寒冷地區(qū)某機(jī)關(guān)辦公建筑節(jié)能潛力分析

陳為花孫毅張浩

(1.山東建筑大學(xué) 熱能工程學(xué)院，山東 濟(jì)南250101；2.中國電建集團(tuán)核電工程有限公司，山東濟(jì)南250100；3.山東省綠色建筑協(xié)同創(chuàng)新中心，山東 濟(jì)南250101)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)增長和人們生活水平的提高，對全球能源的需求不斷增長。 其中，一次能源消費(fèi)量在持續(xù)的增加，而我國貢獻(xiàn)的增長量超過了30%[1]。 由于能源需求的增長來源于不同行業(yè)，其中建筑是全球能源的主要終端用戶之一，在能源轉(zhuǎn)型中承擔(dān)重要角色。 目前建筑行業(yè)消耗已經(jīng)占全球能源及原料消耗的30%[1]。

建筑行業(yè)用能重要性持續(xù)提升，其中制冷、照明和電氣耗能顯著增加，建筑能源消費(fèi)增長更加強(qiáng)勁，預(yù)測到2040 年將升至能源消費(fèi)總量的約1/3[2]。我國的建筑行業(yè)能源消耗已超過全國總能耗的20%，其中公共建筑的增長迅速，總商品能耗超過2.8 億tce(噸標(biāo)煤)[3]，是建筑節(jié)能研究的重點(diǎn)。

政府機(jī)關(guān)辦公建筑是公共建筑的主要類型之一。 在東營市調(diào)研過程中，發(fā)現(xiàn)該類建筑大多建造年代較早，存在圍護(hù)結(jié)構(gòu)無保溫、設(shè)備老舊等問題，具有很大的節(jié)能潛力[4-6]。 調(diào)研后，選取某典型政府機(jī)關(guān)辦公建筑，針對其能耗現(xiàn)狀進(jìn)行節(jié)能潛力分析，為寒冷地區(qū)政府機(jī)關(guān)辦公建筑節(jié)能改造提供依據(jù)。

1 某政府機(jī)關(guān)辦公建筑能耗概況

某政府機(jī)關(guān)辦公建筑建造于2002 年，總面積為6 957 m2，地上10 層，朝向?yàn)楸薄?建筑為框架結(jié)構(gòu)，墻體材料為磚砌體與加氣混凝土，外墻無保溫，窗戶為普通雙層中空玻璃，窗框材料為塑鋼，其有內(nèi)遮陽而無外遮陽。 對比GB 50189—2015《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[7]中圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)限值可知，該建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能均超過節(jié)能設(shè)計(jì)參數(shù)限值，具有一定的節(jié)能潛力。 冬季采用市政熱網(wǎng)供暖，末端為風(fēng)機(jī)盤管，夏季采用磁懸浮離心式冷水機(jī)組制冷，空調(diào)形式為風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)系統(tǒng)。

2016—2018 年此建筑逐月耗電量及平均月耗電量如圖1 所示。 2016—2018 年用電趨勢一致，6 ～9 月是用電高峰期，為夏季空調(diào)使用季節(jié)；3、11 月用電量較其他非空調(diào)季節(jié)月份略有升高，主要原因?yàn)楣┡_始前與結(jié)束后用房間空調(diào)器進(jìn)行輔助供暖；其他月份用電量平穩(wěn)，波動小。

建筑能耗指標(biāo)見表1，平均單位面積耗電量指標(biāo)為50.04 kWh/(m2·a)，平均單位面積耗水量指標(biāo)為0.93 m3/(m2·a)。 近3 年的單位面積耗電量、耗水量指標(biāo)接近，建筑耗電量、耗水量穩(wěn)定，可以反映建筑實(shí)際用能情況。

該建筑用能系統(tǒng)為建筑用電系統(tǒng)和采暖用能系統(tǒng)，公共建筑能耗不包括冬季采暖能耗[8]。 主要用能設(shè)備見表2～4，能源消耗均為電能，包括照明及辦公設(shè)備用電、空調(diào)用電及電梯耗電等，形式比較單一。 由于建筑內(nèi)無能耗分項(xiàng)計(jì)量系統(tǒng)，無法得到各系統(tǒng)準(zhǔn)確的實(shí)際用能數(shù)據(jù)。 結(jié)合建筑用電分布，可將其總能耗近似分為空調(diào)能耗、辦公能耗(包括照明、辦公設(shè)備及電梯等)。 辦公能耗全年相對穩(wěn)定，可取過渡季節(jié)月能耗的平均值。 空調(diào)能耗為空調(diào)季總能耗與辦公能耗的差值，由此可得空調(diào)系統(tǒng)能耗的估算值[9]。 過渡季節(jié)月平均耗電量為16 224 kWh，空調(diào)季總耗電量為207 294 kWh，則空調(diào)耗電量的估算值為191 070 kWh，占建筑總能耗的55%，能耗占比較大。 單位面積空調(diào)年耗電量為29.4 kWh/(m2·a)。

