大型商業建筑的整體節能設計和運行

文｜華陽安派能源科技（北京） 有限公司 唐德超

1 概述

進入21世紀以來，中國成為了全球碳排放最高國家的行列之一。同時，我國又是世界上年新建筑量最大的國家，每年新建筑竣工約為20億平方米，消耗標準煤6億噸，建筑能耗占全國總能耗的30%左右，建筑的CO2排放占總排放接近50%，這一比例遠高于工業和運輸業的總排放[1]。

在我國，大型公共建筑的單位面積能耗是住宅建筑的10～20倍。大型公共建筑的總面積雖然僅占我國城鎮民用建筑面積的5%，但是用電量卻占建筑總用電量的25% 。例如，上海地區各類公共建筑的單位面積年平均能耗分布如表1所示[2]：

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近年來，國家財政部、住房和城鄉建設部聯合發布的《關于進一步推進公共建筑節能工作的通知》（以下簡稱《通知》），明確了“十二五”期間公共建筑節能工作目標，并且對目標的實施和落實提供了明確的政策保證。到2015年，重點城市公共建筑單位面積能耗下降20%以上，其中大型公共建筑單位建筑面積能耗下降30%以上；重點城市改造完成建筑面積不少于400萬平方米，中央財政補助標準原則上為每平方米20元。

因此，對公共建筑的設計進行節能優化，將有效控制建筑能耗的無序增長，是實現節能減排目標的重要途徑之一。

2 計算機集成建筑環境模擬技術和綠色建筑

2.1 建筑節能性能化設計

計算機輔助設計在建筑設計領域經歷了從繪圖工具、計算工具、設計工具到模擬工具的演變歷程。隨著計算機技術的普及和發展，計算機模擬技術已經深入建筑設計的各個領域，成為各類節能、生態建筑設計、超低能耗、綠色建筑評估、能效標識和綠色建筑設計的重要工具[3][4]。

現實中，建筑物是一個物理整體，它的內部空間、功能、運行、使用、用戶互相關聯，和建筑物的周界構成一個相關的綜合環境。近年來，隨著計算機技術的普及，商業建筑工程模擬軟件逐漸為設計人士接受，已經廣泛應用于設計的各個階段中。但是由于商業軟件的局限性，這樣的計算機模擬分析通常需要將相關聯的物理現象分割并簡化為相對獨立的物理現象來進行模擬分析，通過一個“串連”的流程來完成整體的設計。同時由于商業軟件間的不兼容，需要重復建模，重復引導，將一個軟件的輸出轉換處理成另一個軟件的輸入，不僅影響了模擬分析的準確性，同時也在一定程度上造成了人力、時間和信息資源的浪費。現有常用的模擬技術在性能化設計中的應用，如圖1所示。

2.2 集成節能性能化設計方法

集成節能性能化設計是以建筑物各用能設備和系統的優化方案為變量，以技術經濟指標為目標函數，基于大量集成模擬性能分析的最終優化設計方案。

性能化設計和模擬是兩個不同的概念，后者為前者的手段和工具。初學者往往僅滿足于對某個特定節能設計措施或方案的模擬分析，確定該措施在特定條件下的節能量，進而借助模擬軟件的后處理手段來進行美化，例如采用CFD軟件生成云圖或流線圖來展示。通常，這樣做的目的更多是作為一種營銷手段。

采用整體計算機模擬為手段的性能化節能設計，可以讓我們在有限的時間內，對大量的節能設計方案及其組合進行整體性能分析和評估，創建方案—節能—經濟性能指標數據庫，從而可以按照節能（能耗）和經濟指標目標函數進行優化，為設計項目制定最佳節能設計方案。顯然，要這樣做，采用圖1所示的“串連”式流程就有很大的難度。

集成性能化設計環境應該具有以下基本要素：

（1）只需建立一個模型，實現CAD數據共享。

（2）BIM信息平臺，支持模擬過程中建筑信息的無縫連接。

（3）整體性能模擬，實現信息增值。

集成模擬環境下進行建筑性能化設計的概念，如圖2所示。

2.3 BIM技術和集成設計平臺

自2002年以1.33億美元巨資收購了Revit技術公司后，AutoDesk公司開始推出以Revit為核心的BIM解決方案，并在媒體和業界做了很大力度的推廣，由此引起了業界高度的關注。很多國家已經應用BIM技術標準進行建筑設計、施工和政府監管部門的管理，并以此建立了在AEC業界BIM標準。當然，業界其他公司的BIM產品，如Graphisoft、Nemetschek和Bentley公司的建筑業解決方案BIM，相比AutoDesk都有很多獨到之處。

事實上，國際上在BIM領域及其數據結構的研究更早時間就已經開始，上世紀90年代初期在建筑產品數據模型（Product Data Model）領域的研究，關于STEP數據交換標準的理論和實踐，以及其后發展的gbXML數據結構是構成當代BIM數據信息結構理論和實踐的基礎[5]。

在BIM技術中，建筑空間數據如何與建筑物理性能整合依然是BIM整體技術上的一個瓶頸。最新McGraw Hill Construction 關于綠色BIM的報告指出，48%的建筑、機電設計公司，58%的工程承包商尚未采用BIM技術就是出于這個原因[6]。

3 計算機集成節能設計的應用

本文通過實際案例，對集成節能設計的理念和方法進行演繹，在建筑設計的初期，采用集成建筑模擬技術對眾多節能方案進行優化和技術經濟分析，最終為項目的節能減排目標制定切實可行的方案。模擬軟件平臺采用visualesp-r[7]，如圖3所示。

