广州地区绿色办公建筑能耗控制目标研究

苏 斌，周 荃，张昌佳

（广东省建筑科学研究院集团股份有限公司 广州 510500）

0 引言

随着社会的发展和人民生活水平的提高，建筑能耗也大幅增加，能源紧缺和环境污染问题日益严峻。《中国建筑能耗研究报告（2019年）》数据显示，2017年全国建筑能耗（标准煤）约9.47 亿t，占全国能源消费总量的21.11%［1］。绿色建筑被认为是解决建筑能源消耗的一个有效途径，绿色建筑评价体系则是绿色建筑发展的重要依据［2-3］。

近些年，我国绿色建筑发展迅速。截止2017 年，全国获得绿色建筑标识的项目面积超过10 亿m2。但同时存在一些问题，例如获得运行标识的项目占比很低，仅占6%左右［4-5］；老百姓对绿色建筑的获得感不高等等。因此，绿色建筑的实际运行效果是行业和普通老百姓共同关注的重要问题，绿色建筑评价应该以实际效果评价为主。建筑节能是绿色建筑最重要的方面之一，绿色建筑是否节能也是备受关注的问题，因此很有必要研究并提出绿色建筑的能耗控制目标，并用于比较绿色建筑的能耗水平，评价其节能效果。

1 研究方法与对象

1.1 研究方法

为确定绿色建筑的能耗控制目标，采取数值模拟的方法，选定典型的绿色建筑项目，依据该项目的实际建筑信息建立进行能耗模拟的建筑模型，将通过能耗模拟计算获得的模拟能耗，与该项目的实际运行能耗进行比对，并以实际运行能耗数值为依据反向校正能耗模拟中的建筑模型，使模拟能耗与实际能耗基本一致，完成数值模型的校正。然后将《绿色建筑评价标准：GB/T 50378—2019》中不同星级绿色建筑对建筑设计参数和运行管理模式的节能技术要求作为数值模型的边界条件，进行数值模拟分析与计算，从而获得不同星级绿色建筑对应的模拟能耗值，并将该模拟能耗值与同类建筑的能耗大数据进行正态分析，获得该模拟能耗值在同类建筑能耗中所处的水平，作为绿色建筑的能耗控制目标。

1.2 研究对象

办公建筑作为绿色建筑最主要的建筑类型，针对其制定能耗控制目标对建筑节能工作的意义最大。为使能耗控制目标更为准确，将办公建筑细分为超高层办公建筑（建筑高度大于100 m）与普通办公建筑2种类型，并分别制定适用的能耗控制目标。

选取的2 栋办公楼均为三星级绿色建筑，且投入使用时间在3年以上，已达稳定运行阶段。

⑴广州某超高层商业办公楼：该项目总建筑面积为80 149.32 m2，地下3 层，地上37 层。该项目外墙填充墙采用加气混凝土砌块，建筑屋顶采用页岩陶粒混凝土，玻璃采用Low-E 中空玻璃并搭配可调节遮阳；空调系统冷源选用常规高效水冷螺杆式冷水机组，热源选用风冷螺杆式热泵机组。空调末端全空气送风系统或风机盘管加新风系统。

⑵ 广州某检测实验大楼：该项目总建筑面积17 366.4 m2，建筑地下3层，地上12层。该项目外墙采用自保温加气混凝土材料，屋顶采用轻质绝热陶瓷保温板，并覆盖一定比例的种植屋面；玻璃采用铝合金双银Low-E 中空玻璃并搭配可调节遮阳；空调系统常规高效离心式冷水机组，热源选用风冷螺杆式热泵机组。空调末端全空气送风系统或风机盘管加新风系统。

2 模型校准

2.1 模型校准方法

借鉴张沁宜等人［6］的模型校准方法，针对上述目标建筑，利用Design Builder 软件（使用Energy Plus 内核）进行模拟。根据项目竣工验收图纸和说明文件以及相关国家标准，建立目标建筑的设计模型，得到设计阶段预测运行能耗。后续的能耗校准主要从照明和设备、空调2个部分进行，首先根据照明和设备的逐月监测能耗数据，对设计模型中的照明和设备能耗部分进行校准；之后再对空调能耗进行校准，从室内人员设备、室内温度、空调系统COP、新风量和渗漏量等多方面进行；最后在模型校准完成后，对比实际模型得到的模拟能耗和实际监测能耗，通过平均偏差误差（MBE）判断校准模型的准确性。

