廣州地區(qū)綠色辦公建筑能耗控制目標研究

蘇 斌，周 荃，張昌佳

（廣東省建筑科學研究院集團股份有限公司 廣州 510500）

0 引言

隨著社會的發(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)境污染問題日益嚴峻?！吨袊ㄖ芎难芯繄蟾妫?019年）》數(shù)據(jù)顯示，2017年全國建筑能耗（標準煤）約9.47 億t，占全國能源消費總量的21.11%［1］。綠色建筑被認為是解決建筑能源消耗的一個有效途徑，綠色建筑評價體系則是綠色建筑發(fā)展的重要依據(jù)［2-3］。

近些年，我國綠色建筑發(fā)展迅速。截止2017 年，全國獲得綠色建筑標識的項目面積超過10 億m2。但同時存在一些問題，例如獲得運行標識的項目占比很低，僅占6%左右［4-5］；老百姓對綠色建筑的獲得感不高等等。因此，綠色建筑的實際運行效果是行業(yè)和普通老百姓共同關(guān)注的重要問題，綠色建筑評價應該以實際效果評價為主。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)注的問題，因此很有必要研究并提出綠色建筑的能耗控制目標，并用于比較綠色建筑的能耗水平，評價其節(jié)能效果。

1 研究方法與對象

1.1 研究方法

為確定綠色建筑的能耗控制目標，采取數(shù)值模擬的方法，選定典型的綠色建筑項目，依據(jù)該項目的實際建筑信息建立進行能耗模擬的建筑模型，將通過能耗模擬計算獲得的模擬能耗，與該項目的實際運行能耗進行比對，并以實際運行能耗數(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《綠色建筑評價標準：GB/T 50378—2019》中不同星級綠色建筑對建筑設(shè)計參數(shù)和運行管理模式的節(jié)能技術(shù)要求作為數(shù)值模型的邊界條件，進行數(shù)值模擬分析與計算，從而獲得不同星級綠色建筑對應的模擬能耗值，并將該模擬能耗值與同類建筑的能耗大數(shù)據(jù)進行正態(tài)分析，獲得該模擬能耗值在同類建筑能耗中所處的水平，作為綠色建筑的能耗控制目標。

1.2 研究對象

辦公建筑作為綠色建筑最主要的建筑類型，針對其制定能耗控制目標對建筑節(jié)能工作的意義最大。為使能耗控制目標更為準確，將辦公建筑細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種類型，并分別制定適用的能耗控制目標。

選取的2 棟辦公樓均為三星級綠色建筑，且投入使用時間在3年以上，已達穩(wěn)定運行階段。

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

⑵ 廣州某檢測實驗大樓：該項目總建筑面積17 366.4 m2，建筑地下3層，地上12層。該項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；空調(diào)系統(tǒng)常規(guī)高效離心式冷水機組，熱源選用風冷螺桿式熱泵機組。空調(diào)末端全空氣送風系統(tǒng)或風機盤管加新風系統(tǒng)。

2 模型校準

2.1 模型校準方法

借鑒張沁宜等人［6］的模型校準方法，針對上述目標建筑，利用Design Builder 軟件（使用Energy Plus 內(nèi)核）進行模擬。根據(jù)項目竣工驗收圖紙和說明文件以及相關(guān)國家標準，建立目標建筑的設(shè)計模型，得到設(shè)計階段預測運行能耗。后續(xù)的能耗校準主要從照明和設(shè)備、空調(diào)2個部分進行，首先根據(jù)照明和設(shè)備的逐月監(jiān)測能耗數(shù)據(jù)，對設(shè)計模型中的照明和設(shè)備能耗部分進行校準；之后再對空調(diào)能耗進行校準，從室內(nèi)人員設(shè)備、室內(nèi)溫度、空調(diào)系統(tǒng)COP、新風量和滲漏量等多方面進行；最后在模型校準完成后，對比實際模型得到的模擬能耗和實際監(jiān)測能耗，通過平均偏差誤差（MBE）判斷校準模型的準確性。

判斷校準結(jié)果準確性的2個統(tǒng)計指標計算式如下［7］：

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

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

若模型偏差在標準范圍內(nèi)，則可認為建筑模型能基本反映其實際運行情況，模型校準成功。

2.2 照明和設(shè)備能耗校準

根據(jù)項目竣工圖紙和說明文件中的照明能耗密度設(shè)計值設(shè)定設(shè)計模型中照明的相關(guān)參數(shù)，根據(jù)《民用建筑綠色性能計算標準：JGJ/T 449—2018》附錄C設(shè)定設(shè)計模型中設(shè)備的相關(guān)參數(shù)和作息時間，并對建筑照明和設(shè)備能耗進行模擬，與能耗逐月監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比校驗。最后依據(jù)實際調(diào)研情況，重新設(shè)置室內(nèi)照明功率密度和設(shè)備作息時間，實現(xiàn)照明和設(shè)備模擬能耗的校準。超高層辦公建筑模型照明和設(shè)備能耗校準檢驗結(jié)果如圖1 所示，模型校準前逐月校準指標MBE為6.50%，模型校準后的MBE為-0.07%。

