寒冷地区某机关办公建筑节能潜力分析

陈为花孙毅张浩

(1.山东建筑大学 热能工程学院，山东 济南250101；2.中国电建集团核电工程有限公司，山东济南250100；3.山东省绿色建筑协同创新中心，山东 济南250101)

0 引言

随着经济增长和人们生活水平的提高，对全球能源的需求不断增长。 其中，一次能源消费量在持续的增加，而我国贡献的增长量超过了30%[1]。 由于能源需求的增长来源于不同行业，其中建筑是全球能源的主要终端用户之一，在能源转型中承担重要角色。 目前建筑行业消耗已经占全球能源及原料消耗的30%[1]。

建筑行业用能重要性持续提升，其中制冷、照明和电气耗能显著增加，建筑能源消费增长更加强劲，预测到2040 年将升至能源消费总量的约1/3[2]。我国的建筑行业能源消耗已超过全国总能耗的20%，其中公共建筑的增长迅速，总商品能耗超过2.8 亿tce(吨标煤)[3]，是建筑节能研究的重点。

政府机关办公建筑是公共建筑的主要类型之一。 在东营市调研过程中，发现该类建筑大多建造年代较早，存在围护结构无保温、设备老旧等问题，具有很大的节能潜力[4-6]。 调研后，选取某典型政府机关办公建筑，针对其能耗现状进行节能潜力分析，为寒冷地区政府机关办公建筑节能改造提供依据。

1 某政府机关办公建筑能耗概况

某政府机关办公建筑建造于2002 年，总面积为6 957 m2，地上10 层，朝向为北。 建筑为框架结构，墙体材料为砖砌体与加气混凝土，外墙无保温，窗户为普通双层中空玻璃，窗框材料为塑钢，其有内遮阳而无外遮阳。 对比GB 50189—2015《公共建筑节能设计标准》[7]中围护结构热工参数限值可知，该建筑围护结构热工性能均超过节能设计参数限值，具有一定的节能潜力。 冬季采用市政热网供暖，末端为风机盘管，夏季采用磁悬浮离心式冷水机组制冷，空调形式为风机盘管加新风系统。

2016—2018 年此建筑逐月耗电量及平均月耗电量如图1 所示。 2016—2018 年用电趋势一致，6 ～9 月是用电高峰期，为夏季空调使用季节；3、11 月用电量较其他非空调季节月份略有升高，主要原因为供暖开始前与结束后用房间空调器进行辅助供暖；其他月份用电量平稳，波动小。

建筑能耗指标见表1，平均单位面积耗电量指标为50.04 kWh/(m2·a)，平均单位面积耗水量指标为0.93 m3/(m2·a)。 近3 年的单位面积耗电量、耗水量指标接近，建筑耗电量、耗水量稳定，可以反映建筑实际用能情况。

该建筑用能系统为建筑用电系统和采暖用能系统，公共建筑能耗不包括冬季采暖能耗[8]。 主要用能设备见表2～4，能源消耗均为电能，包括照明及办公设备用电、空调用电及电梯耗电等，形式比较单一。 由于建筑内无能耗分项计量系统，无法得到各系统准确的实际用能数据。 结合建筑用电分布，可将其总能耗近似分为空调能耗、办公能耗(包括照明、办公设备及电梯等)。 办公能耗全年相对稳定，可取过渡季节月能耗的平均值。 空调能耗为空调季总能耗与办公能耗的差值，由此可得空调系统能耗的估算值[9]。 过渡季节月平均耗电量为16 224 kWh，空调季总耗电量为207 294 kWh，则空调耗电量的估算值为191 070 kWh，占建筑总能耗的55%，能耗占比较大。 单位面积空调年耗电量为29.4 kWh/(m2·a)。

图1 2016—2018 年建筑逐月耗电量及平均月耗电量图

表1 建筑能耗指标表

表2 建筑主要用能设备参数表

表3 建筑照明设备参数表

表4 建筑办公用能设备参数表

2 模拟结果分析

利用建筑热环境设计模拟工具包(Designer's Simulation Toolkit，DeST)模拟建筑建模、负荷及能耗。建模过程中依据实际情况简化建筑模型[10]。 模拟所需气象参数、围护结构参数、室内参数、人员照明设备作息参数均依据实际情况设置。

