淺析珠海某超高層辦公建筑節(jié)能設計

董紅霞 邱少騰 裴 佩

（1.北京市建筑設計研究院有限公司，北京 100045；2.深圳市綠大科技有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引言

由于城市發(fā)展用地緊張，越來越多的建筑以超高層的形式出現(xiàn)，超高層建筑的能耗水平一般比普通辦公建筑的高，為了加強對此類建筑能耗的控制，提高能源系統(tǒng)應用方案的合理性，需要對其進行專項論證評審。

根據《公共建筑節(jié)能設計標準》（GB50189-2015）第 1.0.4條：“當建筑高度超過 150m 或單棟建筑地上面積大于 200000m2 時，除應符合本標準的各項規(guī)定外，還應組織專家對其節(jié)能設計進行專項論證。” 該文從項目的建筑形體設計、設備機電系統(tǒng)的節(jié)能措施、全年能耗分析等方面進行了闡釋和驗證。

1 項目概況

該項目位于廣東省珠海市珠澳跨境工業(yè)區(qū)，項目總用地面積為8523.67 ㎡，總建筑面積82657.05 ㎡，容積率7.25；建筑高度162m ，項目地下3 層，地上33 層，其中開放式單元式辦公399370.3 ㎡，酒店式辦公17775.90 ㎡，該項目于2018 年10 月通過節(jié)能審查。

2 節(jié)能專項設計

2.1 建筑形體設計與室內環(huán)境

珠海氣候屬夏熱冬暖地區(qū)，地理上位于珠江口西岸。該地區(qū)在建筑方案階段應充分考慮被動節(jié)能技術，建筑的朝向考慮日照、采光、通風、遮陽等要求，做到盡量合理。坐北朝南是我國許多地區(qū)的合理朝向。體型設計也是建筑節(jié)能設計中非常重要的環(huán)節(jié)。但對于夏季炎熱的南方而言，主要考慮的問題是自然通風和建筑遮陽，宜采取舒展通透的平面。項目通過方案綜合比選，結合當地風貌及建筑風格，確定了項目的形體設計。

2.2 節(jié)能熱工設計

項目在設計過程中，外圍護結構的節(jié)能措施包含以下2個方面： 1）在建筑外圍護結構和材料的選用上，建筑外墻砌塊墻采用200mm 加氣混凝土+雙面20mm 砂漿和35mm鋼筋混凝土+100mm 礦棉、巖棉、玻璃棉板+30mm 保溫砂漿；建筑屋頂隔熱采用30mm 擠塑聚苯保溫板，有效隔絕了熱量。 2）建筑的外窗采用8mm 較低透光Low-E+12mm 空氣+8 透明，在保證透光率的同時具有較佳的傳熱系數和遮陽系數，有良好的氣密性能和水密性能。

2.3 暖通空調節(jié)能措施

2.3.1 冷熱源機組選型及方案配置優(yōu)化

該工程根據根據業(yè)主后期產權及使用功能不同進行了系統(tǒng)劃分，其中1 層、21 層、32 層～33 層為業(yè)主自有產權且自用，需要系統(tǒng)獨立，整棟大樓空調分為以下系統(tǒng)，見表1。

空調風系統(tǒng)形式如下。1～4 層末端采用吊頂式空調處理機組+新風機組；5～9 層及21～33 層采用風機盤管加新風形式，新風設于9 層避難層新風機房內。