圖1 超高層辦公建筑模型照明和設(shè)備能耗校準檢驗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

空調(diào)系統(tǒng)的能耗校準涉及建筑實際室內(nèi)人員密度、空調(diào)系統(tǒng)作息、室溫、新風量、建筑氣密性等多項參數(shù)，需要結(jié)合實地調(diào)研測試結(jié)果，實現(xiàn)模型設(shè)置與實際運行的一致。超高層辦公建筑模型空調(diào)系統(tǒng)能耗校準檢驗結(jié)果如圖2 所示，模型校準前逐月校準指標MBE為-3.56%，模型校準后MBE為-0.97%。

圖2 超高層辦公建筑模型空調(diào)系統(tǒng)能耗校準檢驗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行校準，校準結(jié)果如圖3、圖4 所示。普通辦公建筑照明和設(shè)備模擬能耗校準前逐月校準指標MBE 為36.23%，模型校準后MBE 為-0.27%；空調(diào)系統(tǒng)模擬能耗校準前逐月校準指標MBE 為-25.37%，模型校準后MBE 為0.12%。

圖3 普通辦公建筑模型照明和設(shè)備能耗校準檢驗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)能耗校準檢驗Fig.4 Calibration Inspection of Air Conditioning System Energy Consumption for Ordinary Office Building Models

由表1可知，校準后的模型空調(diào)系統(tǒng)能耗MBE小于1%，滿足ASHRAE標準中MBE在±5%以內(nèi)的要求，因此認為校準后的模型可靠。通過上述模型校準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)校驗分析

通過模型校準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)不同星級綠色建筑對建筑設(shè)計參數(shù)和運行管理模式的節(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際值確定。而節(jié)能情景的設(shè)計則是在《公共建筑節(jié)能設(shè)計標準：GB 50189—2015》和《廣東省公共建筑節(jié)能設(shè)計標準：DBJ 15-51—2020》的基礎(chǔ)上進行逐步提高。

本文共設(shè)置4 種節(jié)能情景進行能耗模擬，其中節(jié)能情景1 為滿足《公共建筑節(jié)能設(shè)計標準：GB 50189—2015》和《廣東省公共建筑節(jié)能設(shè)計標準：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)，如遮陽技術(shù)等。而節(jié)能情景2～4 分別對應《綠色建筑評價標準：GB/T 50378—2019》中一星級～三星級綠色建筑的節(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)在如下幾個方面：①降低外圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)和遮陽系數(shù)；②提升空調(diào)系統(tǒng)主機性能系數(shù)、水泵與風機效率；③降低照明功率密度；④水泵、風機、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準范圍內(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和三星級的定位；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)的實際情況，說明本文節(jié)能情景的設(shè)置與綠色建筑的不同星級之間的對應關(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 辦公建筑實際能耗數(shù)據(jù)

根據(jù)廣州市建筑能耗統(tǒng)計數(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)，運用統(tǒng)計學理論，對這些能耗數(shù)據(jù)進行正態(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)校驗分析

將3.1 節(jié)中得到的4 個節(jié)能情景下的典型建筑模型能耗模擬值，與3.2 節(jié)中獲得的同類建筑實際能耗水平進行對比分析，并將其繪制成圖5，可以獲得4 個節(jié)能情景下對應的建筑能耗值在同類建筑中所處的節(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，與實際統(tǒng)計數(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，在同類建筑的實際能耗大數(shù)據(jù)中處于越來越高的節(jié)能水平。

若將實際能耗的正態(tài)分布曲線對應的概率分布進行量化，則可以獲得節(jié)能情景對應的能耗模擬值在實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，對應的能耗水平優(yōu)于約65%的同類建筑；節(jié)能情景3的能耗模擬值分別為96.45 kWh/m2、79.46 kWh/m2，對應的能耗水平優(yōu)于約75%的同類建筑，節(jié)能情景4 的能耗模擬值分別為91.90 kWh/m2、74.79 kWh/m2，對應的能耗水平優(yōu)于約80%的同類建筑。

4 結(jié)論

通過對廣州市辦公建筑運用數(shù)值模擬的方法，根據(jù)不同星級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，對校正后的典型模型進行能耗模擬，并與辦公建筑實際能耗統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行對比校驗分析，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，如表3 所示。本文研究制定的能耗控制目標體現(xiàn)了不同星級綠色建筑對節(jié)能性能的不同要求，也體現(xiàn)了綠色建筑在節(jié)能性能上的先進性。

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