2.1 负荷模拟结果

利用DeST 模拟建筑全年的空调逐时负荷，结果如图2 所示。 建筑空调最大逐时热负荷为691.96 kW，最大逐时冷负荷为586.00 kW，分别出现在1 月21 日和8 月9 日，对应于室外温度最低和最高的时间段。 建筑全年累计热、冷负荷分别为558 672.06、281 258.86 kWh；全年最大热、冷负荷指标分别为106.67、90.25 W/m2。

2.2 能耗模拟结果

由DeST 模拟得到建筑年能耗为36.2×104kWh/a，而单位建筑面积年能耗为51.9 kWh/(m2·a)。 模拟所得逐月能耗的分布变化趋势如图3 所示。 DeST 模拟所得的逐月耗电量与该建筑近3 年实际逐月耗电量的平均值接近，其最大偏差＜20%，因此该模型可以反映建筑实际能耗情况。

图2 全年逐时空调负荷图

图3 2016—2018 年建筑月平均耗电量图

2.3 空调季负荷特性分析

建筑负荷大小决定了空调设备容量大小，降低建筑负荷可降低空调设备容量。 由调研可得，该建筑空调面积(6 492.80 m2)占建筑总面积的93.3%，空调供冷时间为6 月15 日至9 月15 日。 建筑空调季瞬时冷负荷模拟结果如图4(a)所示，以建筑瞬时冷负荷占最大瞬时冷负荷比例d分析建筑空调冷负荷分布情况，如图4(b)所示。 建筑瞬时冷负荷超过最大瞬时冷负荷80%的小时数占空调季总小时数的3%，而＞60%的占13%，主要出现在7 月初至8 月中旬；空调季87%的时间内，瞬时冷负荷低于最大瞬时冷负荷的60%，其中低于最大瞬时冷负荷30%的小时数占47%。 由此可知，该建筑空调季＞80%的时间处于部分负荷状态。

图4 空调季逐时冷负荷图

2.4 负荷影响因素分析

影响建筑负荷的因素众多，且不同因素的影响程度不同，可通过正交试验分析各个影响因素对建筑负荷的影响程度。 选取7 个影响因素进行分析，各个因素及其相应的水平见表5，其中S、N、E、W 分别代表南、北、东、西，表明建筑不同朝向。

表5 建筑负荷影响因素及其相应水平表

选用L16(43×26)正交试验表格进行试验[11]。试验指标为建筑全年负荷。 由DeST 软件模拟得到建筑全年负荷，结果见表6。 其中，Ki为任一列水平号为i时，所对应的试验结果之和；ki为任一列水平因素取水平i时所得的试验结果的算术平均值；R为极差，在任一列上R＝max{k1，k2，…，ki}-min{k1，k2，…，ki}，表示该列因素的数值在试验范围内的变化，极差越大，会导致试验指标在数值上更大的变化。 由试验结果可得，在已分析的影响因素中，其影响程度的大小依次为:外墙传热系数、新风指标和照明密度；其他因素对建筑负荷的影响程度依次为:窗墙比＞外窗传热系数＞设备密度＞遮阳系数。 该结果将指导建筑节能潜力的进一步分析。

表6 建筑负荷影响因素正交试验表

3 节能潜力分析

从建筑围护结构、空调系统、照明系统等3 个方面，以建筑实际状况为基准，模拟分析了采取节能措施后相对实际运行建筑的节能潜力。

3.1 建筑围护结构节能潜力

针对建筑围护结构，根据负荷影响因素分析结果，选取对建筑负荷及能耗影响相对大的外墙、外窗两个影响因素，分析建筑的节能潜力。

3.1.1 建筑外墙节能潜力

建筑外墙节能改造有外墙外保温、内保温。 外墙外保温可保护外墙主体结构，且室内温度波动较小，热稳定性好，不易形成热桥，可避免室内装修对保温层的破坏，便于对旧建筑物进行节能改造[12]。 该政府机关建筑外墙为砖砌体与加气混凝土砌块的复合墙体，无外保温，外墙传热系数为1.246 W/(m2·K)，远大于节能标准中≤0.5 W/(m2·K) 的要求。 为研究外墙节能潜力，建筑外墙结构添加了60 mm 的膨胀珍珠岩外保温层后，传热系数为0.481 W/(m2·K) ，满足规范要求。

