氣候變化對上海市辦公建筑暖通空調(diào)能耗影響分析

孫雅瓊，季　亮(上海市建筑科學(xué)研究院，上?！?00032)

全球變暖趨勢已成不爭事實(shí)。工業(yè)化以來，全球大氣中 CO2、CH4和 N2O 等溫室氣體濃度持續(xù)上升，導(dǎo)致溫室效應(yīng)日益加劇。1959～2010 年，上海市的總體氣溫呈現(xiàn)顯著上升趨勢，年均氣溫序列的變化幅度為 0.5 ℃/10 a。相較 1959～2010 年，2016～2035 年的全球地表溫度將上升0.3～0.7 ℃，2081～2100 年將升高 0.3～4.8 ℃，未來年氣溫序列的發(fā)展趨勢將和現(xiàn)有趨勢保持一致[1-2]。

氣候的變化主要體現(xiàn)在室外溫度的升高及太陽輻射強(qiáng)度的增大。室外溫度的升高導(dǎo)致圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱溫差變化，從而影響室內(nèi)得熱；太陽輻射強(qiáng)度的變化則通過透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)的透射影響室內(nèi)得熱[3]。上述氣象參數(shù)的變化，將直接引起空調(diào)采暖系統(tǒng)能耗及其峰值的變化，而照明插座能耗、動力系統(tǒng)能耗及特殊電耗與建筑類型、使用人數(shù)密切相關(guān)，與氣候基本無相關(guān)性。

本文主要研究氣候變化對公共建筑能耗的影響，并以辦公類建筑為典型進(jìn)行分析，總結(jié)能耗影響的機(jī)理和規(guī)律。

1　模型建立

1.1　建筑模型建立

上海市辦公樓建筑總面積占公共建筑總面積(不包括工業(yè)廠房)22.82%[4]，是上海市面積最大的公共建筑類型。相較其他公共建筑形式，辦公樓中的工作人員作息一致，建筑能耗規(guī)律性較強(qiáng)。

M 辦公樓是一棟位于徐匯區(qū)的寫字樓。建筑總面積為21 516.8 m2，共計 20 層，1 層層高為 5.1 m，2～20 層層高為 4.2 m。窗墻比為：東西向 0.24，北向 0.18，南向0.4。其圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)如表1 所示。

表1　M 辦公樓圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)

M 辦公樓采用變風(fēng)量全空氣暖通空調(diào)系統(tǒng)。該系統(tǒng)冷源為 2 臺螺桿式冷水機(jī)組，熱源為 1 臺燃煤常壓熱水鍋爐，配置 3 臺冷凍水泵、3 臺冷卻水泵及 2 臺熱水泵。系統(tǒng)主要設(shè)備參數(shù)如表1、表2 所示。

表2　M 辦公樓螺桿式冷水機(jī)組參數(shù)

表3　M 辦公樓燃煤熱水鍋爐參數(shù)

1.2　案例設(shè)定

選取中國氣象數(shù)據(jù)庫中上海市氣象數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)氣象參數(shù)，選取室外溫度及太陽輻射強(qiáng)度為典型氣象參數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)室外溫度及太陽輻射強(qiáng)度分別如圖所示[4]。

圖1　上海市基準(zhǔn)室外溫度

(1) 室外溫度方案。設(shè)定 0.2 ℃ 為室外溫度變化步長，使逐時室外干球溫度偏離逐時基準(zhǔn)室外干球溫度 +3 ℃，即設(shè)定 31 個不同室外溫度的能耗模擬案例。

圖2　上海市基準(zhǔn)太陽輻射強(qiáng)度

(2) 太陽輻射強(qiáng)度方案。設(shè)定 2% 的基準(zhǔn)逐時太陽輻射強(qiáng)度為太陽輻射強(qiáng)度變化步長，使太陽輻射強(qiáng)度偏離基準(zhǔn)太陽輻射強(qiáng)度 -12%～8%，即設(shè)定 11 個不同太陽輻射強(qiáng)度的能耗模擬案例。

2　敏感性分析

將 M 辦公樓的建筑基本參數(shù)及不同氣象數(shù)據(jù)導(dǎo)入QUEST 軟件中，進(jìn)行室外溫度和太陽輻射強(qiáng)度敏感性分析。

