上海市公共建筑能耗限額對象分類和計算方法研究

潘 黎，趙德印，徐 強，馬 燕（.上海市建筑科學研究院有限公司， 上海 0003；.上海市建筑建材業市場管理總站， 上海 0003 ）

《上海市城市總體規劃（2017-2035 年）》提出，全市碳排放總量與人均碳排放量預計于 2025 年前達到峰值，至 2035 年，控制碳排放總量較峰值減少 5% 左右。根據上海市統計年鑒[1]，2017 年上海社會總能耗中民用建筑能耗約占 20%，其中，公共建筑占 57% 以上。能耗限額是推進公共建筑節能的必經之路，建立公共建筑能耗限額體系、在設計側提升建筑性能是挖掘節能潛力、保障能耗峰值實現的有效手段。

公共建筑種類繁多，功能需求差異化明顯。在確定能耗限額值之前，首先應解決公共建筑分類問題。針對不同類型公共建筑設定限額對象、確定評價指標，選取適宜計算方法，建立限額計算模型，并以辦公建筑為例進行驗證。

1 公共建筑能耗限額對象分類研究

1.1 國內外建筑能耗限額制定現狀

本研究提到的能耗限額為設計限額，建筑運行能耗主要采用相關的合理用能指南或能耗標準來評價。上海市公共建筑類型分類也可借鑒目前已有的分類方法，再結合本地實際情況進行確定。首先以美國、英國、德國和日本等國案例為例進行分析。

美國現行建筑節能標準《3 層及以上住宅和公共建筑節能標準 ASHARE 90.1》，采用全性能參數化的方法，通過能源成本預算來約束節能設計。在基準建筑能耗模擬中用到節能率的指標來進行性能評價，節能率＝（基準建筑能耗－設計建筑能耗）/基準建筑能耗。標準提到設計建筑或基準建筑能耗并非預測建筑實際能耗，因為實際能耗會受入住率、建筑運維、氣候、未預測到的用能、設計時發生變化的同時使用率及計算工具精確度等的影響。美國建筑節能計算的能耗范圍包括建筑所有終端用能，建筑面積為外墻包含在內的面積。

英國建筑節能設計標準體現在英國《2010 建筑法規（Building Act）》（新建住宅建筑（L1A）和非住宅新建建筑（L2A）節約燃料和節電）[2]，采用 CO2排放率（kg/m2·a）作為限值。碳排放范圍包括暖通空調、生活熱水和照明，不包括插座。同時要求新建建筑、出售或出租既有建筑，均需提供建筑能耗性能評價，向市場表明實際建筑與相同使用方式的典型建筑比較的相對性能。

德國建筑節能法規（EnEV 2013）適用于有采暖或制冷需求的建筑物（居住建筑和非居住建筑，包括宗教建筑、部分工業建筑等）。優化過程中要求目標建筑能耗低于基準建筑能耗，最終每棟新建建筑需獲得建筑物能源證書，證書上根據終端能源消耗評定能效等級。能耗范圍包括采暖、制冷、通風、照明及熱水供應的設備和設施，計算面積為包括圍護結構在內的建筑面積。

日本現行節能設計標準《建筑節能標準》是由 3 部建筑節能標準《公共建筑節能設計標準》《居住建筑節能設計標準》《居住建筑節能設計與施工導則》合并而成。標準中將公共建筑分為事務所、旅館、醫院、百貨商店、學校、餐飲店、集會所等 7 大類，進而細化為 201 種房間功能類型，分別設定一次能耗限額（MJ/m2·a），在計算總能耗時匯總。計算優化過程中要求設計建筑能耗不高于基準能耗。能耗包括供熱供冷、通風、照明、熱水、電梯、其他（辦公設備），同時減去太陽能發電量，計算面積為外圍護以內的面積。

我國 GB 50189-2015《公共建筑節能設計標準》主要采用權衡判斷方法，未對不同類型建筑進行指標區分，在模擬計算時提出辦公建筑、賓館建筑、商場建筑、醫療建筑門診樓、醫療建筑院部、學校建筑教學樓的部分邊界條件的差異，如系統日運行時間、室內溫度、新風量等。2014 年，天津市地方標準 DB /T 29-153-2014《公共建筑節能設計標準》規定了教育、辦公、酒店、商業、醫療衛生、其他等 6類公共能耗限值，能耗包括供暖、空調和照明。

