夏熱冬冷地區(qū)辦公建筑能耗指標(biāo)特征研究

敬麗君 王 軍

（四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院 成都 610065）

0 前言

目前，我國建筑能耗占全社會總能耗的27.4%，其中公共建筑總面積僅占建筑面積的5%～6%，但其單位面積年耗電量達到70～300kWh，是普通居民住宅的10～20 倍[1]，因此公共建筑具有巨大的節(jié)能潛力，而對公共建筑能耗影響因素的研究是實現(xiàn)公共建筑節(jié)能的基礎(chǔ)工作。

近年來，諸多學(xué)者開展了對公共建筑能耗影響因素的研究，管玲俐[2]和賀杰[3]采用DeST 軟件模擬以全年累計熱負荷指標(biāo)與累計冷負荷指標(biāo)為能耗指標(biāo)，對影響辦公建筑能耗的因素進行了逐一的分析研究。但軟件模擬所得到的建筑能耗并沒有考慮到行為因素的影響，因此并不能全面的分析建筑能耗的影響因素。劉菁[4]基于建筑的實際能耗信息，從外部氣象條件、建筑自身情況和建筑使用情況三個方面分析了辦公建筑能耗。那威[5]從建筑形態(tài)、建筑圍護結(jié)構(gòu)熱工性能、建筑用能設(shè)備、建筑外形尺寸、氣象參數(shù)、建筑人員使用六個主成分分析了公共建筑能耗。但以上的研究建筑是全國范圍內(nèi)的公共建筑，我國幅員遼闊，公共建筑能耗指標(biāo)存在顯著的地域差異，從而導(dǎo)致對公共建筑能耗指標(biāo)現(xiàn)狀和規(guī)律在認識上的不全面，使得公共建筑節(jié)能改造和管理不能精準的開展。談雪[6]從建筑類型、季節(jié)、用能行為角度對夏熱冬冷地區(qū)文化教育類建筑能耗影響因素進行了分析，夏麟[7]從空調(diào)和供暖實際運行能耗和室內(nèi)熱舒適度兩方面評估研究了上海某辦公建筑能耗，馮聞[8]重點總結(jié)了辦公建筑照明與插座和空調(diào)系統(tǒng)的用能特點和能耗影響因素?？梢钥吹?，已有的關(guān)于夏熱冬冷地區(qū)公共建筑能耗研究僅聚焦于某一個城市，但其實即使是同一氣候區(qū)不同城市能耗也存在明顯的差異，導(dǎo)致特征影響因素考慮并不全面。

為此，本文將通過對上海、長沙、成都的多棟辦公建筑能耗數(shù)據(jù)進行詳細的調(diào)研與統(tǒng)計，并基于指標(biāo)體系以及夏熱冬冷地區(qū)氣候特點對辦公類建筑年度能耗情況、逐月能耗情況、能耗拆分情況進行分析，由此獲得季節(jié)因素、人為因素對辦公類建筑能耗指標(biāo)特征的影響。并在此基礎(chǔ)上，從建筑能耗管理、能耗設(shè)備、人員行為三個方面提出辦公建筑的節(jié)能策略建議。

1 研究對象

1.1 研究區(qū)域概況

夏熱冬冷地區(qū)主要是指長江中下游及其周圍地區(qū)，該地區(qū)的范圍大致為隴海線以南，南嶺以北，四川盆地以東。上海、長沙、成都是中國夏熱冬冷地區(qū)的典型城市。夏熱冬冷氣候具有夏季悶熱、冬季濕冷，氣溫日較差??；年降水量大；日照偏少等特點[9]。

1.2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

公共建筑能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計的主要內(nèi)容包括公共建筑的基本信息以及建筑在使用過程中的能源消耗量。本文首先綜合行政主管部門、物業(yè)管理部門、檔案管理部門等多方面的資料對長沙、成都、上海地區(qū)辦公類建筑的基本信息進行了調(diào)查，包括建筑物詳細名稱、建筑詳細地址、竣工時間、建筑類型、建筑功能、建筑層數(shù)、建筑面積、能源系統(tǒng)形式。然后與上海相關(guān)建筑物業(yè)管理部門溝通，獲取了整棟建筑逐月、逐時電耗、抄總表獲得整棟樣本建筑的能耗數(shù)據(jù)，篩選夏熱冬冷地區(qū)范圍內(nèi)部分地市上報至住建部民用建筑能耗統(tǒng)計報表中辦公類公共建筑能耗數(shù)據(jù)，從已發(fā)表的報告與文獻中獲取了成都、長沙的辦公類建筑的能耗數(shù)據(jù)。