判断校准结果准确性的2个统计指标计算式如下［7］：

式中：S为模拟值；M为测量值；下标in 代表采集到建筑能耗计量数据的最小时间间隔单元。例如针对建筑全年逐月的能耗进行模拟校准的准确度衡量，（S-M）in中的S和M分别为逐月能耗的模拟值和实际测量值。

ASHRAE［8］、IPMVP［9］和DOE［10］对于上述统计指标提出了不同的限定，MBE分别为±5%，±20%，±5%。

若模型偏差在标准范围内，则可认为建筑模型能基本反映其实际运行情况，模型校准成功。

2.2 照明和设备能耗校准

根据项目竣工图纸和说明文件中的照明能耗密度设计值设定设计模型中照明的相关参数，根据《民用建筑绿色性能计算标准：JGJ/T 449—2018》附录C设定设计模型中设备的相关参数和作息时间，并对建筑照明和设备能耗进行模拟，与能耗逐月监测数据进行对比校验。最后依据实际调研情况，重新设置室内照明功率密度和设备作息时间，实现照明和设备模拟能耗的校准。超高层办公建筑模型照明和设备能耗校准检验结果如图1 所示，模型校准前逐月校准指标MBE为6.50%，模型校准后的MBE为-0.07%。

图1 超高层办公建筑模型照明和设备能耗校准检验Fig.1 Calibration Inspection of Lighting and Equipment En⁃ergy Consumption for Super High-rise Office Building Models

2.3 空调系统能耗校准

空调系统的能耗校准涉及建筑实际室内人员密度、空调系统作息、室温、新风量、建筑气密性等多项参数，需要结合实地调研测试结果，实现模型设置与实际运行的一致。超高层办公建筑模型空调系统能耗校准检验结果如图2 所示，模型校准前逐月校准指标MBE为-3.56%，模型校准后MBE为-0.97%。

图2 超高层办公建筑模型空调系统能耗校准检验Fig.2 Calibration Inspection of Air Conditioning System Energy Consumption for Super High-rise Office Building Models

普通办公建筑的模型采用相同的方法进行校准，校准结果如图3、图4 所示。普通办公建筑照明和设备模拟能耗校准前逐月校准指标MBE 为36.23%，模型校准后MBE 为-0.27%；空调系统模拟能耗校准前逐月校准指标MBE 为-25.37%，模型校准后MBE 为0.12%。

图3 普通办公建筑模型照明和设备能耗校准检验Fig.3 Calibration Inspection of Lighting and Equipment Energy Consumption for Ordinary Office Building Models

图4 普通办公建筑模型空调系统能耗校准检验Fig.4 Calibration Inspection of Air Conditioning System Energy Consumption for Ordinary Office Building Models

由表1可知，校准后的模型空调系统能耗MBE小于1%，满足ASHRAE标准中MBE在±5%以内的要求，因此认为校准后的模型可靠。通过上述模型校准分别获得了超高层办公建筑和普通办公建筑的典型数值模型，用于后续能耗控制目标的制定。

表1 办公建筑典型模型的主要输入参数Tab.1 Main Input Parameters of the Typical Model for Super High-rise Office Building

3 办公建筑典型模型能耗模拟和数据校验分析

通过模型校准得到超高层办公建筑和普通办公建筑的典型数值模型，根据不同星级绿色建筑对建筑设计参数和运行管理模式的节能技术要求，作为能耗模拟的边界条件输入数值模型中，采用数值模拟的方法得到不同要求、不同情景下典型绿色建筑模型的能耗模拟值。

3.1 办公建筑典型模型模拟参数及模拟结果

3.1.1 办公建筑典型模型模拟参数

典型模型的主要输入参数是依据调研的典型绿色办公建筑的实际值确定。而节能情景的设计则是在《公共建筑节能设计标准：GB 50189—2015》和《广东省公共建筑节能设计标准：DBJ 15-51—2020》的基础上进行逐步提高。

