國內(nèi)典型區(qū)域建筑能源系統(tǒng)經(jīng)濟和能耗指標(biāo)比較分析

孫學(xué)鋒，吳 偉，王 昊，殷晶晶（上海中建東孚投資發(fā)展有限公司， 上海 200125）

提升人居環(huán)境品質(zhì)是滿足人民日益增長的美好生活需要的必然要求，但高品質(zhì)人居環(huán)境需要相應(yīng)的能源消耗做支撐。2014～2016年，對中國家庭能源消費研究表明，用于改善人居環(huán)境品質(zhì)的建筑能耗增加最為明顯[1-3]。在建筑能耗總量控制背景下，建筑節(jié)能是實現(xiàn)建筑節(jié)能總體目標(biāo)、緩解能源壓力的重要措施。建筑節(jié)能技術(shù)研究受到廣泛關(guān)注。影響建筑能耗的因素有 6 個方面，分別是氣候、建筑圍護結(jié)構(gòu)、建筑設(shè)備、運行維護、人行為和室內(nèi)環(huán)境品質(zhì)高低[4]。近年來學(xué)者對綠色生態(tài)建筑的設(shè)計理論和方法展開了大量的研究工作，不同地區(qū)的學(xué)者結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂蛱卣?，對?dāng)?shù)亟ㄖ倪x址、布局、建筑設(shè)計到環(huán)境調(diào)控設(shè)備選擇等各個環(huán)節(jié)提出了系統(tǒng)的節(jié)能策略。

除了單體建筑節(jié)能技術(shù)的研究，采用自上而下的方式設(shè)定建筑能耗指標(biāo)，通過政策管控引導(dǎo)措施促動建筑節(jié)能也是建筑節(jié)能工作的必然要求。目前國內(nèi)外生態(tài)城、生態(tài)社區(qū)的項目實踐中，廣泛采用的與能源相關(guān)的指標(biāo)主要集中在人均和單位 GDP 能耗指標(biāo)、可再生能源占比、綠色建筑比重、人均 CO2排放量等幾個方面。此類宏觀指標(biāo)對于把握建筑節(jié)能整體趨勢和方向具有重要意義。但是，建筑能耗主要通過建筑能源系統(tǒng)的日常運行所產(chǎn)生，不同類型的建筑能源系統(tǒng)對于能源消耗有明顯的區(qū)別，因此通過對不同氣候區(qū)典型城市典型建筑采用常見能源系統(tǒng)時的能耗和經(jīng)濟指標(biāo)進行比較分析，彌補了宏觀指標(biāo)缺乏個體針對性的缺點，有助于企業(yè)、政府有針對性地對建筑能源系統(tǒng)設(shè)計進行引導(dǎo)，改進和提升建筑節(jié)能工作。

本文基于投入產(chǎn)出分析的方法，利用單位建筑面積指標(biāo)法，結(jié)合各類能源公允定價和建筑能源系統(tǒng)價格，將建筑能耗與經(jīng)濟指標(biāo)進行量化，對典型城市、典型建筑、典型能源系統(tǒng)能耗指標(biāo)和經(jīng)濟指標(biāo)進行對比分析。研究成果有助于政府部門、開發(fā)單位、設(shè)計單位、運行單位在相應(yīng)區(qū)域內(nèi)的建筑能源系統(tǒng)設(shè)計獲得一定的數(shù)據(jù)支撐，輔助建立符合氣候分區(qū)、當(dāng)?shù)卣叩尼槍π阅茉蠢梅桨浮?/p>

1 我國典型區(qū)域劃分及典型城市選取

我國幅員遼闊，地形復(fù)雜，因地理緯度、地勢等條件的不同，故各地氣候懸殊。因此，針對不同的氣候條件，各地建筑的節(jié)能設(shè)計對應(yīng)不同的做法。炎熱地區(qū)的建筑需要遮陽、隔熱和通風(fēng)，以防室內(nèi)過熱；寒冷地區(qū)的建筑則要防寒和保溫，讓更多陽光進入室內(nèi)。為了明確建筑和氣候兩者的科學(xué)關(guān)系，GB 50352—2005《民用建筑設(shè)計通則》將我國劃分為 7 個主氣候區(qū)，20 個子氣候區(qū)，并對各個子氣候區(qū)的建筑設(shè)計提出了不同的要求。

具體到建筑熱工設(shè)計，建筑圍護體系熱工性能應(yīng)與地區(qū)氣候相適應(yīng)。GB 50176—1993《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》將我國劃分為 5 個建筑熱工設(shè)計氣候區(qū)域，即嚴(yán)寒地區(qū)、寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)、夏熱冬暖地區(qū)和溫和地區(qū)。