圖1 2016—2018 年建筑逐月耗電量及平均月耗電量圖

表1 建筑能耗指標(biāo)表

表2 建筑主要用能設(shè)備參數(shù)表

表3 建筑照明設(shè)備參數(shù)表

表4 建筑辦公用能設(shè)備參數(shù)表

2 模擬結(jié)果分析

利用建筑熱環(huán)境設(shè)計(jì)模擬工具包(Designer's Simulation Toolkit，DeST)模擬建筑建模、負(fù)荷及能耗。建模過程中依據(jù)實(shí)際情況簡化建筑模型[10]。 模擬所需氣象參數(shù)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)、室內(nèi)參數(shù)、人員照明設(shè)備作息參數(shù)均依據(jù)實(shí)際情況設(shè)置。

2.1 負(fù)荷模擬結(jié)果

利用DeST 模擬建筑全年的空調(diào)逐時負(fù)荷，結(jié)果如圖2 所示。 建筑空調(diào)最大逐時熱負(fù)荷為691.96 kW，最大逐時冷負(fù)荷為586.00 kW，分別出現(xiàn)在1 月21 日和8 月9 日，對應(yīng)于室外溫度最低和最高的時間段。 建筑全年累計(jì)熱、冷負(fù)荷分別為558 672.06、281 258.86 kWh；全年最大熱、冷負(fù)荷指標(biāo)分別為106.67、90.25 W/m2。

2.2 能耗模擬結(jié)果

由DeST 模擬得到建筑年能耗為36.2×104kWh/a，而單位建筑面積年能耗為51.9 kWh/(m2·a)。 模擬所得逐月能耗的分布變化趨勢如圖3 所示。 DeST 模擬所得的逐月耗電量與該建筑近3 年實(shí)際逐月耗電量的平均值接近，其最大偏差＜20%，因此該模型可以反映建筑實(shí)際能耗情況。

圖2 全年逐時空調(diào)負(fù)荷圖

圖3 2016—2018 年建筑月平均耗電量圖

2.3 空調(diào)季負(fù)荷特性分析

建筑負(fù)荷大小決定了空調(diào)設(shè)備容量大小，降低建筑負(fù)荷可降低空調(diào)設(shè)備容量。 由調(diào)研可得，該建筑空調(diào)面積(6 492.80 m2)占建筑總面積的93.3%，空調(diào)供冷時間為6 月15 日至9 月15 日。 建筑空調(diào)季瞬時冷負(fù)荷模擬結(jié)果如圖4(a)所示，以建筑瞬時冷負(fù)荷占最大瞬時冷負(fù)荷比例d分析建筑空調(diào)冷負(fù)荷分布情況，如圖4(b)所示。 建筑瞬時冷負(fù)荷超過最大瞬時冷負(fù)荷80%的小時數(shù)占空調(diào)季總小時數(shù)的3%，而＞60%的占13%，主要出現(xiàn)在7 月初至8 月中旬；空調(diào)季87%的時間內(nèi)，瞬時冷負(fù)荷低于最大瞬時冷負(fù)荷的60%，其中低于最大瞬時冷負(fù)荷30%的小時數(shù)占47%。 由此可知，該建筑空調(diào)季＞80%的時間處于部分負(fù)荷狀態(tài)。

圖4 空調(diào)季逐時冷負(fù)荷圖

2.4 負(fù)荷影響因素分析

影響建筑負(fù)荷的因素眾多，且不同因素的影響程度不同，可通過正交試驗(yàn)分析各個影響因素對建筑負(fù)荷的影響程度。 選取7 個影響因素進(jìn)行分析，各個因素及其相應(yīng)的水平見表5，其中S、N、E、W 分別代表南、北、東、西，表明建筑不同朝向。

