廣州地區(qū)綠色辦公建筑能耗控制目標(biāo)研究

蘇 斌，周 荃，張昌佳

（廣東省建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司 廣州 510500）

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，建筑能耗也大幅增加，能源緊缺和環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴(yán)峻。《中國(guó)建筑能耗研究報(bào)告（2019年）》數(shù)據(jù)顯示，2017年全國(guó)建筑能耗（標(biāo)準(zhǔn)煤）約9.47 億t，占全國(guó)能源消費(fèi)總量的21.11%［1］。綠色建筑被認(rèn)為是解決建筑能源消耗的一個(gè)有效途徑，綠色建筑評(píng)價(jià)體系則是綠色建筑發(fā)展的重要依據(jù)［2-3］。

近些年，我國(guó)綠色建筑發(fā)展迅速。截止2017 年，全國(guó)獲得綠色建筑標(biāo)識(shí)的項(xiàng)目面積超過(guò)10 億m2。但同時(shí)存在一些問(wèn)題，例如獲得運(yùn)行標(biāo)識(shí)的項(xiàng)目占比很低，僅占6%左右［4-5］；老百姓對(duì)綠色建筑的獲得感不高等等。因此，綠色建筑的實(shí)際運(yùn)行效果是行業(yè)和普通老百姓共同關(guān)注的重要問(wèn)題，綠色建筑評(píng)價(jià)應(yīng)該以實(shí)際效果評(píng)價(jià)為主。建筑節(jié)能是綠色建筑最重要的方面之一，綠色建筑是否節(jié)能也是備受關(guān)注的問(wèn)題，因此很有必要研究并提出綠色建筑的能耗控制目標(biāo)，并用于比較綠色建筑的能耗水平，評(píng)價(jià)其節(jié)能效果。

1 研究方法與對(duì)象

1.1 研究方法

為確定綠色建筑的能耗控制目標(biāo)，采取數(shù)值模擬的方法，選定典型的綠色建筑項(xiàng)目，依據(jù)該項(xiàng)目的實(shí)際建筑信息建立進(jìn)行能耗模擬的建筑模型，將通過(guò)能耗模擬計(jì)算獲得的模擬能耗，與該項(xiàng)目的實(shí)際運(yùn)行能耗進(jìn)行比對(duì)，并以實(shí)際運(yùn)行能耗數(shù)值為依據(jù)反向校正能耗模擬中的建筑模型，使模擬能耗與實(shí)際能耗基本一致，完成數(shù)值模型的校正。然后將《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 50378—2019》中不同星級(jí)綠色建筑對(duì)建筑設(shè)計(jì)參數(shù)和運(yùn)行管理模式的節(jié)能技術(shù)要求作為數(shù)值模型的邊界條件，進(jìn)行數(shù)值模擬分析與計(jì)算，從而獲得不同星級(jí)綠色建筑對(duì)應(yīng)的模擬能耗值，并將該模擬能耗值與同類(lèi)建筑的能耗大數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)分析，獲得該模擬能耗值在同類(lèi)建筑能耗中所處的水平，作為綠色建筑的能耗控制目標(biāo)。

1.2 研究對(duì)象

辦公建筑作為綠色建筑最主要的建筑類(lèi)型，針對(duì)其制定能耗控制目標(biāo)對(duì)建筑節(jié)能工作的意義最大。為使能耗控制目標(biāo)更為準(zhǔn)確，將辦公建筑細(xì)分為超高層辦公建筑（建筑高度大于100 m）與普通辦公建筑2種類(lèi)型，并分別制定適用的能耗控制目標(biāo)。

選取的2 棟辦公樓均為三星級(jí)綠色建筑，且投入使用時(shí)間在3年以上，已達(dá)穩(wěn)定運(yùn)行階段。

⑴廣州某超高層商業(yè)辦公樓：該項(xiàng)目總建筑面積為80 149.32 m2，地下3 層，地上37 層。該項(xiàng)目外墻填充墻采用加氣混凝土砌塊，建筑屋頂采用頁(yè)巖陶?；炷粒ＡР捎肔ow-E 中空玻璃并搭配可調(diào)節(jié)遮陽(yáng)；空調(diào)系統(tǒng)冷源選用常規(guī)高效水冷螺桿式冷水機(jī)組，熱源選用風(fēng)冷螺桿式熱泵機(jī)組?？照{(diào)末端全空氣送風(fēng)系統(tǒng)或風(fēng)機(jī)盤(pán)管加新風(fēng)系統(tǒng)。

