中國(guó)建筑設(shè)計(jì)研究院創(chuàng)新科研示范樓綠色節(jié)能設(shè)計(jì)優(yōu)化分析

文/中國(guó)建筑設(shè)計(jì)咨詢有限公司 李新中 吳越超 劉 敏

0 引言

中國(guó)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）創(chuàng)新科研示范樓設(shè)計(jì)之初要求獲得我國(guó)綠色建筑三星級(jí)認(rèn)證，達(dá)到“四節(jié)一環(huán)?！币?。其中針對(duì)節(jié)能與能源利用，要求滿足“建筑設(shè)計(jì)總能耗低于國(guó)家批準(zhǔn)或備案的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值的80%”?；诖?，在公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上進(jìn)一步采取措施以提高節(jié)能率。

基于項(xiàng)目的地域特點(diǎn)、用能要求和負(fù)荷特性，對(duì)創(chuàng)新科研示范樓建筑總能耗進(jìn)行深入分析。從綠色建筑節(jié)能和環(huán)保角度出發(fā)，充分論證相關(guān)節(jié)能技術(shù)在本建筑的適用性及有效性，通過對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能、外遮陽(yáng)、照明和空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行模擬優(yōu)化，分析各項(xiàng)節(jié)能措施對(duì)降低能耗的效用，為設(shè)計(jì)提供建議，使項(xiàng)目達(dá)到真正的節(jié)能與綠色。

1 基準(zhǔn)建筑能耗分析

中國(guó)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）創(chuàng)新科研示范樓總建筑面積40910.7m2，其中地上面積22199.9m2，地下面積18710.8m2，地下4層，地上15層，建筑高度60m（見圖1）。采用DeST模擬分析軟件對(duì)其負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算，在設(shè)計(jì)條件下設(shè)置邊界條件，結(jié)果如表1所示。

圖1 中國(guó)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）創(chuàng)新科研示范樓建筑效果

考慮到建筑的使用規(guī)律，可采光面積對(duì)應(yīng)的采光小時(shí)數(shù)為1590h。結(jié)合不同類型房間照明功率密度值要求，計(jì)算得出基準(zhǔn)建筑照明電耗為628747kW·h。

基準(zhǔn)建筑空調(diào)系統(tǒng)形式為電制冷冷水機(jī)組，末端形式為新風(fēng)+風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)。根據(jù)GB/T 17981—2007《空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行》，空調(diào)系統(tǒng)能效比取3.1，同時(shí)電量折算標(biāo)煤采用等效值法，計(jì)算得到基準(zhǔn)建筑總能耗為481.36噸標(biāo)煤。如表2所示，創(chuàng)新科研示范樓的制冷能耗、采暖能耗和照明能耗分別占建筑總能耗的34.2%、26.2%和39.6%。

2 研究技術(shù)路線

根據(jù)能耗組成特點(diǎn)，節(jié)能設(shè)計(jì)主要從圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能、外遮陽(yáng)系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)和照明系統(tǒng)等4方面進(jìn)行考慮，技術(shù)路線如圖2所示。

表1 基準(zhǔn)建筑負(fù)荷模擬結(jié)果

表2 基準(zhǔn)建筑能耗統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖2 技術(shù)路線分析

3 節(jié)能措施敏感性分析

3.1 提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能

在基準(zhǔn)建筑基礎(chǔ)上，提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能，各工況參數(shù)設(shè)置如表3所示。

在其他邊界條件不變的情況下，各工況全年能耗計(jì)算結(jié)果如表4所示?？梢姡S著圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能提高，制冷能耗增加，采暖能耗降低，總能耗呈下降趨勢(shì)，3種工況下分別降低2.3%、4.6%和5.8%。

3.2 采取外遮陽(yáng)措施

創(chuàng)新科研示范樓大量采用玻璃幕墻和外窗（窗墻比約0.7），建筑通過外窗輻射得熱在建筑得熱中占較大比例，因此應(yīng)采取遮陽(yáng)措施，降低輻射得熱。基準(zhǔn)建筑外窗遮陽(yáng)系數(shù)SC為0.45，在此基礎(chǔ)上，采取外遮陽(yáng)措施，降低外窗遮陽(yáng)系數(shù)，各工況參數(shù)設(shè)置如表5所示。

表3 不同工況下圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù) W/（m2·K）

表4 提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能對(duì)能耗的影響

表5 不同工況下遮陽(yáng)系數(shù)SC值

表6 外遮陽(yáng)措施對(duì)能耗的影響

表7 不同工況下照明功率密度值 W/m2

表8 降低照明功率密度對(duì)能耗的影響

在其他邊界條件不變的情況下，各工況全年能耗計(jì)算結(jié)果如表6所示，可見，隨著遮陽(yáng)系數(shù)降低，采暖能耗增加，制冷能耗下降幅度較大，總能耗呈下降趨勢(shì)，3種工況下分別降低1.7%、2.2%和3.1%。

3.3 降低照明功率密度

根據(jù)建筑能耗計(jì)算結(jié)果，照明能耗約占建筑總能耗39.6%，因此在保證照明質(zhì)量的前提下應(yīng)盡量減小照明功率密度（LPD），采用高效節(jié)能燈具，并結(jié)合自然采光分區(qū)智能控制。在基準(zhǔn)建筑的基礎(chǔ)上，降低照明功率密度，各工況參數(shù)設(shè)置如表7所示。

在其他邊界條件不變的情況下，各工況全年能耗計(jì)算結(jié)果如表8所示?？梢?，隨著照明功率密度降低，采暖能耗增加，制冷能耗和照明能耗均降低，總能耗呈下降趨勢(shì)，3種工況下分別降低3.3%、5.3%和7.5%。

3.4 提高空調(diào)系統(tǒng)能效比

在基準(zhǔn)建筑的基礎(chǔ)上，分別提高空調(diào)系統(tǒng)能效比（COP）至3.5、4.0和4.5。

在其他圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能參數(shù)不變的情況下，各工況全年能耗計(jì)算結(jié)果如表9所示。可見，隨著空調(diào)系統(tǒng)能效比提高，3種工況下全年總能耗分別降低3.9%、7.7%和10.6%。

表9 提高空調(diào)系統(tǒng)能效比對(duì)能耗的影響

4 節(jié)能優(yōu)化方案效果分析

基于節(jié)能措施敏感性分析，提出節(jié)能優(yōu)化方案如表10所示。

節(jié)能優(yōu)化方案下，相比基準(zhǔn)建筑，設(shè)計(jì)建筑每年可節(jié)約標(biāo)煤107.03t，節(jié)能率為22.2%，達(dá)到綠色建筑的節(jié)能要求（見表11）。

表10 設(shè)計(jì)建筑采取的節(jié)能措施

表11 設(shè)計(jì)建筑全年能耗統(tǒng)計(jì)結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

基于創(chuàng)新科研示范樓的運(yùn)行特點(diǎn)，其制冷能耗、采暖能耗和照明能耗分別占建筑總能耗的34.2%、26.2%和39.6%，采用提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能、降低照明功率密度、采取外遮陽(yáng)措施和提高空調(diào)系統(tǒng)能效比等措施，有效降低了建筑總能耗，每年可節(jié)約標(biāo)煤107.03t，節(jié)能率22.2%，達(dá)到綠色建筑要求（見圖3）。

圖3 創(chuàng)新科研示范樓外立面及夜景效果