寒冷地區某機關辦公建筑節能潛力分析

陳為花孫毅張浩

(1.山東建筑大學 熱能工程學院，山東 濟南250101；2.中國電建集團核電工程有限公司，山東濟南250100；3.山東省綠色建筑協同創新中心，山東 濟南250101)

0 引言

隨著經濟增長和人們生活水平的提高，對全球能源的需求不斷增長。 其中，一次能源消費量在持續的增加，而我國貢獻的增長量超過了30%[1]。 由于能源需求的增長來源于不同行業，其中建筑是全球能源的主要終端用戶之一，在能源轉型中承擔重要角色。 目前建筑行業消耗已經占全球能源及原料消耗的30%[1]。

建筑行業用能重要性持續提升，其中制冷、照明和電氣耗能顯著增加，建筑能源消費增長更加強勁，預測到2040 年將升至能源消費總量的約1/3[2]。我國的建筑行業能源消耗已超過全國總能耗的20%，其中公共建筑的增長迅速，總商品能耗超過2.8 億tce(噸標煤)[3]，是建筑節能研究的重點。

政府機關辦公建筑是公共建筑的主要類型之一。 在東營市調研過程中，發現該類建筑大多建造年代較早，存在圍護結構無保溫、設備老舊等問題，具有很大的節能潛力[4-6]。 調研后，選取某典型政府機關辦公建筑，針對其能耗現狀進行節能潛力分析，為寒冷地區政府機關辦公建筑節能改造提供依據。

1 某政府機關辦公建筑能耗概況

某政府機關辦公建筑建造于2002 年，總面積為6 957 m2，地上10 層，朝向為北。 建筑為框架結構，墻體材料為磚砌體與加氣混凝土，外墻無保溫，窗戶為普通雙層中空玻璃，窗框材料為塑鋼，其有內遮陽而無外遮陽。 對比GB 50189—2015《公共建筑節能設計標準》[7]中圍護結構熱工參數限值可知，該建筑圍護結構熱工性能均超過節能設計參數限值，具有一定的節能潛力。 冬季采用市政熱網供暖，末端為風機盤管，夏季采用磁懸浮離心式冷水機組制冷，空調形式為風機盤管加新風系統。

2016—2018 年此建筑逐月耗電量及平均月耗電量如圖1 所示。 2016—2018 年用電趨勢一致，6 ～9 月是用電高峰期，為夏季空調使用季節；3、11 月用電量較其他非空調季節月份略有升高，主要原因為供暖開始前與結束后用房間空調器進行輔助供暖；其他月份用電量平穩，波動小。

建筑能耗指標見表1，平均單位面積耗電量指標為50.04 kWh/(m2·a)，平均單位面積耗水量指標為0.93 m3/(m2·a)。 近3 年的單位面積耗電量、耗水量指標接近，建筑耗電量、耗水量穩定，可以反映建筑實際用能情況。

該建筑用能系統為建筑用電系統和采暖用能系統，公共建筑能耗不包括冬季采暖能耗[8]。 主要用能設備見表2～4，能源消耗均為電能，包括照明及辦公設備用電、空調用電及電梯耗電等，形式比較單一。 由于建筑內無能耗分項計量系統，無法得到各系統準確的實際用能數據。 結合建筑用電分布，可將其總能耗近似分為空調能耗、辦公能耗(包括照明、辦公設備及電梯等)。 辦公能耗全年相對穩定，可取過渡季節月能耗的平均值。 空調能耗為空調季總能耗與辦公能耗的差值，由此可得空調系統能耗的估算值[9]。 過渡季節月平均耗電量為16 224 kWh，空調季總耗電量為207 294 kWh，則空調耗電量的估算值為191 070 kWh，占建筑總能耗的55%，能耗占比較大。 單位面積空調年耗電量為29.4 kWh/(m2·a)。

圖1 2016—2018 年建筑逐月耗電量及平均月耗電量圖

表1 建筑能耗指標表

表2 建筑主要用能設備參數表

表3 建筑照明設備參數表

表4 建筑辦公用能設備參數表

2 模擬結果分析

利用建筑熱環境設計模擬工具包(Designer's Simulation Toolkit，DeST)模擬建筑建模、負荷及能耗。建模過程中依據實際情況簡化建筑模型[10]。 模擬所需氣象參數、圍護結構參數、室內參數、人員照明設備作息參數均依據實際情況設置。

