)主采用能耗監(jiān)測平臺，對實際運行中的總體建筑用電點進行實時的監(jiān)控。建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)一般由數(shù)據采集子系統(tǒng)、數(shù)據中轉站和數(shù)據中心組成。數(shù)據采集子系統(tǒng)由監(jiān)測建筑中的各計量裝置、數(shù)據采集器和數(shù)據采集軟件系統(tǒng)組成。

設計初期，為了能打造“零能耗”的綠色節(jié)能建筑，設計師對整體建筑進行優(yōu)化配置及設計整合，但是實際運行中，是否能按照我們的設想達成目標，還是未知數(shù)。對用能點進行實時監(jiān)測，掌握建筑用能狀況，發(fā)現(xiàn)用能問題，用數(shù)據“說話”，才是我們降低建筑能源消耗，提高能源利用效率，實施建筑節(jié)能的最終目的。

其次，我們建議業(yè)主與能源管理公司建立長期合作關系，即“合同能源管理”。由能源管理公司與用戶簽訂能源管理合同、約定節(jié)能目標，為客戶提供設備采購、工程施工、設備安裝調試、人員培訓、節(jié)能量確認和保證等一整套的節(jié)能服務，以節(jié)能效益分享方式回收投資和獲得合理利潤。

建筑能耗評估建議

我們認為生態(tài)城的建設中，在控制總體能耗目標的前提下，應對單體建筑的能耗指標提出限定要求，并在單體設計階段建立能耗計算模型，計算建筑的總能耗和單位能耗指標，結合被動式與主動式設計策略，使其達到限定要求。

同時，我們通過對某些建筑圍護結構耗熱量指標的計算，發(fā)現(xiàn)：建筑圍護結構設計僅僅滿足《天津市公共（居?。┙ㄖ?jié)能設計標準》的最低標準，其建筑物的總能耗指標不一定能夠符合天津生態(tài)城提出的“公共（居?。┙ㄖG色建筑等級的控制項限值”。要使項目的能耗指標都符合“限值”要求，就要進行采暖系統(tǒng)、空調系統(tǒng)以及其它系統(tǒng)的整體能耗測算，從而在設計中對建筑圍護結構耗熱量指標提出要求。

為保證天津生態(tài)城總體能耗指標控制限值，建議提高區(qū)域內建筑圍護結構傳熱系數(shù)標準，而不僅僅是符合天津市節(jié)能建筑的基本標準，從而使每幢建筑都為控制生態(tài)城的總體能耗指標做出貢獻。

結語

國務院關于發(fā)布的“十二五”節(jié)能減排綜合性工作方案中，確定的主要目標：到2015年，全國萬元國內生產總值能耗下降到0.869噸標準煤（按2005年價格計算）；“十二五”期間，實現(xiàn)節(jié)約能源6.7億噸標準煤。2015年，全國化學需氧量和二氧化硫排放總量分別控制在2347.6萬噸、2086.4萬噸；全國氨氮和氮氧化物排放總量分別控制在238.0萬噸、2046.2萬噸。

生態(tài)城市總體能耗指標的控制，取決于每個建筑單體的控制。希望通過我們的計算分析，提高大家對建筑能耗指標的控制引起重視，生態(tài)城和綠色建筑不僅僅是采用一些技術措施，而是“要拿數(shù)據說話”，真正實現(xiàn)建設資源節(jié)約、環(huán)境友好型社會的目標。