表5 建筑負(fù)荷影響因素及其相應(yīng)水平表

選用L16(43×26)正交試驗(yàn)表格進(jìn)行試驗(yàn)[11]。試驗(yàn)指標(biāo)為建筑全年負(fù)荷。 由DeST 軟件模擬得到建筑全年負(fù)荷，結(jié)果見表6。 其中，Ki為任一列水平號為i時，所對應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果之和；ki為任一列水平因素取水平i時所得的試驗(yàn)結(jié)果的算術(shù)平均值；R為極差，在任一列上R＝max{k1，k2，…，ki}-min{k1，k2，…，ki}，表示該列因素的數(shù)值在試驗(yàn)范圍內(nèi)的變化，極差越大，會導(dǎo)致試驗(yàn)指標(biāo)在數(shù)值上更大的變化。 由試驗(yàn)結(jié)果可得，在已分析的影響因素中，其影響程度的大小依次為:外墻傳熱系數(shù)、新風(fēng)指標(biāo)和照明密度；其他因素對建筑負(fù)荷的影響程度依次為:窗墻比＞外窗傳熱系數(shù)＞設(shè)備密度＞遮陽系數(shù)。 該結(jié)果將指導(dǎo)建筑節(jié)能潛力的進(jìn)一步分析。

表6 建筑負(fù)荷影響因素正交試驗(yàn)表

3 節(jié)能潛力分析

從建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)、空調(diào)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)等3 個方面，以建筑實(shí)際狀況為基準(zhǔn)，模擬分析了采取節(jié)能措施后相對實(shí)際運(yùn)行建筑的節(jié)能潛力。

3.1 建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能潛力

針對建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，根據(jù)負(fù)荷影響因素分析結(jié)果，選取對建筑負(fù)荷及能耗影響相對大的外墻、外窗兩個影響因素，分析建筑的節(jié)能潛力。

3.1.1 建筑外墻節(jié)能潛力

建筑外墻節(jié)能改造有外墻外保溫、內(nèi)保溫。 外墻外保溫可保護(hù)外墻主體結(jié)構(gòu)，且室內(nèi)溫度波動較小，熱穩(wěn)定性好，不易形成熱橋，可避免室內(nèi)裝修對保溫層的破壞，便于對舊建筑物進(jìn)行節(jié)能改造[12]。 該政府機(jī)關(guān)建筑外墻為磚砌體與加氣混凝土砌塊的復(fù)合墻體，無外保溫，外墻傳熱系數(shù)為1.246 W/(m2·K)，遠(yuǎn)大于節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)中≤0.5 W/(m2·K) 的要求。 為研究外墻節(jié)能潛力，建筑外墻結(jié)構(gòu)添加了60 mm 的膨脹珍珠巖外保溫層后，傳熱系數(shù)為0.481 W/(m2·K) ，滿足規(guī)范要求。

模擬的添加保溫層后建筑全年負(fù)荷結(jié)果見表7。 外墻外保溫后，外墻的傳熱系數(shù)降低，建筑全年累計(jì)總負(fù)荷降低了10%。 其中全年最大熱負(fù)荷降低8%，而建筑全年最大冷負(fù)荷略微增長；建筑全年累計(jì)熱負(fù)荷降低了17%，而建筑全年累計(jì)冷負(fù)荷相較于建筑外墻未進(jìn)行保溫層設(shè)計(jì)時增加了5%，這是因?yàn)榻ㄖ鈮鳠嵯禂?shù)降低，建筑的熱惰性增大，建筑室內(nèi)熱環(huán)境的穩(wěn)定性增強(qiáng)，冬季熱損失變小利于保暖，而夏季建筑散熱變差。 因此，外墻節(jié)能改造后，夏季可通過夜間自然通風(fēng)進(jìn)行散熱[13]。 綜上可知，改變建筑外墻結(jié)構(gòu)，降低外墻傳熱系數(shù)，對降低建筑熱負(fù)荷效果顯著。

表7 不同外墻結(jié)構(gòu)的建筑全年負(fù)荷表

3.1.2 建筑外窗節(jié)能潛力

由前述建筑負(fù)荷影響因素分析結(jié)果得，建筑外窗對負(fù)荷影響很大。 通常情況下，建筑一經(jīng)建成后窗墻比很難再改變，將主要研究外窗類型的節(jié)能潛力。 建筑實(shí)際的外窗類型為普通中空玻璃，窗框?yàn)殇X合金窗框，其外窗傳熱系數(shù)及太陽得熱系數(shù)均超過節(jié)能要求。 選擇幾種不同類型外窗玻璃進(jìn)行模擬分析，其類型及相應(yīng)的熱工參數(shù)見表8。