2 典型因素影響下的能耗指標(biāo)特征

2.1 能耗分析

辦公建筑能耗種類主要有電、天然氣、柴油等，具體的用能設(shè)施有空調(diào)、照明、設(shè)備、電梯和特殊系統(tǒng)用能。本文調(diào)研的上海、長沙、成都多棟辦公建筑能耗如表1所示，建筑面積耗電量范圍為50.09-107.74kWh/(m ·a)，建筑單位面積年耗電量為75.57kWh/(m ·a)。最大建筑單位面積年平均耗電量是最小耗電量的2.2 倍。《民用建筑能耗標(biāo)準》GB/T51161-2016 規(guī)定，辦公室非供暖能耗指標(biāo)約束值為80kWh/(m ·a)，本次調(diào)研中有7 棟樣本建筑能耗高于規(guī)定值，8 棟樣本建筑低于規(guī)定值，說明該類建筑節(jié)能潛力有待進一步挖掘。

表1 辦公建筑能耗調(diào)研結(jié)果Table 1 Survey results of energy consumption of office buildings

辦公建筑用電主要是由空調(diào)、照明、辦公、動力設(shè)備用電和特殊系統(tǒng)用電構(gòu)成，為進一步分析辦公建筑能耗構(gòu)成，進一步調(diào)研了其中10 棟辦公建筑的分項電耗，將電耗拆分為空調(diào)系統(tǒng)、照明插座、綜合服務(wù)系統(tǒng)三類，如圖1所示。從圖可見，空調(diào)與照明插座電耗在辦公建筑中占總能耗的83%～97%，其中照明插座電耗比重26%～60%，空調(diào)系統(tǒng)電耗比重25%～58%，綜合服務(wù)系統(tǒng)電耗比重僅4%～17%。辦公類建筑除了照明要求之外，辦公設(shè)備插座用電也較多，因此照明插座電耗比重較大，而其中位于長沙的CSBGL 空調(diào)系統(tǒng)電耗占比高于照明插座占比，這與長沙當(dāng)?shù)氐臍夂蛱攸c有關(guān)，長沙夏季平均最高溫可達到32℃，上海夏季平均最高溫為31℃，成都夏季平均最高溫為30℃。相比其他夏熱冬冷地區(qū)，長沙夏季更熱，因此空調(diào)電耗占比更高。

圖1 夏熱冬冷地區(qū)辦公建筑分項電耗Fig.1 Power consumption of office buildings in hot summer and cold winter

2.2 季節(jié)因素

夏熱冬冷地區(qū)夏季悶熱、冬季濕冷，有明顯的空調(diào)季與供暖季，本次調(diào)研的15 棟辦公建筑全年單位建筑面積空調(diào)系統(tǒng)電耗范圍為10.84～51.98kWh/(m ·a)，其平均值為25.77kWh/(m ·a)，最大建筑單位面積空調(diào)系統(tǒng)耗電量是最小耗電量的4.8 倍。為進一步分析辦公建筑空調(diào)系統(tǒng)能耗是否受季節(jié)因素影響，調(diào)研了其中10 棟辦公建筑的逐月空調(diào)電耗，整理如圖2所示。夏熱冬冷地區(qū)空調(diào)季劃分[10]見表2。由圖可見空調(diào)電耗具有明顯的季節(jié)性特征，用電高峰期出現(xiàn)在1、2、7、8、12月份，即供暖季與空調(diào)季期間，空調(diào)采暖與制冷負荷需求增大，導(dǎo)致用電量增加。

圖2 夏熱冬冷地區(qū)辦公建筑空調(diào)系統(tǒng)逐月電耗Fig.2 Monthly power consumption of office building air conditioning system in hot summer and cold winter

表2 夏熱冬冷地區(qū)空調(diào)季劃分Table 2 Seasonal division of air conditioning in hot summer and cold winter areas

