中国建筑设计研究院创新科研示范楼绿色节能设计优化分析

文/中国建筑设计咨询有限公司 李新中 吴越超 刘 敏

0 引言

中国建筑设计研究院（集团）创新科研示范楼设计之初要求获得我国绿色建筑三星级认证，达到“四节一环保”要求。其中针对节能与能源利用，要求满足“建筑设计总能耗低于国家批准或备案的节能标准规定值的80%”。基于此，在公共建筑节能设计标准基础上进一步采取措施以提高节能率。

基于项目的地域特点、用能要求和负荷特性，对创新科研示范楼建筑总能耗进行深入分析。从绿色建筑节能和环保角度出发，充分论证相关节能技术在本建筑的适用性及有效性，通过对围护结构热工性能、外遮阳、照明和空调系统进行模拟优化，分析各项节能措施对降低能耗的效用，为设计提供建议，使项目达到真正的节能与绿色。

1 基准建筑能耗分析

中国建筑设计研究院（集团）创新科研示范楼总建筑面积40910.7m2，其中地上面积22199.9m2，地下面积18710.8m2，地下4层，地上15层，建筑高度60m（见图1）。采用DeST模拟分析软件对其负荷进行计算，在设计条件下设置边界条件，结果如表1所示。

图1 中国建筑设计研究院（集团）创新科研示范楼建筑效果

考虑到建筑的使用规律，可采光面积对应的采光小时数为1590h。结合不同类型房间照明功率密度值要求，计算得出基准建筑照明电耗为628747kW·h。

基准建筑空调系统形式为电制冷冷水机组，末端形式为新风+风机盘管系统。根据GB/T 17981—2007《空气调节系统经济运行》，空调系统能效比取3.1，同时电量折算标煤采用等效值法，计算得到基准建筑总能耗为481.36吨标煤。如表2所示，创新科研示范楼的制冷能耗、采暖能耗和照明能耗分别占建筑总能耗的34.2%、26.2%和39.6%。

2 研究技术路线

根据能耗组成特点，节能设计主要从围护结构热工性能、外遮阳系统、空调系统和照明系统等4方面进行考虑，技术路线如图2所示。

表1 基准建筑负荷模拟结果

表2 基准建筑能耗统计结果

图2 技术路线分析

3 节能措施敏感性分析

3.1 提高围护结构热工性能

在基准建筑基础上，提高围护结构的热工性能，各工况参数设置如表3所示。

在其他边界条件不变的情况下，各工况全年能耗计算结果如表4所示。可见，随着围护结构热工性能提高，制冷能耗增加，采暖能耗降低，总能耗呈下降趋势，3种工况下分别降低2.3%、4.6%和5.8%。

3.2 采取外遮阳措施

创新科研示范楼大量采用玻璃幕墙和外窗（窗墙比约0.7），建筑通过外窗辐射得热在建筑得热中占较大比例，因此应采取遮阳措施，降低辐射得热。基准建筑外窗遮阳系数SC为0.45，在此基础上，采取外遮阳措施，降低外窗遮阳系数，各工况参数设置如表5所示。

表3 不同工况下围护结构传热系数 W/（m2·K）

表4 提高围护结构热工性能对能耗的影响

表5 不同工况下遮阳系数SC值

表6 外遮阳措施对能耗的影响

表7 不同工况下照明功率密度值 W/m2

表8 降低照明功率密度对能耗的影响

在其他边界条件不变的情况下，各工况全年能耗计算结果如表6所示，可见，随着遮阳系数降低，采暖能耗增加，制冷能耗下降幅度较大，总能耗呈下降趋势，3种工况下分别降低1.7%、2.2%和3.1%。

3.3 降低照明功率密度

根据建筑能耗计算结果，照明能耗约占建筑总能耗39.6%，因此在保证照明质量的前提下应尽量减小照明功率密度（LPD），采用高效节能灯具，并结合自然采光分区智能控制。在基准建筑的基础上，降低照明功率密度，各工况参数设置如表7所示。

在其他边界条件不变的情况下，各工况全年能耗计算结果如表8所示。可见，随着照明功率密度降低，采暖能耗增加，制冷能耗和照明能耗均降低，总能耗呈下降趋势，3种工况下分别降低3.3%、5.3%和7.5%。

3.4 提高空调系统能效比

在基准建筑的基础上，分别提高空调系统能效比（COP）至3.5、4.0和4.5。

在其他围护结构热工性能参数不变的情况下，各工况全年能耗计算结果如表9所示。可见，随着空调系统能效比提高，3种工况下全年总能耗分别降低3.9%、7.7%和10.6%。

表9 提高空调系统能效比对能耗的影响

4 节能优化方案效果分析

基于节能措施敏感性分析，提出节能优化方案如表10所示。

节能优化方案下，相比基准建筑，设计建筑每年可节约标煤107.03t，节能率为22.2%，达到绿色建筑的节能要求（见表11）。

表10 设计建筑采取的节能措施

表11 设计建筑全年能耗统计结果

5 结语

基于创新科研示范楼的运行特点，其制冷能耗、采暖能耗和照明能耗分别占建筑总能耗的34.2%、26.2%和39.6%，采用提高围护结构热工性能、降低照明功率密度、采取外遮阳措施和提高空调系统能效比等措施，有效降低了建筑总能耗，每年可节约标煤107.03t，节能率22.2%，达到绿色建筑要求（见图3）。

图3 创新科研示范楼外立面及夜景效果