建筑节能设计中的办公楼能耗模拟与分析

张建飞，马金良，丛满义，杜 旭

(机械工业第六设计研究院有限公司 数字化工程院，河南 郑州450007)

随着城市化进程的不断加快，我国已经成为全球第二大能源消耗国，建筑能耗在社会能耗中占很大部分，根据相关数据统计，大型公共建筑面积虽然只占城镇建筑总面积的5%～7%，但是其能耗却占全国建筑总能耗的20%～25%[1-3]，因此对公共建筑能耗情况进行研究意义重大。根据建筑能耗特性，可将办公建筑用能系统分为空调系统、照明插座系统、动力系统、特殊用电系统等[4-5]。其中，空调系统主要包括制冷机组、冷冻水泵、冷却水泵、空调末端、新风系统等；照明插座系统包括公共区域、办公区域照明和其他形式用电的办公设备等；动力系统包括电梯、水泵、通风机等；特殊用电系统主要指建筑内餐厅、信息机房的用电设备[6]。

能耗模拟是分析建筑节能潜力的有效手段，可用于节能措施的定量分析，它不仅能指导节能改造工作，还可为新建建筑提供参考[7]。本文将采用Design Builder软件[8-10]模拟计算西安市某办公楼符合现行公共建筑节能设计要求的节能率，以指导建筑节能设计。

1 建筑概况

本文选取的西安市某办公楼位于西安高新技术产业开发区，建筑面积为6 270.78 m2，建筑高度为13.60 m，地上主体为2层、局部为3层；建筑空调冷热源采用水源热泵空调机组，夏季制冷的供回水温度为7 ℃/12 ℃，冬季供热的供回水温度为45 ℃/40 ℃；空调机组的末端是风机盘管加新风系统，新风机组采用全热新风交换器。其运行模式依据公共建筑节能设计标准[11]确定。该办公楼的一、二层建筑高度为5.0 m，局部三层建筑高度为3.6 m，体形系数为0.21。西安市某办公楼的建筑物几何模型如图1所示。

图1 西安市某办公楼的建筑物几何模型

2 建筑设计相关参数

采用Design Builder软件进行模拟计算时，需依据建筑所在地的室外气象参数，设置建筑围护结构热工参数、室内设计参数(如温湿度、新风量、人员密度、电器功率)、照明系统和空调系统的设计参数等。模拟对象为参照建筑和设计建筑。参照建筑采用公共建筑节能设计标准中要求的限值，设计建筑采用实际设计参数。

2.1 气象数据

气象数据来源于清华大学和中国气象局的数据库，是国内的实测数据。某办公楼所在地典型气象年的气象数据如图2所示。

图2 典型气象年的气象数据

2.2 围护结构热工参数和室内设计参数

参照建筑和设计建筑的围护结构热工参数见表1—表3。参照建筑和设计建筑的室内设计参数如表4所示。

表1 幕墙、屋顶透明部分的传热系数和遮阳参数

表2 屋面、外墙的传热系数 W/(m2·K)

表3 地面、地下室外墙的热阻 m2·K/W

表4 室内设计参数

2.3 照明系统和采暖空调系统设计参数

建筑照明系统的设计参数如表5所示。它包括建筑主要功能房间照明功率的现行值和设计值。建筑工作制(图3)依据公共建筑节能设计标准确定。

表5 建筑照明系统的设计参数 W/m2

(a) 照明逐时开启率柱状图

(b) 人员逐时在室率柱状图图3 建筑工作制

参照建筑水源热泵制冷量为479.0 kW，制冷系数为4.10，制热量为460.2 kW，制热系数为4.10；设计建筑水源热泵制冷量为479.0 kW，制冷系数为7.08；制热量为460.2 kW，制热系数为4.84。

3 建筑能耗模拟与分析

通过建筑能耗模拟，参照建筑照明系统全年累计能耗为176 465.93 kWh；合理降低照明功率后，设计建筑照明系统全年累计能耗为127 957.01 kWh，比参照建筑照明系统全年累计能耗降低了27.49%。

通过提高围护结构的保温性能，降低墙体、门窗、屋面的传热系数，采用变频水泵、变频风机，提高热泵机组的制热制冷系数，将排风热回收技术用于新风系统等，参照建筑采暖空调系统全年累计能耗为572 453.47 kWh，设计建筑采暖空调系统全年累计能耗为279 352.10 kWh。相比参照建筑，设计建筑采暖空调系统全年累计能耗降低了51.20 %。建筑采暖空调系统逐月能耗如图4所示。

(a) 参照建筑

(b) 设计建筑图4 建筑采暖空调系统逐月能耗

对建筑能耗模拟可得：参照建筑全年累计总能耗为1 187 161.17 kWh；设计建筑全年累计总能耗为843 847.34 kWh；设计建筑的节能率达28.92%。建筑逐月综合能耗如图5所示。

(a) 参照建筑

(b) 设计建筑图5 建筑逐月综合能耗

4 结 论

(1) 本文利用Design Builder软件建立了办公楼的建筑物几何模型，介绍了建筑物的围护结构热工参数和采暖空调系统运行情况，对参照建筑和设计建筑进行了模拟分析，通过计算得出了参照建筑和设计建筑的照明系统能耗和采暖空调系统能耗。

(2) 参照建筑全年累计总能耗为1 187 161.17 kWh，设计建筑全年累计总能耗为843 847.34 kWh。相对参照建筑来说，设计建筑的节能率为28.92%。

(3) 在建筑设计时，办公楼的主要节能措施包括：①提高围护结构(包括墙体、门窗及屋面)的保温性能，以达到减少围护结构能耗，降低室内空调负荷的目的；②提高主机能效比和锅炉效率等，以提高能源利用效率；③采用水泵变频、风机变频等技术；④合理设置排风热回收系统；⑤采用节能照明系统。