項目計量方式如下。11～20 層及22～23 層按房間設分戶遠傳計量表，空調系統(tǒng)主機處設總計量裝置，冷凍水及冷卻水補水系統(tǒng)設計量裝置。

2.3.2 節(jié)能措施

節(jié)能措施如下：1）該項目的空調系統(tǒng)的冷源機組能效優(yōu)于國家標準及節(jié)能評價值的要求，集中空調系統(tǒng)為變流量系統(tǒng)。水系統(tǒng)流速設計采用經濟流速，主管流速控制在1.8m/s～2.4m/s。設計均選用水阻合理的設備、閥門，控制系統(tǒng)水阻力，降低水泵能耗。空調冷凍水系統(tǒng)耗電輸冷比ECR滿足比《公共建筑節(jié)能設計標準》GB 50189-2015 的節(jié)能限值降低20%以上。2）空調風系統(tǒng)和通風系統(tǒng)的風機單位風量耗功率滿足節(jié)能標準要求，新風機組采用變頻控制。3）水泵、風機能效等級滿足《清水離心泵能效限定值及節(jié)能評價值》GB19762、《通風機能效限定值及能效等級》GB19761中能效等級2 級的要求。4）供暖空調系統(tǒng)末端現(xiàn)場可獨立調節(jié)。地下室設置與排風聯(lián)動的一氧化碳濃度監(jiān)測裝置。

表1 空調系統(tǒng)冷熱源系統(tǒng)形式

2.4 給排水節(jié)能措施

項目給水水源為城市自來水，提供的城市自來水水壓為0.25MPa。項目合理進行分區(qū)并充分利用市政水壓：-3F～2F為一區(qū)，3F～9F 為二區(qū)，由地下室二區(qū)生活變頻機組加壓供水；10F～15F 為三區(qū)，由地下室三、四區(qū)生活變頻機組加壓后減壓供水；16F～21F 為四區(qū)，由地下室三、四區(qū)生活變頻機組加壓后減壓供水；22F～28F 為五區(qū)，由地下室輸泵及22F 避難層五、六區(qū)生活變頻機組加壓后再減壓供水；29F～屋面為六區(qū)，由地下室輸泵及22F 避難層五、六區(qū)生活變頻機組加壓后再減壓供水。合理設置減壓閥。供水壓力超過 0.20MPa 時給水支管上設減壓閥，控制各層用水器具的流出水頭，不僅可節(jié)約用水，也可增加使用舒適感。

采取有效措施避免管網損漏。水池、水箱均設置報警裝置，防止進水管閥門故障時，水池、水箱長時間溢流排水。項目實行分類、分項用水計量措施，每戶均設置水表，相對集中設于公共區(qū)域水表井內，方便計量收費。

所有用水點均采用節(jié)水器具，包括水嘴、小便器、坐便器（單檔、雙檔）和大便器均能達到相關標準規(guī)定的用水效率等級1 級的要求。綠化用水采用微灌形式并設置單獨用水計量。

該工程11F～20F 的酒店式辦公采用集中熱水系統(tǒng)，最高日生活熱水用水量為67.2 m/d，最高時生活熱水用水量為8.96 m/d，設計小時耗熱量為461kW。基于滿足熱水需求的情況下提高制冷能效的角度考慮，熱水溫度為45℃/50℃。生活熱水熱源由空氣源熱泵和冷凝熱回收式機組提供，根據季節(jié)或室外溫度切換熱源供給方式，最大程度上實現(xiàn)了建筑余熱利用。

2.5 電氣節(jié)能措施

變壓器均采用SCB13 以上級別的干式電力變壓器，其變壓器空載損耗、負載損耗均達到《三相配電變壓器能效限定值及能效等級》（GB 20052-2013）中的二級能效要求。在變配電室低壓側設置功率因數集中自動補償裝置，補償后功率因數不小于0.90，減少配電系統(tǒng)無功損耗。

該項目為超高層建筑，用電系統(tǒng)較為復雜，因此設有電力監(jiān)控系統(tǒng)，在低壓系統(tǒng)設置較為完備的遠傳式智能計量儀表，對照明插座、空調、動力、特殊用電等各項用電進行分項計量，采集數據匯至監(jiān)控中心實現(xiàn)圖形化的用能監(jiān)測及分析，為項目的用電分戶收費、加強節(jié)能管理提供有力保障。