模拟的添加保温层后建筑全年负荷结果见表7。 外墙外保温后，外墙的传热系数降低，建筑全年累计总负荷降低了10%。 其中全年最大热负荷降低8%，而建筑全年最大冷负荷略微增长；建筑全年累计热负荷降低了17%，而建筑全年累计冷负荷相较于建筑外墙未进行保温层设计时增加了5%，这是因为建筑外墙传热系数降低，建筑的热惰性增大，建筑室内热环境的稳定性增强，冬季热损失变小利于保暖，而夏季建筑散热变差。 因此，外墙节能改造后，夏季可通过夜间自然通风进行散热[13]。 综上可知，改变建筑外墙结构，降低外墙传热系数，对降低建筑热负荷效果显著。

表7 不同外墙结构的建筑全年负荷表

3.1.2 建筑外窗节能潜力

由前述建筑负荷影响因素分析结果得，建筑外窗对负荷影响很大。 通常情况下，建筑一经建成后窗墙比很难再改变，将主要研究外窗类型的节能潜力。 建筑实际的外窗类型为普通中空玻璃，窗框为铝合金窗框，其外窗传热系数及太阳得热系数均超过节能要求。 选择几种不同类型外窗玻璃进行模拟分析，其类型及相应的热工参数见表8。

表8 不同外窗玻璃及其热工参数表

利用软件DeST 对所选的不同外窗玻璃类型通过控制变量法逐一进行模拟[14]，得到不同外窗玻璃类型下建筑全年累计热负荷、全年累计冷负荷及全年总负荷，其随外窗传热系数的变化如图5 所示。该建筑全年总负荷随着外窗玻璃传热系数降低而降低。 全年累计热负荷同样随着外窗玻璃传热系数的降低而降低，但外窗玻璃传热系数由1.7 W/(m2·K)降至1.4 W/(m2·K) 时，基本不发生变化。 建筑全年累计冷负荷开始时随着外窗玻璃传热系数降低而降低，但随着外窗玻璃传热系数继续降低，全年累计冷负荷有所升高，为研究其原因，进一步分析外窗玻璃参数对建筑全年冷、热负荷的影响。

图5 建筑全年负荷随外窗传热系数变化规律图

建筑全年累计冷、热负荷随外窗玻璃传热系数及遮阳系数(Shading Coefficient，SC)值的变化情况如图6 所示。 建筑全年累计热负荷随外窗玻璃传热系数的降低而降低，与外窗玻璃遮阳系数SC 值的变化相关性较弱，可见外窗玻璃的SC 值对建筑热负荷影响较小，建筑热负荷主要受外窗玻璃传热系数影响。 随着外窗玻璃传热系数降低，建筑全年冷负荷先降低后升高，与外窗玻璃SC 值变化趋势一致，可知建筑冷负荷受外窗玻璃的SC 值影响大于传热系数。

图6 热、冷负荷与外窗玻璃参数关系图

3.2 空调系统节能潜力

由前述建筑能耗情况分析可知，空调系统能耗占建筑总能耗的比重较大。 空调系统的设计及运行不合理都会导致建筑能耗增加，其优化对建筑节能至关重要[15]。 空调系统的节能潜力分析可从空调系统的各个环节进行，包括建筑室内空调温度的设定、系统的新风形式等。 空调温度的设定可以从源头减少空调能耗，系统新风形式及是否存在热回收等节能技术都会对建筑能耗产生影响。

3.2.1 室内温度设置

空调季在满足人体舒适性的前提下，应适当提高室内设计温度，降低建筑负荷，从而减少建筑能耗[16-20]。 在建筑其他参数不变的情况下，分析建筑空调室内设计温度对建筑能耗的影响。 现选取空调室内温度分别为24、26、28 ℃时进行模拟，结果如图7 所示。