2.1 負荷模擬結果

利用DeST 模擬建筑全年的空調逐時負荷，結果如圖2 所示。 建筑空調最大逐時熱負荷為691.96 kW，最大逐時冷負荷為586.00 kW，分別出現在1 月21 日和8 月9 日，對應于室外溫度最低和最高的時間段。 建筑全年累計熱、冷負荷分別為558 672.06、281 258.86 kWh；全年最大熱、冷負荷指標分別為106.67、90.25 W/m2。

2.2 能耗模擬結果

由DeST 模擬得到建筑年能耗為36.2×104kWh/a，而單位建筑面積年能耗為51.9 kWh/(m2·a)。 模擬所得逐月能耗的分布變化趨勢如圖3 所示。 DeST 模擬所得的逐月耗電量與該建筑近3 年實際逐月耗電量的平均值接近，其最大偏差＜20%，因此該模型可以反映建筑實際能耗情況。

圖2 全年逐時空調負荷圖

圖3 2016—2018 年建筑月平均耗電量圖

2.3 空調季負荷特性分析

建筑負荷大小決定了空調設備容量大小，降低建筑負荷可降低空調設備容量。 由調研可得，該建筑空調面積(6 492.80 m2)占建筑總面積的93.3%，空調供冷時間為6 月15 日至9 月15 日。 建筑空調季瞬時冷負荷模擬結果如圖4(a)所示，以建筑瞬時冷負荷占最大瞬時冷負荷比例d分析建筑空調冷負荷分布情況，如圖4(b)所示。 建筑瞬時冷負荷超過最大瞬時冷負荷80%的小時數占空調季總小時數的3%，而＞60%的占13%，主要出現在7 月初至8 月中旬；空調季87%的時間內，瞬時冷負荷低于最大瞬時冷負荷的60%，其中低于最大瞬時冷負荷30%的小時數占47%。 由此可知，該建筑空調季＞80%的時間處于部分負荷狀態。

圖4 空調季逐時冷負荷圖

2.4 負荷影響因素分析

影響建筑負荷的因素眾多，且不同因素的影響程度不同，可通過正交試驗分析各個影響因素對建筑負荷的影響程度。 選取7 個影響因素進行分析，各個因素及其相應的水平見表5，其中S、N、E、W 分別代表南、北、東、西，表明建筑不同朝向。

表5 建筑負荷影響因素及其相應水平表

選用L16(43×26)正交試驗表格進行試驗[11]。試驗指標為建筑全年負荷。 由DeST 軟件模擬得到建筑全年負荷，結果見表6。 其中，Ki為任一列水平號為i時，所對應的試驗結果之和；ki為任一列水平因素取水平i時所得的試驗結果的算術平均值；R為極差，在任一列上R＝max{k1，k2，…，ki}-min{k1，k2，…，ki}，表示該列因素的數值在試驗范圍內的變化，極差越大，會導致試驗指標在數值上更大的變化。 由試驗結果可得，在已分析的影響因素中，其影響程度的大小依次為:外墻傳熱系數、新風指標和照明密度；其他因素對建筑負荷的影響程度依次為:窗墻比＞外窗傳熱系數＞設備密度＞遮陽系數。 該結果將指導建筑節能潛力的進一步分析。

表6 建筑負荷影響因素正交試驗表

3 節能潛力分析

從建筑圍護結構、空調系統、照明系統等3 個方面，以建筑實際狀況為基準，模擬分析了采取節能措施后相對實際運行建筑的節能潛力。

3.1 建筑圍護結構節能潛力

針對建筑圍護結構，根據負荷影響因素分析結果，選取對建筑負荷及能耗影響相對大的外墻、外窗兩個影響因素，分析建筑的節能潛力。

3.1.1 建筑外墻節能潛力

建筑外墻節能改造有外墻外保溫、內保溫。 外墻外保溫可保護外墻主體結構，且室內溫度波動較小，熱穩定性好，不易形成熱橋，可避免室內裝修對保溫層的破壞，便于對舊建筑物進行節能改造[12]。 該政府機關建筑外墻為磚砌體與加氣混凝土砌塊的復合墻體，無外保溫，外墻傳熱系數為1.246 W/(m2·K)，遠大于節能標準中≤0.5 W/(m2·K) 的要求。 為研究外墻節能潛力，建筑外墻結構添加了60 mm 的膨脹珍珠巖外保溫層后，傳熱系數為0.481 W/(m2·K) ，滿足規范要求。