綜上，各國的建筑節能設計思路如圖 1 所示。美國采用全面性能化的手段，對建筑全過程中涉及的參數均提出了性能要求，用能源費用預測的方法優化節能技術。德國、日本將能耗絕對值設定為目標。德國要求設計建筑需要低于基準建筑能耗并獲得能效證書，未對能效等級進行強制要求（對于達到更高能效等級的建筑有政策鼓勵）。日本細化規定了不同功能房間的邊界條件和能耗目標，以此來確定建筑整體的能耗基準。美國、德國、英國設置基準建筑以及詳細邊界條件進行能耗模擬，日本設置了基準房間的一次能耗。

圖 1 公共建筑能耗設計限額技術路線

1.2 上海市公共建筑限額對象分類和指標類型確定

國內外節能設計標準對公共建筑類型進行大類劃分，權衡計算時會根據房間功能按需進行細化的分類。上海市公共建筑限額設計進行概括性較強的大類劃分—辦公建筑、旅游飯店建筑、商業建筑、學校建筑、醫院建筑、其他，使每一棟建筑都有其歸口。類型細分時，普通辦公建筑、高檔辦公建筑、普通客房、高檔客房、一般商店、高檔商店的人均辦公面積、內熱需求、新風量、換氣次數、照明功率等取值有顯著差異，同時對負荷有較大影響[3]，可據此進行公共建筑類型細分。考慮到學校和醫院是園區性質，可依據建筑功能進行細分。具體如表 1 所示。

表 1 上海市公共建筑限額對象分類和指標類型

公共建筑能耗指標類型可分為單位面積綜合能耗和單位面積電耗。樓宇中的數據中心能耗水平需要單獨考量，同時建議去除對建筑主體用能指標影響較大的車庫面積。集各項功能于一體的綜合類建筑可采用面積加權的辦法。

針對能耗范圍，美國節能標準納入了建筑全部能耗，德國節能法規計算了采暖、熱水制備、通風、制冷以及照明，日本節能規范考慮了采暖、熱水制備、通風、制冷及室內電器。我國天津市節能設計能耗包括供暖、空調和照明。由于除了環境控制以外的性能指標在設計階段很難明確，上海市公共建筑能耗限額主要考慮熱濕聲光等在設計階段可控的環境因素，采用“采暖空調通風”及“采暖空調通風+照明”的雙控指標。

2 公共建筑能耗限額計算方法

2.1 不確定性方法簡介

不確定性是指不知道可能發生的后果，或者即使知道后果但是無法預測發生的概率[4]，是主觀認知局限和客觀因素變化多樣綜合作用導致，分析流程如圖 2 所示。

圖 2 空調不確定性分析流程圖[5]

首先確定輸入參數，再建立仿真求解模型求解并輸出求解結果。若再不滿足要求，則需要進一步優化或者改變輸入參數進行重新分析。從計算原理出發，不確定性量化法優于常規的單一或數個工況點的分析方法。

2.2 空調能耗不確定性方法計算思路

空調系統能耗的不確定性分析變量主要包括氣象參數、人員逐時密度、建筑圍護結構氣密性、換氣次數、設備內擾、空調機組性能等。事實上，在進行能耗模擬時，各參數取值均存在不確定性，也直接導致了最終能耗模擬結果存在不確定性。研究思路如圖 3 所示，分析相關輸入參數并確定其概率分布，建立能耗模型進行抽樣計算，最后建立能耗累積概率分布曲線以確定空調能耗并進行輸入變量敏感性分析。

圖 3 空調能耗不確定性分析流程圖

2.3 能耗限額計算方法

建筑空調系統設計能耗限額過程如圖 4 所示。建立模型，根據上海建筑節能發展規劃，確定關鍵參數的性能提高計劃，結合氣象參數、空調設備、自然通風等參數，進行不確定性量化計算。

