国内典型区域建筑能源系统经济和能耗指标比较分析

孙学锋，吴 伟，王 昊，殷晶晶（上海中建东孚投资发展有限公司， 上海 200125）

提升人居环境品质是满足人民日益增长的美好生活需要的必然要求，但高品质人居环境需要相应的能源消耗做支撑。2014～2016年，对中国家庭能源消费研究表明，用于改善人居环境品质的建筑能耗增加最为明显[1-3]。在建筑能耗总量控制背景下，建筑节能是实现建筑节能总体目标、缓解能源压力的重要措施。建筑节能技术研究受到广泛关注。影响建筑能耗的因素有 6 个方面，分别是气候、建筑围护结构、建筑设备、运行维护、人行为和室内环境品质高低[4]。近年来学者对绿色生态建筑的设计理论和方法展开了大量的研究工作，不同地区的学者结合当地气候特征，对当地建筑从选址、布局、建筑设计到环境调控设备选择等各个环节提出了系统的节能策略。

除了单体建筑节能技术的研究，采用自上而下的方式设定建筑能耗指标，通过政策管控引导措施促动建筑节能也是建筑节能工作的必然要求。目前国内外生态城、生态社区的项目实践中，广泛采用的与能源相关的指标主要集中在人均和单位 GDP 能耗指标、可再生能源占比、绿色建筑比重、人均 CO2排放量等几个方面。此类宏观指标对于把握建筑节能整体趋势和方向具有重要意义。但是，建筑能耗主要通过建筑能源系统的日常运行所产生，不同类型的建筑能源系统对于能源消耗有明显的区别，因此通过对不同气候区典型城市典型建筑采用常见能源系统时的能耗和经济指标进行比较分析，弥补了宏观指标缺乏个体针对性的缺点，有助于企业、政府有针对性地对建筑能源系统设计进行引导，改进和提升建筑节能工作。

本文基于投入产出分析的方法，利用单位建筑面积指标法，结合各类能源公允定价和建筑能源系统价格，将建筑能耗与经济指标进行量化，对典型城市、典型建筑、典型能源系统能耗指标和经济指标进行对比分析。研究成果有助于政府部门、开发单位、设计单位、运行单位在相应区域内的建筑能源系统设计获得一定的数据支撑，辅助建立符合气候分区、当地政策的针对性能源利用方案。

1 我国典型区域划分及典型城市选取

我国幅员辽阔，地形复杂，因地理纬度、地势等条件的不同，故各地气候悬殊。因此，针对不同的气候条件，各地建筑的节能设计对应不同的做法。炎热地区的建筑需要遮阳、隔热和通风，以防室内过热；寒冷地区的建筑则要防寒和保温，让更多阳光进入室内。为了明确建筑和气候两者的科学关系，GB 50352—2005《民用建筑设计通则》将我国划分为 7 个主气候区，20 个子气候区，并对各个子气候区的建筑设计提出了不同的要求。

具体到建筑热工设计，建筑围护体系热工性能应与地区气候相适应。GB 50176—1993《民用建筑热工设计规范》将我国划分为 5 个建筑热工设计气候区域，即严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区和温和地区。

考虑建筑能源利用，20 世纪 50年代，我国以北纬 33°附近的“秦岭-陇海线”为界，人为划分一条分界线。分界线北边的城市，会由政府统一安装集中供热系统，而分界线南边的城市，就采用家庭分户采暖的方式，由每家每户自行安装采暖系统。

建筑能源系统类型和能耗涉及负荷强度、能源系统形式、供能期及可再生能源资源条件。考虑到北方采暖地区冬季均通过集中供暖的系统形式，城市间的差异主要是寒冷程度差异导致的用能量差异，以及不同城市太阳能资源的利用量，对建筑能源系统形式没有本质的影响。南方非采暖区域主要是长江流域、珠江流域和西南云贵地区冬夏季能源需求存在较大的差异，对能源系统形式具有较大的影响。如长江流域夏热冬冷，需要兼顾冬季采暖和夏季供冷，珠江三角洲地区的广州、深圳等以夏季供冷为主，冬季几乎没有采暖需求，云贵地区气候温和，冬夏季能量需求均较小。

此外，不同建筑类型的建筑能源系统形式和用能特性差异较大。本文重点针对量大面广的住宅、办公和商业建筑进行分析。

综合气候分区、可再生能源资源状况，本研究典型城市和建筑类型的选取如表1 所示。对其住宅和综合体建筑用能进行分析。其中，非居住的城市综合体其各类建筑面积比例分别为商业占 30%、酒店占 30%、办公占 40%。