⑵ 廣州某檢測(cè)實(shí)驗(yàn)大樓：該項(xiàng)目總建筑面積17 366.4 m2，建筑地下3層，地上12層。該項(xiàng)目外墻采用自保溫加氣混凝土材料，屋頂采用輕質(zhì)絕熱陶瓷保溫板，并覆蓋一定比例的種植屋面；玻璃采用鋁合金雙銀Low-E 中空玻璃并搭配可調(diào)節(jié)遮陽(yáng)；空調(diào)系統(tǒng)常規(guī)高效離心式冷水機(jī)組，熱源選用風(fēng)冷螺桿式熱泵機(jī)組。空調(diào)末端全空氣送風(fēng)系統(tǒng)或風(fēng)機(jī)盤(pán)管加新風(fēng)系統(tǒng)。

2 模型校準(zhǔn)

2.1 模型校準(zhǔn)方法

借鑒張沁宜等人［6］的模型校準(zhǔn)方法，針對(duì)上述目標(biāo)建筑，利用Design Builder 軟件（使用Energy Plus 內(nèi)核）進(jìn)行模擬。根據(jù)項(xiàng)目竣工驗(yàn)收?qǐng)D紙和說(shuō)明文件以及相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，建立目標(biāo)建筑的設(shè)計(jì)模型，得到設(shè)計(jì)階段預(yù)測(cè)運(yùn)行能耗。后續(xù)的能耗校準(zhǔn)主要從照明和設(shè)備、空調(diào)2個(gè)部分進(jìn)行，首先根據(jù)照明和設(shè)備的逐月監(jiān)測(cè)能耗數(shù)據(jù)，對(duì)設(shè)計(jì)模型中的照明和設(shè)備能耗部分進(jìn)行校準(zhǔn)；之后再對(duì)空調(diào)能耗進(jìn)行校準(zhǔn)，從室內(nèi)人員設(shè)備、室內(nèi)溫度、空調(diào)系統(tǒng)COP、新風(fēng)量和滲漏量等多方面進(jìn)行；最后在模型校準(zhǔn)完成后，對(duì)比實(shí)際模型得到的模擬能耗和實(shí)際監(jiān)測(cè)能耗，通過(guò)平均偏差誤差（MBE）判斷校準(zhǔn)模型的準(zhǔn)確性。

判斷校準(zhǔn)結(jié)果準(zhǔn)確性的2個(gè)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)計(jì)算式如下［7］：

式中：S為模擬值；M為測(cè)量值；下標(biāo)in 代表采集到建筑能耗計(jì)量數(shù)據(jù)的最小時(shí)間間隔單元。例如針對(duì)建筑全年逐月的能耗進(jìn)行模擬校準(zhǔn)的準(zhǔn)確度衡量，（S-M）in中的S和M分別為逐月能耗的模擬值和實(shí)際測(cè)量值。

ASHRAE［8］、IPMVP［9］和DOE［10］對(duì)于上述統(tǒng)計(jì)指標(biāo)提出了不同的限定，MBE分別為±5%，±20%，±5%。

若模型偏差在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，則可認(rèn)為建筑模型能基本反映其實(shí)際運(yùn)行情況，模型校準(zhǔn)成功。

2.2 照明和設(shè)備能耗校準(zhǔn)

根據(jù)項(xiàng)目竣工圖紙和說(shuō)明文件中的照明能耗密度設(shè)計(jì)值設(shè)定設(shè)計(jì)模型中照明的相關(guān)參數(shù)，根據(jù)《民用建筑綠色性能計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)：JGJ/T 449—2018》附錄C設(shè)定設(shè)計(jì)模型中設(shè)備的相關(guān)參數(shù)和作息時(shí)間，并對(duì)建筑照明和設(shè)備能耗進(jìn)行模擬，與能耗逐月監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比校驗(yàn)。最后依據(jù)實(shí)際調(diào)研情況，重新設(shè)置室內(nèi)照明功率密度和設(shè)備作息時(shí)間，實(shí)現(xiàn)照明和設(shè)備模擬能耗的校準(zhǔn)。超高層辦公建筑模型照明和設(shè)備能耗校準(zhǔn)檢驗(yàn)結(jié)果如圖1 所示，模型校準(zhǔn)前逐月校準(zhǔn)指標(biāo)MBE為6.50%，模型校準(zhǔn)后的MBE為-0.07%。

圖1 超高層辦公建筑模型照明和設(shè)備能耗校準(zhǔn)檢驗(yàn)Fig.1 Calibration Inspection of Lighting and Equipment En?ergy Consumption for Super High-rise Office Building Models

2.3 空調(diào)系統(tǒng)能耗校準(zhǔn)