選取三棟各個城市典型城市的單位建筑面積空調(diào)電耗如圖3所示，進一步分析空調(diào)電耗在夏熱冬冷地區(qū)不同城市的空調(diào)電耗是否有差別。由圖可見，三座城市在通風(fēng)過渡季節(jié)空調(diào)電耗都有明顯的減少。進一步計算出不同季節(jié)三棟建筑該分項用電量平均值，供暖季三棟建筑單位建筑面積空調(diào)電耗分別為3.22kWh/m，4.41kWh/m，1.57kWh/m，過渡季該分項建筑單位建筑面積電耗分別為1.15kWh/m，1.41kWh/m，1.03kWh/m，空調(diào)季該分項建筑單位建筑面積電耗分別為4.53kWh/m，9.2kWh/m，5.07kWh/m，由此可見夏熱冬冷地區(qū)辦公建筑空調(diào)供冷季系統(tǒng)電耗高于供暖季該分項電耗。其中長沙地區(qū)空調(diào)季電耗相較其余兩個地區(qū)更高，這是因為長沙的氣候條件相較于另兩個地區(qū)，夏季更炎熱一點，因此空調(diào)季的單位建筑面積電耗更高，而成都的冬季相較于另兩個地區(qū)更暖和一點，因此供暖季成都的單位建筑面積電耗較低。

圖3 不同城市辦公建筑空調(diào)系統(tǒng)逐月電耗Fig.3 Monthly power consumption of office building air-conditioning system in different cities

相比空調(diào)電耗明顯的季節(jié)性特征，同樣三棟建筑的照明與插座設(shè)備用電量如圖4所示，進一步計算出不同季節(jié)三棟建筑該分項用電量平均值，供暖季三棟建筑單位建筑面積照明插座電耗分別為4.50kWh/m，3.54kWh/m，1.76kWh/m，過渡季該分項建筑單位建筑面積電耗分別為4.08kWh/m，3.18kWh/m，1.57kWh/m，空調(diào)季該分項建筑單位建筑面積電耗分別為5.02kWh/m，3.55kWh/m，1.57kWh/m，排除2月與10月節(jié)假日因素影響，照明與插座系統(tǒng)用電分項在供暖季、制冷季及過度季節(jié)用電量波動不大，說明照明與插座系統(tǒng)用電隨季節(jié)變化的特征不顯著。其中上海照明插座電耗相較另外兩個城市較高，而成都該項電耗相對較低。

圖4 三棟辦公樓照明插座系統(tǒng)逐月電耗Fig.4 Monthly power consumption of lighting socket system in three office buildings

2.3 行為因素

建筑能耗與用戶行為息息相關(guān)，相較于其他類型公共建筑，辦公建筑人流量較為穩(wěn)定，有較固定的運行時間，照明插座電耗沒有明顯的季節(jié)性特征，但在2月與10月會有明顯的降低，為進一步分析影響照明插座電耗的因素，將所調(diào)研的辦公建筑照明插座系統(tǒng)逐月電耗整理如圖5，本次調(diào)研的辦公建筑全年單位建筑面積照明插座系統(tǒng)電耗范圍為 20.82～75.35kWh/(m ·a)， 其平均值為40.01kWh/(m ·a)，最大建筑單位面積空調(diào)系統(tǒng)耗電量是最小耗電量的3.6 倍。由圖可見，無論是哪個城市的辦公建筑電耗月分布沒有明顯特征，但在2月與10月都有不同幅度的降低，這是因為2月處于春節(jié)假期，用電設(shè)備大多不開啟，同樣因為10月份有國慶小長假用能人數(shù)顯著減少從而導(dǎo)致這兩個月照明插座電耗降低。

圖5 夏熱冬冷地區(qū)辦公建筑照明插座系統(tǒng)逐月電耗Fig.5 Monthly power consumption of office building lighting socket system in hot summer and cold winter area

除了節(jié)假日期間外，辦公類建筑人員周一到周五為正常的工作日，周六周日雙休，為進一步分析建筑用戶行為對建筑能耗的影響，從工作日與非工作日角度出發(fā)，取夏季典型工作日與非工作日電耗數(shù)據(jù)繪制逐日能耗如圖6所示。從圖中可看出，星期一到星期五為工作日，相應(yīng)的電耗較高，星期六與星期天電耗值較低。而在周末，因為辦公建筑存在雙休日人員加班的不定因素導(dǎo)致有設(shè)備運行，再加上機房不斷電運行，使得非工作日仍然有電耗。

圖6 夏熱冬冷地區(qū)辦公建筑夏季典型周逐日電耗Fig.6 Hot summer cold winter typical weekly daily power consumption of office buildings in summer

辦公建筑用戶有著固定的工作時間與下班時間，進一步選取典型工作日電耗數(shù)據(jù)繪制逐時電耗如圖7所示。由圖7可見，6:00-9:00 陸續(xù)有人上班，這個階段用戶逐漸到達辦公樓，設(shè)備、空調(diào)投入使用，電耗逐漸增加。9:00-17:00 為穩(wěn)定的工作時間，用戶人數(shù)穩(wěn)定，電耗也基本趨于穩(wěn)定。17:00-22:00 為陸續(xù)下班時間，用戶逐漸離開公司，能耗在此階段逐漸下降。22:00-6:00 為夜間時段，基本沒有用戶活動，電耗穩(wěn)定在一個較低的狀態(tài)。