模擬的添加保溫層后建筑全年負荷結果見表7。 外墻外保溫后，外墻的傳熱系數降低，建筑全年累計總負荷降低了10%。 其中全年最大熱負荷降低8%，而建筑全年最大冷負荷略微增長；建筑全年累計熱負荷降低了17%，而建筑全年累計冷負荷相較于建筑外墻未進行保溫層設計時增加了5%，這是因為建筑外墻傳熱系數降低，建筑的熱惰性增大，建筑室內熱環境的穩定性增強，冬季熱損失變小利于保暖，而夏季建筑散熱變差。 因此，外墻節能改造后，夏季可通過夜間自然通風進行散熱[13]。 綜上可知，改變建筑外墻結構，降低外墻傳熱系數，對降低建筑熱負荷效果顯著。

表7 不同外墻結構的建筑全年負荷表

3.1.2 建筑外窗節能潛力

由前述建筑負荷影響因素分析結果得，建筑外窗對負荷影響很大。 通常情況下，建筑一經建成后窗墻比很難再改變，將主要研究外窗類型的節能潛力。 建筑實際的外窗類型為普通中空玻璃，窗框為鋁合金窗框，其外窗傳熱系數及太陽得熱系數均超過節能要求。 選擇幾種不同類型外窗玻璃進行模擬分析，其類型及相應的熱工參數見表8。

表8 不同外窗玻璃及其熱工參數表

利用軟件DeST 對所選的不同外窗玻璃類型通過控制變量法逐一進行模擬[14]，得到不同外窗玻璃類型下建筑全年累計熱負荷、全年累計冷負荷及全年總負荷，其隨外窗傳熱系數的變化如圖5 所示。該建筑全年總負荷隨著外窗玻璃傳熱系數降低而降低。 全年累計熱負荷同樣隨著外窗玻璃傳熱系數的降低而降低，但外窗玻璃傳熱系數由1.7 W/(m2·K)降至1.4 W/(m2·K) 時，基本不發生變化。 建筑全年累計冷負荷開始時隨著外窗玻璃傳熱系數降低而降低，但隨著外窗玻璃傳熱系數繼續降低，全年累計冷負荷有所升高，為研究其原因，進一步分析外窗玻璃參數對建筑全年冷、熱負荷的影響。

圖5 建筑全年負荷隨外窗傳熱系數變化規律圖

建筑全年累計冷、熱負荷隨外窗玻璃傳熱系數及遮陽系數(Shading Coefficient，SC)值的變化情況如圖6 所示。 建筑全年累計熱負荷隨外窗玻璃傳熱系數的降低而降低，與外窗玻璃遮陽系數SC 值的變化相關性較弱，可見外窗玻璃的SC 值對建筑熱負荷影響較小，建筑熱負荷主要受外窗玻璃傳熱系數影響。 隨著外窗玻璃傳熱系數降低，建筑全年冷負荷先降低后升高，與外窗玻璃SC 值變化趨勢一致，可知建筑冷負荷受外窗玻璃的SC 值影響大于傳熱系數。

圖6 熱、冷負荷與外窗玻璃參數關系圖

3.2 空調系統節能潛力

由前述建筑能耗情況分析可知，空調系統能耗占建筑總能耗的比重較大。 空調系統的設計及運行不合理都會導致建筑能耗增加，其優化對建筑節能至關重要[15]。 空調系統的節能潛力分析可從空調系統的各個環節進行，包括建筑室內空調溫度的設定、系統的新風形式等。 空調溫度的設定可以從源頭減少空調能耗，系統新風形式及是否存在熱回收等節能技術都會對建筑能耗產生影響。

3.2.1 室內溫度設置

空調季在滿足人體舒適性的前提下，應適當提高室內設計溫度，降低建筑負荷，從而減少建筑能耗[16-20]。 在建筑其他參數不變的情況下，分析建筑空調室內設計溫度對建筑能耗的影響。 現選取空調室內溫度分別為24、26、28 ℃時進行模擬，結果如圖7 所示。