項目采用LED 光源及其他節(jié)能型燈具，顯色指數Ra ≥80，色溫在3300K～5300K。各房間場所照度、照明功率密度、一般顯色指數、統(tǒng)一眩光值等設計參數均按《建筑照明設計標準》（GB50034-2013）規(guī)定進行設計，其中照明功率密度均不高于目標值。公共區(qū)域根據房間功能、使用時間的差異，選擇合理、節(jié)能的照明控制措施。地下車庫、公共走道、大堂、電梯廳、環(huán)境照明、泛光照明等設置智能照明控制系統(tǒng)，相應照明配電箱預留智能照明模塊，可根據照明使用需求，靈活采用；樓梯間、前室及電梯廳采用紅外感應開關控制，做到人走燈滅；其余物業(yè)用房、設備房等均采用就地照明開關控制。

3 模擬優(yōu)化分析

為了考察項目的實際節(jié)能效果及室內環(huán)境效果，進行了全年能耗模擬及自然通風節(jié)能潛力分析，進而論證項目可行性及室內環(huán)境效果。

3.1 全年能耗模擬分析

3.1.1 模擬軟件及參數

采用建筑全年能耗模擬軟件eQUEST 3-65 作為項目的能源分析工具。選用珠海典型氣象年8760h 氣象參數，同時根據《公共建筑節(jié)能設計標準》GB50189-2015 建立參照模型。通過對設計模型與參照模型的分析和比較，評價設計模型的能耗水平，建筑能耗模型信息詳見圖1。

圖1 項目能耗模型圖（北側面）

3.1.2 模擬設置

設計模型是根據項目設計圖紙建立。設計模型的輸入參數（包括建筑分區(qū)、圍護結構性能、暖通空調系統(tǒng)性能、燈光及設備負荷、系統(tǒng)控制模式、運行時間等）均按照現(xiàn)行設計的規(guī)定。其中節(jié)能策略包括高性能圍護結構、高效冷水機組、變頻水系統(tǒng)、高效率風機、水泵、高效率照明、利用自然通風等方面。

參照模型以《公共建筑節(jié)能設計標準》GB50189-2015 為指導建立。參照模型的外墻、屋頂、外窗的熱工性能參數均按照《公共建筑節(jié)能設計標準》GB50189-2015 限值，內熱源參數（人員、照明、設備等）均與設計建筑保持一致，空調系統(tǒng)類型均與設計建筑保持一致，冷熱源性能系數按照《公共建筑節(jié)能設計標準》GB50189-2015 限值，輸配系統(tǒng)不考慮變頻節(jié)能措施，水泵、風機功率信息根據《公共建筑節(jié)能設計標準》GB50189-2015 要求設定。設計建筑與參照建筑的熱工性能參數見表2，空調系統(tǒng)形式設定參數見表3。

3.1.3 模擬結果

經過能耗模擬分析計算本項目設計建筑全年能耗為6221.265mWh，單位建筑能耗為75.27 kW·h/㎡，其中地上部分單位建筑能耗73.19 kW·h/㎡，地下車庫面積為19506.81 ㎡，通過模擬計算地下車庫設計建筑的能耗為171.51mWh，單位面積建筑能耗為8.79 kW·h/㎡ 參照建筑能耗為217.159 mWh，單位面積建筑能為11.13kW·h/㎡，設計建筑與參照建筑年耗電量及單項能耗節(jié)能率分析對比見表4，計算分析可知，其水泵及風機節(jié)能率較高，設計建筑各組成部分的分項能耗占比構成詳見圖2，其中制冷能耗為31%，照明能耗為22%，對應節(jié)能率分別為14.29%及8.34%。設計建筑與參照建筑單位面積能耗指標詳見圖3，圖中可見，除電梯及辦公設備能耗一致外，其余各能耗指標設計建筑均比參照建筑有所降低。