2.1　室外溫度敏感性分析

不同室外溫度的 M 辦公樓空調(diào)采暖系統(tǒng)能耗及其峰值變化如圖3、圖4 所示。

圖3　不同室外溫度下 M 辦公樓空調(diào)采暖能耗變化

圖4　不同室外溫度下 M 辦公樓空調(diào)采暖能耗峰值變化

由圖3、圖4 可知，室外溫度升高 1 ℃，M 辦公樓的空調(diào)系統(tǒng)能耗約線性增大 0.68 kW·h/m2，空調(diào)能耗峰值升高 0.71 W/m2，采暖系統(tǒng)能耗約線性降低 1.08 kW·h/m2，采暖能耗峰值降低 0.57 W/m2。夏季，室外溫度升高，室內(nèi)外溫度差變大，辦公樓冷負(fù)荷增大，空調(diào)系統(tǒng)開啟率加大、運(yùn)行時間增長，導(dǎo)致M辦公樓空調(diào)能耗系統(tǒng)增大，空調(diào)能耗峰值升高。冬季，室外溫度升高，室內(nèi)外溫度差變小，建筑熱負(fù)荷減小，建筑采暖系統(tǒng)開啟率減小、運(yùn)行時間減小，導(dǎo)致 M 辦公樓采暖系統(tǒng)能耗減小，采暖系統(tǒng)能耗峰值降低。

3.2　太陽輻射強(qiáng)度敏感性分析

不同太陽輻射強(qiáng)度的 M 辦公樓空調(diào)采暖系統(tǒng)能耗及其峰值變化如圖5、圖6。

圖5　不同太陽輻射強(qiáng)度下 M 辦公樓空調(diào)采暖能耗變化

圖6　不同太陽輻射強(qiáng)度下 M 辦公樓空調(diào)采暖能耗峰值變化

由圖5、圖6 可知，太陽輻射強(qiáng)度升高 2%，M 辦公樓的空調(diào)系統(tǒng)能耗約線性增大 0.03 kW·h/m2，空調(diào)能耗峰值升高 0.21 W/m2，采暖系統(tǒng)能耗約線性降低 0.01 kW·h/m2，采暖能耗峰值降低 0.01 W/m2。夏季，太陽輻射強(qiáng)度增大，到達(dá)建筑物外表面的太陽輻射量增多，室內(nèi)的太陽輻射得熱增多，建筑冷負(fù)荷增大，導(dǎo)致建筑空調(diào)系統(tǒng)能耗增大，空調(diào)能耗峰值升高。冬季，太陽輻射強(qiáng)度增大，到達(dá)建筑物外表面的太陽輻射量增多，室內(nèi)熱負(fù)荷減小，導(dǎo)致采暖系統(tǒng)能耗減小，采暖能耗峰值降低。

3　預(yù)測模型建立

選取上海市室外溫度、太陽輻射強(qiáng)度為自變量，上海市辦公樓空調(diào)系統(tǒng)能耗、采暖系統(tǒng)能耗、空調(diào)系統(tǒng)能耗峰值、采暖系統(tǒng)能耗峰值為因變量，分別驗(yàn)證自變量與因變量的相關(guān)性。相關(guān)性系數(shù)如表4 所示。

表4　相關(guān)性系數(shù)表

由表4 可知，室外溫度與 4 個因變量在 0.01 顯著性水平上顯性相關(guān)，太陽輻射強(qiáng)度與空調(diào)能耗峰值在 0.05 顯著性水平上顯性相關(guān)，其余 3 個因變量不相關(guān)。

使用 SPSS 軟件對自變量及因變量均進(jìn)行 K-S 檢驗(yàn)，結(jié)果顯示，原樣本參數(shù)均符合正態(tài)分布。不同室外溫度、太陽輻射強(qiáng)度條件下的空調(diào)采暖能耗及其峰值分別建立回歸預(yù)測模型。

(1) 空調(diào)系統(tǒng)能耗預(yù)測模型見式(1)：

式中：CLoff——空調(diào)系統(tǒng)能耗，kW·h/m2；

△T——全年逐時室外溫度變化，(全年逐時室外干球溫度-標(biāo)準(zhǔn)氣象年逐時干球溫度)，℃。

圖7　辦公建筑空調(diào)系統(tǒng)能耗預(yù)測值與模擬值對比圖

由圖7 可知，辦公樓空調(diào)能耗預(yù)測值與模擬值吻合度較好，殘差均勻分布在 0.00 上下，且無規(guī)律性、無周期性上下浮動，殘差波動范圍保持穩(wěn)定，回歸預(yù)測結(jié)果較為準(zhǔn)確。式(1)調(diào)整判定系數(shù) R2=0.996，方程顯著性檢驗(yàn)概率為0.000，CLoff與 △T 的回歸關(guān)系顯著，建立的模型恰當(dāng)。

(2) 采暖系統(tǒng)能耗預(yù)測模型見式(2)：

式中：HLoff——辦公樓采暖系統(tǒng)能耗，kW·h/m2。

圖8　辦公建筑采暖系統(tǒng)能耗預(yù)測值與模擬值

由圖8 可知，辦公樓采暖能耗預(yù)測值與模擬值吻合度較好，殘差均勻分布在 0.000 上下，殘差波動范圍保持穩(wěn)定，回歸預(yù)測結(jié)果較為準(zhǔn)確。式(2)調(diào)整判定系數(shù)R2=0.991，回歸方程的顯著性檢驗(yàn)概率為 0.000，HLoff與△T 的回歸關(guān)系顯著，建立的模型恰當(dāng)。