本文共设置4 种节能情景进行能耗模拟，其中节能情景1 为满足《公共建筑节能设计标准：GB 50189—2015》和《广东省公共建筑节能设计标准：DBJ 15-51—2020》要求的基础情景，是新建建筑节能性能的基本要求，其中包括了广州地区的主要节能技术，如遮阳技术等。而节能情景2～4 分别对应《绿色建筑评价标准：GB/T 50378—2019》中一星级～三星级绿色建筑的节能要求，模型模拟参数的节能要求逐步提高，主要变化体现在如下几个方面：①降低外围护结构传热系数和遮阳系数；②提升空调系统主机性能系数、水泵与风机效率；③降低照明功率密度；④水泵、风机、电梯变频节能技术的采用。其中，节能情景4的模型输入参数为目前节能技术领先水平。能耗模拟中不同节能情景下超高层办公建筑和普通办公建筑典型模型的主要输入参数如表1所示。

3.1.2 办公建筑典型模型能耗模拟结果

超高层办公建筑和普通办公建筑典型模型能耗模拟结果如表2 所示。由表2 可知，各种节能情景模拟能耗均在标准范围内［11］；从节能情景1 到节能情景4，建筑总能耗及分项能耗逐步降低，节能率显著提高。尤其是节能情景3和节能情景4的节能率提升幅度明显增大，这符合绿色建筑二星级和三星级的定位；不同节能情景的节能量产出在空调系统中较为明显，说明依靠空调系统的节能技术能够产生更大的节能效益，这符合广州地区的实际情况，说明本文节能情景的设置与绿色建筑的不同星级之间的对应关系合理。

表2 超高层办公建筑典型模型的模拟结果Tab.2 Simulation Results of the Typical Model for Super High-rise Office Building

3.2 办公建筑实际能耗数据

根据广州市建筑能耗统计数据，筛选其中的超高层办公建筑和普通办公建筑样本，分别获得58栋超高层办公建筑、221栋普通办公建筑能耗数据，运用统计学理论，对这些能耗数据进行正态分析，结果如图5所示。由图5可知，广州市的超高层办公建筑、普通办公建筑能耗统计数据呈现近似于均值分别为122 kWh/m2、108 kWh/m2的正态分布。

图5 广州办公建筑能耗水平分析Fig.5 Analysis of Energy Consumption Level for Office Buildings in Guangzhou

3.3 办公建筑典型模型数据校验分析

将3.1 节中得到的4 个节能情景下的典型建筑模型能耗模拟值，与3.2 节中获得的同类建筑实际能耗水平进行对比分析，并将其绘制成图5，可以获得4 个节能情景下对应的建筑能耗值在同类建筑中所处的节能水平。

由图5 可知，节能情景1 的模拟能耗值分别为119.00 kWh/m2、103.56 kWh/m2，与实际统计数据能耗平均值接近。随着节能技术水平的不断提高，节能情景2～4 的模拟能耗值逐渐降低，在同类建筑的实际能耗大数据中处于越来越高的节能水平。

若将实际能耗的正态分布曲线对应的概率分布进行量化，则可以获得节能情景对应的能耗模拟值在实际能耗中所处的位置。由图5 可知，节能情景2 的能耗模拟值分别为107.38 kWh/m2、93.74 kWh/m2，对应的能耗水平优于约65%的同类建筑；节能情景3的能耗模拟值分别为96.45 kWh/m2、79.46 kWh/m2，对应的能耗水平优于约75%的同类建筑，节能情景4 的能耗模拟值分别为91.90 kWh/m2、74.79 kWh/m2，对应的能耗水平优于约80%的同类建筑。

4 结论

通过对广州市办公建筑运用数值模拟的方法，根据不同星级的绿色建筑具体的节能技术要求设定不同的节能情景，对校正后的典型模型进行能耗模拟，并与办公建筑实际能耗统计数据进行对比校验分析，获得了绿色超高层办公建筑和普通办公建筑的能耗控制目标，如表3 所示。本文研究制定的能耗控制目标体现了不同星级绿色建筑对节能性能的不同要求，也体现了绿色建筑在节能性能上的先进性。

表3 绿色建筑能耗控制目标Tab.3 Control Targets of Energy Consumption for Green Building