圖2 設計建筑能耗占比分析圖

3.2 自然通風節(jié)能潛力分析

采用eQuest3-65 能耗計算軟件內置通風模塊Sherman-Grimsrud 方式進行通風節(jié)能潛力計算，該方式將基于室內外溫差、風速進行自然通風節(jié)能計算。

與無自然通風情況下的建筑制冷能耗相比，自然通風條件下，建筑的制冷能耗在1 月份和2 月份降低幅度最大，達到了100%。3、4、11、12 月為51%～60%，5 月和10 月降低幅度不大，分別約為11%和15%，6 月至9 月降低幅度較小，約0%～7%左右。

由以上分析可以看出，自然通風對于降低建筑制冷能耗效果顯著。其中在除夏季外的過渡季節(jié)效果尤為明顯，而對于降低夏季空調制冷能耗的效果并不大，基本小于7%。這是因為珠海地區(qū)夏季室外空氣溫度較高、濕度大、太陽輻射強，夏季主要依靠空調系統(tǒng)達到室內的舒適度，能利用自然通風的時間很短。而對于其他月份，室外空氣溫度適宜，氣候良好，這時對建筑進行自然通風，就能改善室內的熱環(huán)境，降低室內空氣溫度，在獲得良好的室內熱舒適性的前提下，降低空調的制冷能耗。

圖3 設計建筑與參照建筑單位面積能耗指標對比圖

綜上所述，在室內有效的自然通風條件下，建筑的制冷能耗比在無自然通風情況下，降低了601.2 mWh，下降幅度為21.60%。與無自然通風的建筑總能耗相比，降低的制冷能耗約占建筑總能耗的10.3%，因此合理采用自然通風可有效縮短全年的空調系統(tǒng)運行時間，有良好的節(jié)能潛力。

表2 設計建筑與參照建筑熱工參數

表3 空調系統(tǒng)形式

表4 設計建筑與參照建筑模擬能耗模擬結果

3.3 結果分析

將這次設計建筑能耗模擬計算結果與《民用建筑能耗標準》GB/T51161-2016 中夏熱冬暖地區(qū)的約束值進行對比，對比結果見表5。根據《民用建筑能耗標準》GB/T51161-2016 的基本規(guī)定，不同建筑類型的建筑能耗指標應小于其所屬氣候區(qū)所對應的建筑能耗指標約束值。通過模擬計算，得到設計建筑總能耗約為參照建筑總能耗的88 %，且滿足《民用建筑能耗標準》GB/T 51161-2016 約束值要求。

4 結論

該項目的主要結論如下。項目總平面規(guī)劃和建筑方案充分考慮氣候環(huán)境、地塊特性、建筑功能需求等因素進行合理布局設計，圍護結構采用熱工性能良好的材料構造。通過能耗模擬軟件，分別模擬了項目塔樓在無自然通風和有自然通風情況下的建筑綜合能耗。相對無自然通風的建筑總能耗，有自然通風時降低的制冷能耗約占建筑總能耗的 10.3%，具有良好的自然通風節(jié)能潛力。暖通空調系統(tǒng)綜合采用高效冷水機組、水泵變頻、電氣系統(tǒng)采用高效燈具，智能控制等措施。 模擬后各功能區(qū)域均滿足《民用建筑能耗標準》GB/T 51161-2016 的相關能耗指標要求，且比參照建筑綜合能耗指標降低12%。 目前《建筑節(jié)能與可再生能源利用通用規(guī)范》GB 55015-2021于2022 年4 月1 日開始執(zhí)行，該規(guī)范對建筑熱工、機組能效及可再生能源應用等方面均有了相應的提升和要求，該項目為該規(guī)范執(zhí)行前的設計項目，與目前規(guī)范要求還有一定的差異，建議今后超高層項目需執(zhí)行通用規(guī)范要求，并結合項目情況合理進行可再生能源設計，并進一步提升熱工及能效等方面要求。

表5 模擬計算結果與約束值的對比結果