圖 4 能耗限額計算分析與計算方法

3 計算方法論證—以辦公建筑為例

3.1 建筑性能提升設想

節能四步規劃設想作為建筑性能提升方向，上限定為現行標準數據。再在現有節能水平上，依次降低 10%，最終達到近零能耗水平。圍護結構的節能提升計劃如表 2 所示。

表 2 節能四步規劃設想 W/m2·K

3.2 建立建筑模型

結合 ANSI/ASHRAE Standard 209-2018 給出的建筑建模參數參考建議值，考慮上海辦公建筑的實際現狀，設定參數如表 3 所示。典型建筑模型如圖 5 所示。

表 3 建筑模型外形參數設置

圖 5 典型建筑模型

建筑模型內部參數參考 ANSI/ASHRAE Standard 209-2018 公建節能設計規范。即辦公時間 7:00～18:00，照明功率密度 9 W/m2，人均新風量 30 m3/（人·h），人員密度 10 m2/人，電器功率 15 W/m2。圍護結構、空調系統、建筑內部設計參數等的設置分別如表 4～表 6 所示。

表 4 圍護結構變量設置

表 5 空調系統能效設置(辦公建筑 A)

表 6 建筑內部參數設置

為簡化計算，空調系統采用總系統效率的概念，綜合考慮主機、輸配、末端等的消耗；制熱系統效率根據公建節能標準中的燃氣鍋爐系統折算得到。

分析使用 DesignBuilder 軟件。該軟件以美國能源部和勞倫斯伯克利國家實驗室聯合開發的建筑能耗模擬軟件EnergyPlus 為計算核心。本文主要利用 Optimisation+UA/SA 模塊進行參數優化分析、空調能耗不確定性分析以及參數敏感性分析。

3.3 計算結果

能耗分析計算時，本文綜合考慮了各類可能的影響因素（即邊界條件）變化，并且每種計算條件下 3 種辦公建筑的計算樣本容量為 1 000 組，其中建筑 A、建筑 C 各生成 200個樣本數據，建筑 B 生成 600 個樣本數據。因此可認為計算結果代表了所有辦公建筑的空調系統能耗分布。當累積概率P取值不同時，相應的設計限額數值也不同，計算結果匯總如表 7 所示。由表 7 可知，計算區間 I 中，空調能耗設計限額上限為46.6 kWh/m2·a，表明當建筑各性能參數在現有節能水平上提高 10% 時，95% 的辦公建筑空調設計能耗均能達到該要求，只有 50% 的建筑能達到 32.4 kWh/m2·a。區間 IV 計算結果可知，性能參數顯著提升后，辦公建筑空調系統能耗設計限額值可達到 25.5 kWh/m2·a。此外，需要說明的是，累積概率值的確定需要根據技術發展水平、節能工作規劃以及增量成本等因素綜合確定，從而確定用于執行限額設計的最終數值。

表 7 空調系統設計能耗限額表 kWh/m2·a

4 結 語

通過詳細調研國內外公共建筑節能設計標準法規，分析了現有分類方法和指標體系在公共建筑用能限額設計的適用性。基于不確定性的研究方法，得到如下結論。

（1）確定了公共建筑能耗限額對象按照辦公、旅游飯店、商業、學校、醫院、其他共 6 類，能耗指標為單位面積綜合能耗/電耗，能耗范圍包括采暖空調和照明，采用“采暖空調通風”及“采暖空調通風+照明”的雙控指標。

（2）不確定性分析方法具有優于常規的單一或數個工況點的分析方法的優點，適宜作為公共建筑能耗限額計算方法。

（3）以辦公建筑為例，當累積概率取 95% 時，不同計算條件下，空調系統能耗限額（kWh/m2·a）依次為46.6/44.3/38.2/37.9；當累積概率取 50% 時，空調系統能耗限額依次為 32.4/30.5/26.0/25.5。

在以后的不確定性計算研究中，需要進一步考慮各種可能的影響因素，以最大程度確定建筑在實際運行中出現的各種不確定性。

基金項目：國家重點研發計劃子課題“夏熱冬冷地區近零能耗建筑調研及技術指標體系研究”（2017YFC0702602-05）