表8 不同外窗玻璃及其熱工參數(shù)表

利用軟件DeST 對所選的不同外窗玻璃類型通過控制變量法逐一進(jìn)行模擬[14]，得到不同外窗玻璃類型下建筑全年累計(jì)熱負(fù)荷、全年累計(jì)冷負(fù)荷及全年總負(fù)荷，其隨外窗傳熱系數(shù)的變化如圖5 所示。該建筑全年總負(fù)荷隨著外窗玻璃傳熱系數(shù)降低而降低。 全年累計(jì)熱負(fù)荷同樣隨著外窗玻璃傳熱系數(shù)的降低而降低，但外窗玻璃傳熱系數(shù)由1.7 W/(m2·K)降至1.4 W/(m2·K) 時，基本不發(fā)生變化。 建筑全年累計(jì)冷負(fù)荷開始時隨著外窗玻璃傳熱系數(shù)降低而降低，但隨著外窗玻璃傳熱系數(shù)繼續(xù)降低，全年累計(jì)冷負(fù)荷有所升高，為研究其原因，進(jìn)一步分析外窗玻璃參數(shù)對建筑全年冷、熱負(fù)荷的影響。

圖5 建筑全年負(fù)荷隨外窗傳熱系數(shù)變化規(guī)律圖

建筑全年累計(jì)冷、熱負(fù)荷隨外窗玻璃傳熱系數(shù)及遮陽系數(shù)(Shading Coefficient，SC)值的變化情況如圖6 所示。 建筑全年累計(jì)熱負(fù)荷隨外窗玻璃傳熱系數(shù)的降低而降低，與外窗玻璃遮陽系數(shù)SC 值的變化相關(guān)性較弱，可見外窗玻璃的SC 值對建筑熱負(fù)荷影響較小，建筑熱負(fù)荷主要受外窗玻璃傳熱系數(shù)影響。 隨著外窗玻璃傳熱系數(shù)降低，建筑全年冷負(fù)荷先降低后升高，與外窗玻璃SC 值變化趨勢一致，可知建筑冷負(fù)荷受外窗玻璃的SC 值影響大于傳熱系數(shù)。

圖6 熱、冷負(fù)荷與外窗玻璃參數(shù)關(guān)系圖

3.2 空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能潛力

由前述建筑能耗情況分析可知，空調(diào)系統(tǒng)能耗占建筑總能耗的比重較大。 空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及運(yùn)行不合理都會導(dǎo)致建筑能耗增加，其優(yōu)化對建筑節(jié)能至關(guān)重要[15]。 空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能潛力分析可從空調(diào)系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)進(jìn)行，包括建筑室內(nèi)空調(diào)溫度的設(shè)定、系統(tǒng)的新風(fēng)形式等。 空調(diào)溫度的設(shè)定可以從源頭減少空調(diào)能耗，系統(tǒng)新風(fēng)形式及是否存在熱回收等節(jié)能技術(shù)都會對建筑能耗產(chǎn)生影響。

3.2.1 室內(nèi)溫度設(shè)置

空調(diào)季在滿足人體舒適性的前提下，應(yīng)適當(dāng)提高室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度，降低建筑負(fù)荷，從而減少建筑能耗[16-20]。 在建筑其他參數(shù)不變的情況下，分析建筑空調(diào)室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度對建筑能耗的影響。 現(xiàn)選取空調(diào)室內(nèi)溫度分別為24、26、28 ℃時進(jìn)行模擬，結(jié)果如圖7 所示。

圖7 不同空調(diào)室內(nèi)溫度下空調(diào)季空調(diào)能耗圖

建筑空調(diào)能耗隨著空調(diào)室內(nèi)溫度的升高而下降。 空調(diào)室內(nèi)溫度為24 ℃時建筑空調(diào)能耗為19.59×104kWh/a，升高2 ℃(即26 ℃)后建筑能耗降低了11%，再升高2 ℃(即28 ℃時)后建筑能耗降低了16%。 由此可知，調(diào)整空調(diào)室內(nèi)溫度對建筑空調(diào)能耗影響顯著。 在實(shí)際使用空調(diào)的過程中，可在滿足人體舒適性的前提下，適當(dāng)提高空調(diào)溫度，降低室內(nèi)外溫差，從而減少建筑能耗。

3.2.2 新風(fēng)熱回收裝置

空調(diào)系統(tǒng)中新風(fēng)負(fù)荷占比較大，相應(yīng)的新風(fēng)系統(tǒng)能耗占比較大，因此需要控制新風(fēng)量及利用新風(fēng)熱回收裝置等節(jié)能技術(shù)，以降低新風(fēng)能耗，從而降低空調(diào)能耗。 該建筑空調(diào)系統(tǒng)中新風(fēng)不承擔(dān)室內(nèi)負(fù)荷，現(xiàn)對新風(fēng)機(jī)組添加全熱回收裝置(夏季焓回收率為66%、溫度回收率為70%、額定功率為1.6 kW)進(jìn)行能耗模擬，對比分析新風(fēng)熱回收對空調(diào)能耗的影響。 模擬結(jié)果如圖8 所示，增加新風(fēng)熱回收裝置后，建筑空調(diào)總耗電量減少2.78×104kWh，相對無新風(fēng)熱回收時降低了23%；6 ～9 月份有不同程度降低，分別為24%、18%、19%和39%。 可見新風(fēng)熱回收對降低空調(diào)能耗有顯著效果。