图7 不同空调室内温度下空调季空调能耗图

建筑空调能耗随着空调室内温度的升高而下降。 空调室内温度为24 ℃时建筑空调能耗为19.59×104kWh/a，升高2 ℃(即26 ℃)后建筑能耗降低了11%，再升高2 ℃(即28 ℃时)后建筑能耗降低了16%。 由此可知，调整空调室内温度对建筑空调能耗影响显著。 在实际使用空调的过程中，可在满足人体舒适性的前提下，适当提高空调温度，降低室内外温差，从而减少建筑能耗。

3.2.2 新风热回收装置

空调系统中新风负荷占比较大，相应的新风系统能耗占比较大，因此需要控制新风量及利用新风热回收装置等节能技术，以降低新风能耗，从而降低空调能耗。 该建筑空调系统中新风不承担室内负荷，现对新风机组添加全热回收装置(夏季焓回收率为66%、温度回收率为70%、额定功率为1.6 kW)进行能耗模拟，对比分析新风热回收对空调能耗的影响。 模拟结果如图8 所示，增加新风热回收装置后，建筑空调总耗电量减少2.78×104kWh，相对无新风热回收时降低了23%；6 ～9 月份有不同程度降低，分别为24%、18%、19%和39%。 可见新风热回收对降低空调能耗有显著效果。

图8 有无新风热回收空调逐月能耗对比图

3.3 照明系统节能潜力

公共建筑照明系统能耗约占总能耗的10%～40%。 照明系统能耗不仅占比较高，且照明系统会增加空调系统能耗。 根据模拟结果可知，该建筑照明系统能耗占建筑总能耗的30%。 所以减少照明系统能耗也是降低建筑总能耗的重点方向[21-22]。

在建筑实际运行中，更换更为节能的灯具类型，可以达到40%的相对节能潜力[23]。 随着节能灯具的发展，商用发光二极管(Light Emitting Diode，LED)节能灯的光效已达到100 lm/W[24]。 该光效下，5 W/m2的照明功率密度即可满足建筑照度要求。 模拟更换光效为90 lm/W 的LED 节能灯后，建筑的相对节能潜力见表9。 更换节能灯具后，空调能耗有所降低，照明系统能耗降低了55.59%，建筑总能耗降低了17.63%，节能效果十分可观。 在满足照度的要求下，除更换节能灯具外，充分利用自然采光，通过行为节能的方式做到人走灯灭，也可有效降低照明系统能耗。

表9 照明系统节能潜力表

4 结论

采用控制变参数法，从建筑围护结构、空调及照明系统3 个方面分析了典型政府机关办公建筑的节能潜力，得到如下结论:

(1) 降低建筑外墙传热系数至满足规范节能要求，建筑全年累计冷负荷有所增加，逐时最大冷负荷并无变化，而全年累计热负荷降低了17%，逐时最大热负荷降低了8%，降低了对空调设备容量的要求，且建筑全年累计总负荷降低了10%；降低外窗玻璃的传热系数，建筑全年累计负荷逐渐降低，变化比较平缓；全年累计热负荷随外窗玻璃传热系数降低而降低，呈线性变化趋势；全年累计冷负荷随外窗玻璃遮阳系数SC 值降低而降低；建筑热负荷相对主要受外窗玻璃传热系数影响，建筑冷负荷受外窗玻璃的遮阳系数SC 值影响大于传热系数。

(2) 调整空调室内温度对建筑空调能耗影响较为显著，空调室内温度由24 ℃提高至26 ℃，建筑能耗降低了11%，由26 ℃升高至28 ℃时，建筑能耗降低了16%；因此在满足人体舒适性的前提下，可适当提高室内空调温度，有效降低建筑能耗。 新风热回收技术可明显减少空调能耗，增加新风热回收装置，建筑空调季空调总耗电量减少了2.78×104kWh，相对无新风热回收时降低了23%。

(3) 模拟更换高效的节能灯具后，建筑照明系统能耗降低了55.59%，且空调能耗有所降低，建筑总能耗降低了17.63%，节能效果十分可观。 在建筑实际运行中，在满足照度的要求下选择合适照明功率并充分利用自然采光，通过行为节能的方式做到人走灯灭，可有效减少照明系统能耗。