考慮建筑能源利用，20 世紀(jì) 50年代，我國以北緯 33°附近的“秦嶺-隴海線”為界，人為劃分一條分界線。分界線北邊的城市，會由政府統(tǒng)一安裝集中供熱系統(tǒng)，而分界線南邊的城市，就采用家庭分戶采暖的方式，由每家每戶自行安裝采暖系統(tǒng)。

建筑能源系統(tǒng)類型和能耗涉及負(fù)荷強度、能源系統(tǒng)形式、供能期及可再生能源資源條件。考慮到北方采暖地區(qū)冬季均通過集中供暖的系統(tǒng)形式，城市間的差異主要是寒冷程度差異導(dǎo)致的用能量差異，以及不同城市太陽能資源的利用量，對建筑能源系統(tǒng)形式?jīng)]有本質(zhì)的影響。南方非采暖區(qū)域主要是長江流域、珠江流域和西南云貴地區(qū)冬夏季能源需求存在較大的差異，對能源系統(tǒng)形式具有較大的影響。如長江流域夏熱冬冷，需要兼顧冬季采暖和夏季供冷，珠江三角洲地區(qū)的廣州、深圳等以夏季供冷為主，冬季幾乎沒有采暖需求，云貴地區(qū)氣候溫和，冬夏季能量需求均較小。

此外，不同建筑類型的建筑能源系統(tǒng)形式和用能特性差異較大。本文重點針對量大面廣的住宅、辦公和商業(yè)建筑進行分析。

綜合氣候分區(qū)、可再生能源資源狀況，本研究典型城市和建筑類型的選取如表1 所示。對其住宅和綜合體建筑用能進行分析。其中，非居住的城市綜合體其各類建筑面積比例分別為商業(yè)占 30%、酒店占 30%、辦公占 40%。

表1 典型城市和建筑類型選取

2 典型建筑全年負(fù)荷特性

采用 Dest 能耗模擬軟件，按照 GB 50189—2015《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》的要求，結(jié)合中國建筑集團公司在各地的設(shè)計經(jīng)驗，設(shè)定建筑形體和建筑圍護結(jié)構(gòu)構(gòu)造方法。結(jié)合各地建筑使用調(diào)研數(shù)據(jù)，設(shè)定建筑使用狀況，包括使用時長、人員密度以及設(shè)備啟停管理時間表，得到 3 個城市住宅和綜合體建筑的能耗指標(biāo)。對負(fù)荷強度指標(biāo)、全年負(fù)荷分布特征進行比較分析。

2.1 負(fù)荷強度指標(biāo)

3 個城市典型建筑的設(shè)計負(fù)荷指標(biāo)如表2 所示。在能耗模擬時所設(shè)定的建筑信息的不同，導(dǎo)致冷熱負(fù)荷指標(biāo)存在一定的差異，但是經(jīng)過調(diào)研數(shù)據(jù)修正負(fù)荷模擬計算的輸入信息，負(fù)荷指標(biāo)處于合理區(qū)間范圍內(nèi)且具有一定的代表性。

表2 典型城市典型建筑設(shè)計負(fù)荷 W/m2

2.2 全年負(fù)荷分布

瞬時負(fù)荷指標(biāo)對于系統(tǒng)容量設(shè)計具有重要意義，是滿足建筑需求的保證。但是該值更多體現(xiàn)了負(fù)荷的上限，不能體現(xiàn)全年實際供冷供熱量。全年累積冷熱需求及負(fù)荷的時間分布對建筑能源系統(tǒng)投入產(chǎn)出指標(biāo)具有重要影響。

以上述設(shè)計負(fù)荷為準(zhǔn)，3 個典型城市冷熱負(fù)荷的負(fù)荷率變化分別如圖1、圖2 所示。建筑負(fù)荷率分布情況將北京、上海、廣州 3 個城市的氣候特征進行了量化呈現(xiàn)：廣州地區(qū)冷負(fù)荷較大，且高負(fù)荷率時長較長，負(fù)荷率下降曲線較為平緩；上海地區(qū)次之；北京地區(qū)冷負(fù)荷率下降較快，即全年冷負(fù)荷較大的時段相對較短。

圖1 3 個典型城市綜合體建筑冷負(fù)荷負(fù)荷率分布的比較

圖2 3 個典型城市綜合體建筑熱負(fù)荷負(fù)荷率分布的比較

3 典型建筑能源系統(tǒng)及其技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)比較

3.1 典型建筑冷熱源系統(tǒng)