圖8 有無新風(fēng)熱回收空調(diào)逐月能耗對比圖

3.3 照明系統(tǒng)節(jié)能潛力

公共建筑照明系統(tǒng)能耗約占總能耗的10%～40%。 照明系統(tǒng)能耗不僅占比較高，且照明系統(tǒng)會增加空調(diào)系統(tǒng)能耗。 根據(jù)模擬結(jié)果可知，該建筑照明系統(tǒng)能耗占建筑總能耗的30%。 所以減少照明系統(tǒng)能耗也是降低建筑總能耗的重點(diǎn)方向[21-22]。

在建筑實(shí)際運(yùn)行中，更換更為節(jié)能的燈具類型，可以達(dá)到40%的相對節(jié)能潛力[23]。 隨著節(jié)能燈具的發(fā)展，商用發(fā)光二極管(Light Emitting Diode，LED)節(jié)能燈的光效已達(dá)到100 lm/W[24]。 該光效下，5 W/m2的照明功率密度即可滿足建筑照度要求。 模擬更換光效為90 lm/W 的LED 節(jié)能燈后，建筑的相對節(jié)能潛力見表9。 更換節(jié)能燈具后，空調(diào)能耗有所降低，照明系統(tǒng)能耗降低了55.59%，建筑總能耗降低了17.63%，節(jié)能效果十分可觀。 在滿足照度的要求下，除更換節(jié)能燈具外，充分利用自然采光，通過行為節(jié)能的方式做到人走燈滅，也可有效降低照明系統(tǒng)能耗。

表9 照明系統(tǒng)節(jié)能潛力表

4 結(jié)論

采用控制變參數(shù)法，從建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)、空調(diào)及照明系統(tǒng)3 個方面分析了典型政府機(jī)關(guān)辦公建筑的節(jié)能潛力，得到如下結(jié)論:

(1) 降低建筑外墻傳熱系數(shù)至滿足規(guī)范節(jié)能要求，建筑全年累計(jì)冷負(fù)荷有所增加，逐時最大冷負(fù)荷并無變化，而全年累計(jì)熱負(fù)荷降低了17%，逐時最大熱負(fù)荷降低了8%，降低了對空調(diào)設(shè)備容量的要求，且建筑全年累計(jì)總負(fù)荷降低了10%；降低外窗玻璃的傳熱系數(shù)，建筑全年累計(jì)負(fù)荷逐漸降低，變化比較平緩；全年累計(jì)熱負(fù)荷隨外窗玻璃傳熱系數(shù)降低而降低，呈線性變化趨勢；全年累計(jì)冷負(fù)荷隨外窗玻璃遮陽系數(shù)SC 值降低而降低；建筑熱負(fù)荷相對主要受外窗玻璃傳熱系數(shù)影響，建筑冷負(fù)荷受外窗玻璃的遮陽系數(shù)SC 值影響大于傳熱系數(shù)。

(2) 調(diào)整空調(diào)室內(nèi)溫度對建筑空調(diào)能耗影響較為顯著，空調(diào)室內(nèi)溫度由24 ℃提高至26 ℃，建筑能耗降低了11%，由26 ℃升高至28 ℃時，建筑能耗降低了16%；因此在滿足人體舒適性的前提下，可適當(dāng)提高室內(nèi)空調(diào)溫度，有效降低建筑能耗。 新風(fēng)熱回收技術(shù)可明顯減少空調(diào)能耗，增加新風(fēng)熱回收裝置，建筑空調(diào)季空調(diào)總耗電量減少了2.78×104kWh，相對無新風(fēng)熱回收時降低了23%。

(3) 模擬更換高效的節(jié)能燈具后，建筑照明系統(tǒng)能耗降低了55.59%，且空調(diào)能耗有所降低，建筑總能耗降低了17.63%，節(jié)能效果十分可觀。 在建筑實(shí)際運(yùn)行中，在滿足照度的要求下選擇合適照明功率并充分利用自然采光，通過行為節(jié)能的方式做到人走燈滅，可有效減少照明系統(tǒng)能耗。