圖7 不同空調室內溫度下空調季空調能耗圖

建筑空調能耗隨著空調室內溫度的升高而下降。 空調室內溫度為24 ℃時建筑空調能耗為19.59×104kWh/a，升高2 ℃(即26 ℃)后建筑能耗降低了11%，再升高2 ℃(即28 ℃時)后建筑能耗降低了16%。 由此可知，調整空調室內溫度對建筑空調能耗影響顯著。 在實際使用空調的過程中，可在滿足人體舒適性的前提下，適當提高空調溫度，降低室內外溫差，從而減少建筑能耗。

3.2.2 新風熱回收裝置

空調系統中新風負荷占比較大，相應的新風系統能耗占比較大，因此需要控制新風量及利用新風熱回收裝置等節能技術，以降低新風能耗，從而降低空調能耗。 該建筑空調系統中新風不承擔室內負荷，現對新風機組添加全熱回收裝置(夏季焓回收率為66%、溫度回收率為70%、額定功率為1.6 kW)進行能耗模擬，對比分析新風熱回收對空調能耗的影響。 模擬結果如圖8 所示，增加新風熱回收裝置后，建筑空調總耗電量減少2.78×104kWh，相對無新風熱回收時降低了23%；6 ～9 月份有不同程度降低，分別為24%、18%、19%和39%。 可見新風熱回收對降低空調能耗有顯著效果。

圖8 有無新風熱回收空調逐月能耗對比圖

3.3 照明系統節能潛力

公共建筑照明系統能耗約占總能耗的10%～40%。 照明系統能耗不僅占比較高，且照明系統會增加空調系統能耗。 根據模擬結果可知，該建筑照明系統能耗占建筑總能耗的30%。 所以減少照明系統能耗也是降低建筑總能耗的重點方向[21-22]。

在建筑實際運行中，更換更為節能的燈具類型，可以達到40%的相對節能潛力[23]。 隨著節能燈具的發展，商用發光二極管(Light Emitting Diode，LED)節能燈的光效已達到100 lm/W[24]。 該光效下，5 W/m2的照明功率密度即可滿足建筑照度要求。 模擬更換光效為90 lm/W 的LED 節能燈后，建筑的相對節能潛力見表9。 更換節能燈具后，空調能耗有所降低，照明系統能耗降低了55.59%，建筑總能耗降低了17.63%，節能效果十分可觀。 在滿足照度的要求下，除更換節能燈具外，充分利用自然采光，通過行為節能的方式做到人走燈滅，也可有效降低照明系統能耗。

表9 照明系統節能潛力表

4 結論

采用控制變參數法，從建筑圍護結構、空調及照明系統3 個方面分析了典型政府機關辦公建筑的節能潛力，得到如下結論:

(1) 降低建筑外墻傳熱系數至滿足規范節能要求，建筑全年累計冷負荷有所增加，逐時最大冷負荷并無變化，而全年累計熱負荷降低了17%，逐時最大熱負荷降低了8%，降低了對空調設備容量的要求，且建筑全年累計總負荷降低了10%；降低外窗玻璃的傳熱系數，建筑全年累計負荷逐漸降低，變化比較平緩；全年累計熱負荷隨外窗玻璃傳熱系數降低而降低，呈線性變化趨勢；全年累計冷負荷隨外窗玻璃遮陽系數SC 值降低而降低；建筑熱負荷相對主要受外窗玻璃傳熱系數影響，建筑冷負荷受外窗玻璃的遮陽系數SC 值影響大于傳熱系數。

(2) 調整空調室內溫度對建筑空調能耗影響較為顯著，空調室內溫度由24 ℃提高至26 ℃，建筑能耗降低了11%，由26 ℃升高至28 ℃時，建筑能耗降低了16%；因此在滿足人體舒適性的前提下，可適當提高室內空調溫度，有效降低建筑能耗。 新風熱回收技術可明顯減少空調能耗，增加新風熱回收裝置，建筑空調季空調總耗電量減少了2.78×104kWh，相對無新風熱回收時降低了23%。

(3) 模擬更換高效的節能燈具后，建筑照明系統能耗降低了55.59%，且空調能耗有所降低，建筑總能耗降低了17.63%，節能效果十分可觀。 在建筑實際運行中，在滿足照度的要求下選擇合適照明功率并充分利用自然采光，通過行為節能的方式做到人走燈滅，可有效減少照明系統能耗。