基于對當(dāng)前冷熱源系統(tǒng)形式的調(diào)研，住宅建筑以分體式空調(diào)為主，除市政供熱外較少采用集中式空調(diào)冷熱源系統(tǒng)，在分析中僅就電驅(qū)動分體式冷暖空調(diào)的能耗和技術(shù)經(jīng)濟性進行計算 。綜合體建筑采用的冷熱源形式多樣，本文分析對比 3 種較為典型建筑冷熱源系統(tǒng)。① 變制冷劑流量的多聯(lián)機系統(tǒng)。② 水冷冷水機組 + 燃?xì)忮仩t系統(tǒng)。③ 水冷冷水機組 + 冷熱電三聯(lián)產(chǎn)分布式能源系統(tǒng)（CCHP） + 燃?xì)忮仩t耦合系統(tǒng)。為分析比較，假設(shè)北京地區(qū)項目未接入市政供熱，而是采用項目自建的冷熱源滿足建筑冷熱需求。

3.2 建筑能源系統(tǒng)運行計算

基于項目逐時負(fù)荷，結(jié)合當(dāng)?shù)厝細(xì)夂碗娏r格，利用伯克利開發(fā)的 DER-CAM軟件對系統(tǒng)全年逐時運行狀態(tài)進行模擬計算，得到全年運行結(jié)果。

為便于比較，將供冷、供熱通過冷熱定價的方式作為建筑能源系統(tǒng)產(chǎn)出的收益。經(jīng)過調(diào)研，設(shè)定的能源價格信息如表3 所示，各類建筑能源系統(tǒng)設(shè)備成本信息如表4 所示。

表3 典型城市能源價格

表4 典型建筑能源系統(tǒng)設(shè)備價格

上述 3 種典型建筑能源系統(tǒng)中，包含 CCHP 的建筑能源系統(tǒng)包括多種冷熱生產(chǎn)設(shè)備，在全年運行模擬中，其運行調(diào)控策略為優(yōu)先開啟該時刻供能成本最低的設(shè)備，不足時選用供能成本次低的設(shè)備，直至所有設(shè)備均開啟進行供能。

3.3 典型建筑能源系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)比較

基于 3 個典型城市典型建筑逐時負(fù)荷、各類能源價格、各類設(shè)備價格信息，經(jīng)過 DER-CAM 對建筑能源系統(tǒng)進行全年逐時運行模擬計算，得到各建筑能源系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)如圖4、圖5 所示。

圖4 綜合體建筑不同能源系統(tǒng)能耗和經(jīng)濟性比較

從圖3、圖4 可以看出，同樣的建筑能源系統(tǒng)應(yīng)用于不同城市的同類建筑中，其經(jīng)濟指標(biāo)具有較大的差異?？傮w上，年冷熱需求越大的城市，系統(tǒng)能耗越大，經(jīng)濟指標(biāo)越好。

圖3 3 個典型城市住宅建筑能源系統(tǒng)能耗和經(jīng)濟性比較

4 結(jié) 語

利用 Dest 建筑負(fù)荷模擬軟件，結(jié)合某建筑集團的設(shè)計工程實踐，對典型城市典型建筑全年逐時負(fù)荷進行模擬計算，得到了典型城市典型建筑全年逐時負(fù)荷的強度特征和負(fù)荷率分布特征。基于典型建筑的全年逐時負(fù)荷值，結(jié)合能源價格、各類建筑冷熱源設(shè)備價格和能效參數(shù)，通過設(shè)備全年逐時運行仿真計算，得到了典型城市典型建筑能源系統(tǒng)的年能耗指標(biāo)和經(jīng)濟指標(biāo)，得出如下結(jié)論。

（1）除了建筑冷熱負(fù)荷設(shè)計值之外，建筑全年逐時負(fù)荷的負(fù)荷率分布也具有重要的意義，負(fù)荷率分布可以更準(zhǔn)確地反映當(dāng)?shù)刈匀粴夂蛱卣鳌?/p>

（2）建筑能源系統(tǒng)的經(jīng)濟性指標(biāo)與能耗指標(biāo)在某些情況下是矛盾的，建筑能耗越高，正常情況下建筑能源系統(tǒng)供能量越大，設(shè)備投入產(chǎn)出的經(jīng)濟回報越好。

（3）建筑能源系統(tǒng)經(jīng)濟性受到眾多因素的影響，特別是能源價格的因素，不同城市不同建筑需要進行有針對的分析，不能基于既有項目經(jīng)驗簡單借鑒經(jīng)濟上最適用的系統(tǒng)形式。