表1 典型城市和建筑类型选取

2 典型建筑全年负荷特性

采用 Dest 能耗模拟软件，按照 GB 50189—2015《公共建筑节能设计标准》的要求，结合中国建筑集团公司在各地的设计经验，设定建筑形体和建筑围护结构构造方法。结合各地建筑使用调研数据，设定建筑使用状况，包括使用时长、人员密度以及设备启停管理时间表，得到 3 个城市住宅和综合体建筑的能耗指标。对负荷强度指标、全年负荷分布特征进行比较分析。

2.1 负荷强度指标

3 个城市典型建筑的设计负荷指标如表2 所示。在能耗模拟时所设定的建筑信息的不同，导致冷热负荷指标存在一定的差异，但是经过调研数据修正负荷模拟计算的输入信息，负荷指标处于合理区间范围内且具有一定的代表性。

表2 典型城市典型建筑设计负荷 W/m2

2.2 全年负荷分布

瞬时负荷指标对于系统容量设计具有重要意义，是满足建筑需求的保证。但是该值更多体现了负荷的上限，不能体现全年实际供冷供热量。全年累积冷热需求及负荷的时间分布对建筑能源系统投入产出指标具有重要影响。

以上述设计负荷为准，3 个典型城市冷热负荷的负荷率变化分别如图1、图2 所示。建筑负荷率分布情况将北京、上海、广州 3 个城市的气候特征进行了量化呈现：广州地区冷负荷较大，且高负荷率时长较长，负荷率下降曲线较为平缓；上海地区次之；北京地区冷负荷率下降较快，即全年冷负荷较大的时段相对较短。

图1 3 个典型城市综合体建筑冷负荷负荷率分布的比较

图2 3 个典型城市综合体建筑热负荷负荷率分布的比较

3 典型建筑能源系统及其技术经济指标比较

3.1 典型建筑冷热源系统

基于对当前冷热源系统形式的调研，住宅建筑以分体式空调为主，除市政供热外较少采用集中式空调冷热源系统，在分析中仅就电驱动分体式冷暖空调的能耗和技术经济性进行计算 。综合体建筑采用的冷热源形式多样，本文分析对比 3 种较为典型建筑冷热源系统。① 变制冷剂流量的多联机系统。② 水冷冷水机组 + 燃气锅炉系统。③ 水冷冷水机组 + 冷热电三联产分布式能源系统（CCHP） + 燃气锅炉耦合系统。为分析比较，假设北京地区项目未接入市政供热，而是采用项目自建的冷热源满足建筑冷热需求。

3.2 建筑能源系统运行计算

基于项目逐时负荷，结合当地燃气和电力价格，利用伯克利开发的 DER-CAM软件对系统全年逐时运行状态进行模拟计算，得到全年运行结果。

为便于比较，将供冷、供热通过冷热定价的方式作为建筑能源系统产出的收益。经过调研，设定的能源价格信息如表3 所示，各类建筑能源系统设备成本信息如表4 所示。

表3 典型城市能源价格

表4 典型建筑能源系统设备价格

上述 3 种典型建筑能源系统中，包含 CCHP 的建筑能源系统包括多种冷热生产设备，在全年运行模拟中，其运行调控策略为优先开启该时刻供能成本最低的设备，不足时选用供能成本次低的设备，直至所有设备均开启进行供能。

3.3 典型建筑能源系统技术经济指标比较

基于 3 个典型城市典型建筑逐时负荷、各类能源价格、各类设备价格信息，经过 DER-CAM 对建筑能源系统进行全年逐时运行模拟计算，得到各建筑能源系统技术经济指标如图4、图5 所示。

图4 综合体建筑不同能源系统能耗和经济性比较

从图3、图4 可以看出，同样的建筑能源系统应用于不同城市的同类建筑中，其经济指标具有较大的差异。总体上，年冷热需求越大的城市，系统能耗越大，经济指标越好。

图3 3 个典型城市住宅建筑能源系统能耗和经济性比较

4 结 语

利用 Dest 建筑负荷模拟软件，结合某建筑集团的设计工程实践，对典型城市典型建筑全年逐时负荷进行模拟计算，得到了典型城市典型建筑全年逐时负荷的强度特征和负荷率分布特征。基于典型建筑的全年逐时负荷值，结合能源价格、各类建筑冷热源设备价格和能效参数，通过设备全年逐时运行仿真计算，得到了典型城市典型建筑能源系统的年能耗指标和经济指标，得出如下结论。

（1）除了建筑冷热负荷设计值之外，建筑全年逐时负荷的负荷率分布也具有重要的意义，负荷率分布可以更准确地反映当地自然气候特征。

（2）建筑能源系统的经济性指标与能耗指标在某些情况下是矛盾的，建筑能耗越高，正常情况下建筑能源系统供能量越大，设备投入产出的经济回报越好。

（3）建筑能源系统经济性受到众多因素的影响，特别是能源价格的因素，不同城市不同建筑需要进行有针对的分析，不能基于既有项目经验简单借鉴经济上最适用的系统形式。