空調(diào)系統(tǒng)的能耗校準(zhǔn)涉及建筑實(shí)際室內(nèi)人員密度、空調(diào)系統(tǒng)作息、室溫、新風(fēng)量、建筑氣密性等多項(xiàng)參數(shù)，需要結(jié)合實(shí)地調(diào)研測(cè)試結(jié)果，實(shí)現(xiàn)模型設(shè)置與實(shí)際運(yùn)行的一致。超高層辦公建筑模型空調(diào)系統(tǒng)能耗校準(zhǔn)檢驗(yàn)結(jié)果如圖2 所示，模型校準(zhǔn)前逐月校準(zhǔn)指標(biāo)MBE為-3.56%，模型校準(zhǔn)后MBE為-0.97%。

圖2 超高層辦公建筑模型空調(diào)系統(tǒng)能耗校準(zhǔn)檢驗(yàn)Fig.2 Calibration Inspection of Air Conditioning System Energy Consumption for Super High-rise Office Building Models

普通辦公建筑的模型采用相同的方法進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)結(jié)果如圖3、圖4 所示。普通辦公建筑照明和設(shè)備模擬能耗校準(zhǔn)前逐月校準(zhǔn)指標(biāo)MBE 為36.23%，模型校準(zhǔn)后MBE 為-0.27%；空調(diào)系統(tǒng)模擬能耗校準(zhǔn)前逐月校準(zhǔn)指標(biāo)MBE 為-25.37%，模型校準(zhǔn)后MBE 為0.12%。

圖3 普通辦公建筑模型照明和設(shè)備能耗校準(zhǔn)檢驗(yàn)Fig.3 Calibration Inspection of Lighting and Equipment Energy Consumption for Ordinary Office Building Models

圖4 普通辦公建筑模型空調(diào)系統(tǒng)能耗校準(zhǔn)檢驗(yàn)Fig.4 Calibration Inspection of Air Conditioning System Energy Consumption for Ordinary Office Building Models

由表1可知，校準(zhǔn)后的模型空調(diào)系統(tǒng)能耗MBE小于1%，滿足ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)中MBE在±5%以內(nèi)的要求，因此認(rèn)為校準(zhǔn)后的模型可靠。通過(guò)上述模型校準(zhǔn)分別獲得了超高層辦公建筑和普通辦公建筑的典型數(shù)值模型，用于后續(xù)能耗控制目標(biāo)的制定。

表1 辦公建筑典型模型的主要輸入?yún)?shù)Tab.1 Main Input Parameters of the Typical Model for Super High-rise Office Building

3 辦公建筑典型模型能耗模擬和數(shù)據(jù)校驗(yàn)分析

通過(guò)模型校準(zhǔn)得到超高層辦公建筑和普通辦公建筑的典型數(shù)值模型，根據(jù)不同星級(jí)綠色建筑對(duì)建筑設(shè)計(jì)參數(shù)和運(yùn)行管理模式的節(jié)能技術(shù)要求，作為能耗模擬的邊界條件輸入數(shù)值模型中，采用數(shù)值模擬的方法得到不同要求、不同情景下典型綠色建筑模型的能耗模擬值。

3.1 辦公建筑典型模型模擬參數(shù)及模擬結(jié)果

3.1.1 辦公建筑典型模型模擬參數(shù)

典型模型的主要輸入?yún)?shù)是依據(jù)調(diào)研的典型綠色辦公建筑的實(shí)際值確定。而節(jié)能情景的設(shè)計(jì)則是在《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：GB 50189—2015》和《廣東省公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：DBJ 15-51—2020》的基礎(chǔ)上進(jìn)行逐步提高。

本文共設(shè)置4 種節(jié)能情景進(jìn)行能耗模擬，其中節(jié)能情景1 為滿足《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：GB 50189—2015》和《廣東省公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：DBJ 15-51—2020》要求的基礎(chǔ)情景，是新建建筑節(jié)能性能的基本要求，其中包括了廣州地區(qū)的主要節(jié)能技術(shù)，如遮陽(yáng)技術(shù)等。而節(jié)能情景2～4 分別對(duì)應(yīng)《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 50378—2019》中一星級(jí)～三星級(jí)綠色建筑的節(jié)能要求，模型模擬參數(shù)的節(jié)能要求逐步提高，主要變化體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：①降低外圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)和遮陽(yáng)系數(shù)；②提升空調(diào)系統(tǒng)主機(jī)性能系數(shù)、水泵與風(fēng)機(jī)效率；③降低照明功率密度；④水泵、風(fēng)機(jī)、電梯變頻節(jié)能技術(shù)的采用。其中，節(jié)能情景4的模型輸入?yún)?shù)為目前節(jié)能技術(shù)領(lǐng)先水平。能耗模擬中不同節(jié)能情景下超高層辦公建筑和普通辦公建筑典型模型的主要輸入?yún)?shù)如表1所示。