圖7 夏熱冬冷地區(qū)某辦公建筑夏季工作日逐時電耗Fig.7 Hourly power consumption of an office building in summer working days in hot summer and cold winter area

2.4 節(jié)能策略討論

通過對夏熱冬冷地區(qū)辦公建筑能耗調(diào)研，分析了該氣候區(qū)辦公建筑能耗特征，由此挖掘其節(jié)能潛力，并從建筑能耗管理、能耗設(shè)備、人員行為三個方面得到節(jié)能策略。

（1）加強設(shè)備管理與維護。如今既有和新建辦公建筑普遍配備了BA 控制系統(tǒng)，BA 系統(tǒng)對建筑能耗都有較為完整的運行記錄，可以通過該記錄從而獲得能耗指標(biāo)。但在調(diào)研中發(fā)現(xiàn)BA 系統(tǒng)的運行水平并不高，甚至有些建筑的BA 系統(tǒng)沒有投入使用。程大章[11]發(fā)現(xiàn)只有30%的BA系統(tǒng)部分運行，50%的BA 系統(tǒng)沒有投入使用，運行良好的僅有20%。因此加強對設(shè)備的維護與管理是辦公建筑節(jié)能的關(guān)鍵之一，加強能耗監(jiān)測，做好能耗審計工作，定期維護空調(diào)、照明等能耗系統(tǒng)。

（2）采取合理的節(jié)能技術(shù)。照明插座系統(tǒng)與空調(diào)系統(tǒng)能耗在辦公建筑能耗中占比最大，空調(diào)系統(tǒng)能耗有極明顯的季節(jié)性特征，應(yīng)根據(jù)夏熱冬冷地區(qū)氣候特點，對空調(diào)系統(tǒng)進行節(jié)能改造，合理利用太陽能、地?zé)崮艿瓤稍偕茉?。而對于像成都太陽能資源欠豐富地區(qū)可以增加對廢熱的回收。對于照明系統(tǒng)的節(jié)能，應(yīng)充分利用自然采光，在公共區(qū)域引入導(dǎo)光系統(tǒng)，不僅能降低照明分項能耗，還能營造更良好的光環(huán)境。同時，可以采用分區(qū)分時照明、在節(jié)假日關(guān)閉一些燈具。對于必須要滿足照度的辦公區(qū)域，可以采用節(jié)能燈具。

（3）提高用戶行為節(jié)能意識。辦公建筑中用戶行為對能耗的影響巨大。在調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，存在空調(diào)和門窗同時打開、人走不關(guān)燈、辦公設(shè)備持續(xù)開啟的情況。因此，應(yīng)加強用戶節(jié)能意識普及，培養(yǎng)行為節(jié)能習(xí)慣。

3 結(jié)論

本文通過對夏熱冬冷地區(qū)辦公類建筑能耗調(diào)研和指標(biāo)特征分析，可以得到以下結(jié)論：

（1）本次調(diào)研的夏熱冬冷地區(qū)十五棟辦公建筑筑面積耗電量范圍為50.09～120.62kWh/(m ·a)，建筑單位面積年平均耗電量為76.93kWh/(m ·a)；全年單位建筑面積空調(diào)系統(tǒng)電耗范圍為10.84～51.98kWh/(m ·a)，其平均值為25.77kWh/(m ·a)；全年單位建筑面積照明插座系統(tǒng)電耗范圍為20.82～ 75.35kWh/(m ·a)，其平均值為40.01kWh/(m ·a)。

（2）夏熱冬冷地區(qū)的辦公建筑能耗主要由空調(diào)能耗、照明插座能耗、綜合服務(wù)系統(tǒng)能耗組成，其中空調(diào)能耗和照明插座能耗占比高達83%～97%，其中成都與上海照明插座系統(tǒng)能耗占比最大，而長沙空調(diào)系統(tǒng)能耗占比最大。

（3）夏熱冬冷地區(qū)辦公建筑空調(diào)系統(tǒng)能耗有明顯的季節(jié)性特征，夏熱冬冷地區(qū)夏季供冷季能耗略高于冬季供暖季，長沙空調(diào)季單位建筑面積空調(diào)系統(tǒng)能耗最高，成都供暖季該分項單位建筑面積能耗最低。

（4）照明插座系統(tǒng)能耗在不同季節(jié)基本不變，但受用戶行為因素影響較大。