某辦公樓節能設計、負荷計算與能耗分析

楊柳，董傲霜，劉崢

（遼寧工業大學 土木建筑工程學院，遼寧 錦州 121001）

為了積極應對全球氣候變暖，2020年9月，習近平主席在第75屆聯合國大會提出我國2030年前碳達峰、2060年前碳中和目標。在中國，2018年建筑行業全生命周期碳排放占全國碳排放總量的51%，建筑行業實現碳中和對全社會實現雙碳目標至關重要。在這樣的時代背景下，新建建筑的節能設計和既有建筑的節能改造成為助力國家達成雙碳目標的重要途徑之一[1]。

建筑圍護結構保溫性能，空調系統的負荷和冷熱源機房的運行效率是寒冷地區的公共建筑節能的關鍵環節，并且節能潛力大。本文以某辦公樓為例，基于Revit軟件創建建筑模型，將模型導入綠建斯維爾軟件，按要求對模型進行相應的處理，應用節能設計（BECS）模塊，暖通負荷計算（BECH）模塊及能耗計算（BESI）模塊完成圍護結構的節能設計、負荷計算和能耗計算，為空調系統的設計和能耗分析奠定基礎。

1 某辦公樓圍護結構的節能設計

1.1 建筑模型的建立、導入與處理

應用Revit建筑模塊完成某辦公樓建筑模型的建立，該辦公樓共6層，建筑高度24.30 m，建筑面積6385.33 m2，1層為開敞式辦公大廳，2至6層主要功能房間為辦公室、會議室等。建筑模型如圖1所示。

圖1 某辦公樓建筑模型圖

應用綠建斯維爾Revit外部插件將模型以“*.sxf”格式導入模擬分析軟件，經過核準三維信息、搜索房間、模型觀察、模型檢查和門窗整理等步驟處理成用做各個設計計算模塊的條件圖，如圖2、圖3所示。

圖2 某辦公樓條件圖

圖3 某辦公樓模型觀察圖

1.2 圍護結構的節能設計

以GB 50189—2005《公共建筑節能設計標準》寒冷地區圍護結構傳熱系數限值為標準[2]，經過節能設計和權衡判斷確定圍護結構性能參數見表1。

表1 圍護結構性能參數表

2 某辦公樓的空調負荷計算

2.1 氣象參數

根據GB 50736—2012《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》[3]確定錦州市地理位置（北緯41.13°，東經121.12°）和氣象參數（日照百分率67%，最大凍土深度108 cm），其他氣象參數見表2、表3。

表2 遼寧省錦州市氣象參數表

表3 遼寧省錦州市的峰值工況氣象參數

2.2 室內設計參數

以GB 50189—2005《公共建筑節能設計標準》寒冷地區圍護結構傳熱系數限值為標準設計[2]選定室內設計參數（見表4）、空調運行時間和內擾參數。以辦公人員工作時間為標準設定空調系統運行時間為8：00—18：00；人員、設備和照明等內擾參數按具體房間功能相應地設定，設備、照明運行時間8：00—18：00，發熱量根據設備功率進行設置；由于是辦公樓，人員活動主要以坐在辦公為主，因此室內人員的活動強度設為輕度勞動。人員在室率根據工作日和節假日注釋區分。照明和設備的開關時間逐時區分。空調系統未設置熱回收裝置，制冷機為螺桿式制冷機組，冬季由市政熱網供熱。

表4 室內設計參數表

2.3 全年負荷計算與分析

應用綠建斯維爾軟件對該辦公樓的全年負荷根據設定好的采暖期（11月1日—3月31日）和空調期（6月15日—9月15日）進行逐時模擬。全年熱負荷峰值為824 kW，全年冷負荷峰值為318 kW，全年潛熱負荷峰值為185 kW，如圖4所示。全年中最大熱負荷出現在1月2日；最大冷負荷出現在7月22日。

圖4 全年負荷圖

表5是制冷制熱設備在不同負荷下的工作時長。由表可見制冷設備75%負荷下的工作時長最長，長達343 h，其次是50%負荷工作時長227 h，25%負荷工作時長80 h和100%負荷工作時長72 h。制熱設備25%負荷下的工作時長最長，長達886 h，其次是50%負荷工作時長297 h，75%負荷工作時長45 h和100%負荷工作時長8 h。

表5 制冷制熱設備在不同負荷下的工作時長

計算結果顯示遼寧省錦州市全年的供暖需求占63%，供冷需求占37%。各個分項的供暖和供冷需求見表6。可見圍護結構傳熱對供暖需求最大，其次是冷風滲透，室內得熱和窗日射可降低冬季的供暖需求；而供冷需求最大的分項是室內得熱，其次是新風負荷，再次是窗日射，圍護傳熱供冷需求最小。

表6 各分項供暖供熱需求

3 某辦公樓的能耗計算

3.1 空調系統節能率

依據GB/T 50378—2014《綠色建筑評價標準》[4]計算該辦公樓的空調系統節能率。由設計建筑和參照建筑進行比對算出。參照建筑和設計建筑在外形、內部的功能分區、氣象參數、建筑的室內供暖空調設計參數、房間運行模式（人員、燈光和設備等）及圍護結構均保持一致。在供暖、通風和空調系統形式及冷熱源能效、輸配系統和末端方式上，設計建筑按照用戶設計要求設定，參照建筑則根據現有國家和行業有關建筑節能設計標準統一設定。通過分別計算和統計參照建筑與設計建筑在不同負荷率下的負荷情況，得出各自的全年空調系統耗電量及空調系統節能率。

空調系統節能率=（參照建筑全年空調系統耗電量-設計建筑全年空調系統耗電量）/參照建筑全年空調系統耗電量×100%。

空調系統形式為1層全空氣，2至6層雙管制風機盤管加新風，制冷系統采用水冷-螺桿式冷水機組，供暖系統采用市政熱力系統，計算結果見表7。設計建筑能耗中供暖電耗占59%，供冷電耗占29%，風機電耗占12%。

表7 空調系統節能率

3.2 建筑全能耗

建筑全能耗計算結果見表8。設計建筑總能耗中供暖電耗占27%，供冷電耗占10%，風機電耗占6%，其他電耗占57%。

表8 建筑全能耗

4 結束語

本文綜合應用BIM技術與綠建斯維爾軟件，對遼寧省錦州市某辦公樓進行了圍護結構節能設計、空調系統負荷計算與分析和能耗計算與分析，并將以此做為基礎進一步學習和研究BIM技術與綠色建筑的設計及評價，拓寬專業能力，為國家的雙碳目標達成盡份力量。