(3) 空調(diào)系統(tǒng)能耗峰值預(yù)測模型見式(3)：

式中：CPoff——建筑空調(diào)系統(tǒng)能耗峰值，W/m2；

△S——(全年逐時太陽輻射強(qiáng)度-標(biāo)準(zhǔn)氣象年逐時太陽輻射強(qiáng)度)/標(biāo)準(zhǔn)氣象年逐時太陽輻射強(qiáng)度。

圖9　辦公建筑空調(diào)系統(tǒng)能耗峰值預(yù)測值與模擬值

由圖9 可知，空調(diào)系統(tǒng)能耗峰值回歸預(yù)測模型的預(yù)測值與模擬值吻合度較好，殘差均勻分布在 0.000 上下，且無規(guī)律性、無周期性上下浮動，殘差波動范圍保持穩(wěn)定，表明回歸預(yù)測結(jié)果較為準(zhǔn)確。由模型匯總表格可知，判定系數(shù)R2=0.969，調(diào)整判定系數(shù) R2=0.968，回歸方程的顯著性檢驗(yàn)概率為 0.000，CPoff與 T 的回歸關(guān)系顯著，建立的模型恰當(dāng)。

(4) 采暖系統(tǒng)能耗峰值預(yù)測模型見式(4)。

式中：HPoff——辦公建筑采暖系統(tǒng)能耗峰值，W/m2。

圖10　辦公建筑采暖系統(tǒng)能耗峰值預(yù)測值與模擬值

由圖10 可知，采暖系統(tǒng)能耗峰值預(yù)測值與模擬值吻合度較好，殘差均勻分布在 0.000 上下，殘差波動范圍保持穩(wěn)定，表明預(yù)測結(jié)果較為準(zhǔn)確。式(4)調(diào)整判定系數(shù)R2=0.997，回歸方程的顯著性檢驗(yàn)概率為 0.000，HPoff與△T 的回歸關(guān)系顯著，建立的模型恰當(dāng)。

4　暖通能耗預(yù)測

室外溫度是導(dǎo)致辦公樓空調(diào)采暖能耗及其峰值變化的主要因素。目前，上海市辦公建筑面積為 6.860×107m2[4]，室外溫度變化時，上海市辦公建筑空調(diào)采暖能耗及其峰值變化趨勢如圖11 所示。

圖11　室外溫度變化對上海市辦公樓采暖空調(diào)能耗影響

圖12　室外干球溫度變化對上海市采暖空調(diào)能耗峰值影響分析圖

由圖11、圖12 可知，室外溫度變化時，上海市辦公樓空調(diào)采暖能耗及峰值呈線性變化趨勢。室外逐時溫度升高 1 ℃ 時，上海市辦公樓的空調(diào)系統(tǒng)能耗增大 4.77×107kW·h，采暖系統(tǒng)能耗減小 7.74×107kW·h，空調(diào)能耗峰值升高 4.74×104kW，采暖系統(tǒng)能耗峰值降低 4.08×104kW。

參照 GB/T 2589—2008《綜合能耗計算通則》中能源折標(biāo)準(zhǔn)煤參考系數(shù)，將采暖空調(diào)系統(tǒng)不同的冷熱源能耗，折算為標(biāo)煤，室外逐時溫度升高 1 ℃ 時，將多消耗一次能源6.51×107kgce。

5　結(jié)　語

(1) 室外溫度變化較太陽輻射強(qiáng)度變化對上海市辦公建筑暖通空調(diào)能耗及其峰值的影響大。

(2) 室外溫度升高 1 ℃，M 辦公樓的空調(diào)系統(tǒng)能耗約線性增大 3%，空調(diào)能耗峰值升高 1.6%，采暖系統(tǒng)能耗約線性降低 13.7%，采暖能耗峰值降低 2.89%。

(3) 太陽輻射強(qiáng)度升高 2%，M 辦公樓的空調(diào)系統(tǒng)能耗約線性增大 0.14%，空調(diào)能耗峰值升高 0.47 W/m2，采暖系統(tǒng)能耗約線性降低 0.13%，采暖能耗峰值降低 0.05%。

(4) 使用 SPSS 軟件，建立預(yù)測模型，如表5 所示。

表5　上海市辦公樓暖通空調(diào)能耗回歸預(yù)測模型

(5) 室外逐時溫度升高 1 ℃ 時，上海市辦公樓的空調(diào)系統(tǒng)能耗增大 4.77×107kW·h，采暖系統(tǒng)能耗減小7.74×107kW·h，空調(diào)能耗峰值升高 4.74×104kW，采暖系統(tǒng)能耗峰值降低 4.08×104kW，多消耗一次能源6.51×107kgce。

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