3.1.2 辦公建筑典型模型能耗模擬結(jié)果

超高層辦公建筑和普通辦公建筑典型模型能耗模擬結(jié)果如表2 所示。由表2 可知，各種節(jié)能情景模擬能耗均在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)［11］；從節(jié)能情景1 到節(jié)能情景4，建筑總能耗及分項(xiàng)能耗逐步降低，節(jié)能率顯著提高。尤其是節(jié)能情景3和節(jié)能情景4的節(jié)能率提升幅度明顯增大，這符合綠色建筑二星級(jí)和三星級(jí)的定位；不同節(jié)能情景的節(jié)能量產(chǎn)出在空調(diào)系統(tǒng)中較為明顯，說(shuō)明依靠空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)能夠產(chǎn)生更大的節(jié)能效益，這符合廣州地區(qū)的實(shí)際情況，說(shuō)明本文節(jié)能情景的設(shè)置與綠色建筑的不同星級(jí)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系合理。

表2 超高層辦公建筑典型模型的模擬結(jié)果Tab.2 Simulation Results of the Typical Model for Super High-rise Office Building

3.2 辦公建筑實(shí)際能耗數(shù)據(jù)

根據(jù)廣州市建筑能耗統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，篩選其中的超高層辦公建筑和普通辦公建筑樣本，分別獲得58棟超高層辦公建筑、221棟普通辦公建筑能耗數(shù)據(jù)，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)理論，對(duì)這些能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)分析，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，廣州市的超高層辦公建筑、普通辦公建筑能耗統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)近似于均值分別為122 kWh/m2、108 kWh/m2的正態(tài)分布。

圖5 廣州辦公建筑能耗水平分析Fig.5 Analysis of Energy Consumption Level for Office Buildings in Guangzhou

3.3 辦公建筑典型模型數(shù)據(jù)校驗(yàn)分析

將3.1 節(jié)中得到的4 個(gè)節(jié)能情景下的典型建筑模型能耗模擬值，與3.2 節(jié)中獲得的同類(lèi)建筑實(shí)際能耗水平進(jìn)行對(duì)比分析，并將其繪制成圖5，可以獲得4 個(gè)節(jié)能情景下對(duì)應(yīng)的建筑能耗值在同類(lèi)建筑中所處的節(jié)能水平。

由圖5 可知，節(jié)能情景1 的模擬能耗值分別為119.00 kWh/m2、103.56 kWh/m2，與實(shí)際統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)能耗平均值接近。隨著節(jié)能技術(shù)水平的不斷提高，節(jié)能情景2～4 的模擬能耗值逐漸降低，在同類(lèi)建筑的實(shí)際能耗大數(shù)據(jù)中處于越來(lái)越高的節(jié)能水平。

若將實(shí)際能耗的正態(tài)分布曲線對(duì)應(yīng)的概率分布進(jìn)行量化，則可以獲得節(jié)能情景對(duì)應(yīng)的能耗模擬值在實(shí)際能耗中所處的位置。由圖5 可知，節(jié)能情景2 的能耗模擬值分別為107.38 kWh/m2、93.74 kWh/m2，對(duì)應(yīng)的能耗水平優(yōu)于約65%的同類(lèi)建筑；節(jié)能情景3的能耗模擬值分別為96.45 kWh/m2、79.46 kWh/m2，對(duì)應(yīng)的能耗水平優(yōu)于約75%的同類(lèi)建筑，節(jié)能情景4 的能耗模擬值分別為91.90 kWh/m2、74.79 kWh/m2，對(duì)應(yīng)的能耗水平優(yōu)于約80%的同類(lèi)建筑。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)廣州市辦公建筑運(yùn)用數(shù)值模擬的方法，根據(jù)不同星級(jí)的綠色建筑具體的節(jié)能技術(shù)要求設(shè)定不同的節(jié)能情景，對(duì)校正后的典型模型進(jìn)行能耗模擬，并與辦公建筑實(shí)際能耗統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比校驗(yàn)分析，獲得了綠色超高層辦公建筑和普通辦公建筑的能耗控制目標(biāo)，如表3 所示。本文研究制定的能耗控制目標(biāo)體現(xiàn)了不同星級(jí)綠色建筑對(duì)節(jié)能性能的不同要求，也體現(xiàn)了綠色建筑在節(jié)能性能上的先進(jìn)性。

表3 綠色建筑能耗控制目標(biāo)Tab.3 Control Targets of Energy Consumption for Green Building