案例項目位于大慶市，建筑面積58萬平方米，由大型購物中心、五星級酒店、室外步行街、高檔住宅和高端寫字樓組成的城市綜合體項目。節能性能化設計針對其購物中心部分進行，地上面積約9萬平方米（包括步行街），地下約7萬平方米。

節能性能化設計針對目標建筑物的能源系統進行整體優化，通過技術和經濟性分析，為項目提供具有可選性的節能技術和投資采購方案。

性能化設計針對以下能源分系統進行：幕墻系統、冷/熱源、可再生能源、水資源、空調系統和運行、電氣系統、自然采光、自然通風等。設計中，首先對各個能源分系統建立可選技術方案，對每一種方案進行集成模擬分析，由此建立能耗和經濟參數的目標指標數據庫，如圖4所示。

例如，在幕墻方案中針對五種不同方案進行了整體技術經濟分析。同樣，對冷、熱源系統指定了五種可選方案。五種方案的運行經濟指標比較，如圖5所示。

項目中針對一系列專題進行了整體節能技術經濟分析，包括：CO2空調新風量控制的節能性能與投資成本分析和控制策略；室內步行街采用自然通風式開窗位置優化；室內步行街采光頂采光面積減少15%、30%、45%對能耗的影響；過渡季和冬季采用新風供冷的適用條件；采用日光感應器調光控制系統的節能和經濟性；采用LED燈照明為商場照明的視覺效果和節能經濟性；空調機組和風機盤管的運行控制優化。最后，根據整體節能分析的結果、建設的約束條件，制定最終節能優化設計方案，為項目提供決策依據。本文給出了11種方案，按投資回報排序的可選節能措施整體技術經濟指標，如表2所示。

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根據建設項目希望達到的節能目標，即住房和城鄉建設部的綠色建筑評價星級指標一星和二星的節能和減排指標相比。與參照建筑相比時的節能、運行費用和減排量，如表3所示。與參照建筑相比較，本項目（實施一星時）節電達20%。與表1中上海地區公共建筑商業類的單位面積年平均能耗比較，本項目節能達45%以上。

4 建筑整體能耗計量和節能運行優化

4.1 能耗計量的傳統意義

能耗計量作為節能運行優化的一個關鍵，是建筑性能化設計的一個重要組成部分。研究和管理大型商場節能運行的方法雖然很多，但傳統的方法往往僅注重空調系統運行和管理，通過能耗分項計量，來控制和消除非正常操作，從而使運行達到設計要求和節能。通常情況下的能耗分項計量，其目的僅僅是對系統運行狀態進行檢測，及時發現運行中的異常現象，從而進行分析和診斷，使系統恢復到正常的運行狀態。如圖6所示。

4.2 建筑物整體能耗性能優化和控制

事實上，能耗（分項）計量只是一種手段，對計量結果深層次的處理和利用，對節能運行和控制有更深的意義。基于整體集成節能性能化設計的能耗（分項）計量以計量各參數來進一步修正和標定建筑物的整體集成能耗模型。在此基礎上，通過大量的模擬計算分析，以現代數學手段找出實際建筑物及其系統、室內外環境參數、使用、運行狀態與建筑物整體節能目標之間的動態規律和函數關系，從而為建筑物和系統的運行量身定制可計量、可預測、可控制、可實施的優化運行方案。

本文介紹從建筑物整體性能出發，以節能性能化設計、實時計量和模擬預測為手段，實現最佳節能運行的方法。

在實施分項計量之前，首先需要根據建筑物和系統的實際配置對建筑模擬的模型進行標定，主要包括以下三個方面：

（1）室內、外環境參數：運行年的室外氣象參數和室內環境參數的實際參數。

（2）建筑物和系統參數：實際建筑物圍護結構材料，空調、照明、電氣、水等系統的實際配置、運行和控制參數。

（3）建筑物的使用參數：包括商場的運營日程和時間，各區域的使用特征，人員密度時間表。

以實際測量和分項計量的環境和運行參數為依據，以性能化設計方法，搭建建筑物整體性能模型對不同運行情景和運行狀態進行大量模擬計算分析，對影響目標函數（如能耗）的敏感參數進行靈敏度分析，利用相應的數學工具和手段，最終導出與能耗目標函數相關變量的函數關系，從而對實際建筑物和系統的運行以節能為目標進行優化，為運行和管理提供準確可靠的科學依據。如圖7所示。

5 結束語

大型公共建筑的單位面積能耗是住宅建筑的10～20倍。國家和地方政府單獨對公共建筑節能明確了“十二五”期間工作目標。整體節能設計優化的性能化設計和BIM平臺為公共和商業建筑節能提供了有效的工具。整體節能性能化設計從設計方案階段開始到建筑物建成運行的整個階段對節能目標進行優化，為商業地產的綠色建筑設計、建設和運行提供科學依據。

1 林益彬.低輻射（Low-E）鍍膜玻璃與建筑節能.上海綠色建筑，2011（6）：27-28

2 徐強，等.上海市大型公共建筑能耗統計分析.城市發證研究，2011增刊（1）：322-326

3 GB 50378-2006 綠色建筑評價標準

4 公共建筑節能設計指南.2007年

5 Eastman C M,Siabiris A.A generic building product model incorporating building type information.Automation in Construction,Volume 3,Issue 4,pp.283-304,1995,Elsevier

6 Green BIM.McGraw-Hill Construction SmartMarket Report.2010

7 唐德超.建筑自然通風模擬技術的回顧和應用.暖通空調，2011，41（12）：99-104