上海市公共建筑能耗限額對象分類和計算方法研究

潘 黎，趙德印，徐 強，馬 燕（.上海市建筑科學研究院有限公司， 上海 0003；.上海市建筑建材業(yè)市場管理總站， 上海 0003 ）

《上海市城市總體規(guī)劃（2017-2035 年）》提出，全市碳排放總量與人均碳排放量預計于 2025 年前達到峰值，至 2035 年，控制碳排放總量較峰值減少 5% 左右。根據(jù)上海市統(tǒng)計年鑒[1]，2017 年上海社會總能耗中民用建筑能耗約占 20%，其中，公共建筑占 57% 以上。能耗限額是推進公共建筑節(jié)能的必經(jīng)之路，建立公共建筑能耗限額體系、在設計側(cè)提升建筑性能是挖掘節(jié)能潛力、保障能耗峰值實現(xiàn)的有效手段。

公共建筑種類繁多，功能需求差異化明顯。在確定能耗限額值之前，首先應解決公共建筑分類問題。針對不同類型公共建筑設定限額對象、確定評價指標，選取適宜計算方法，建立限額計算模型，并以辦公建筑為例進行驗證。

1 公共建筑能耗限額對象分類研究

1.1 國內(nèi)外建筑能耗限額制定現(xiàn)狀

本研究提到的能耗限額為設計限額，建筑運行能耗主要采用相關的合理用能指南或能耗標準來評價。上海市公共建筑類型分類也可借鑒目前已有的分類方法，再結合本地實際情況進行確定。首先以美國、英國、德國和日本等國案例為例進行分析。

美國現(xiàn)行建筑節(jié)能標準《3 層及以上住宅和公共建筑節(jié)能標準 ASHARE 90.1》，采用全性能參數(shù)化的方法，通過能源成本預算來約束節(jié)能設計。在基準建筑能耗模擬中用到節(jié)能率的指標來進行性能評價，節(jié)能率＝（基準建筑能耗－設計建筑能耗）/基準建筑能耗。標準提到設計建筑或基準建筑能耗并非預測建筑實際能耗，因為實際能耗會受入住率、建筑運維、氣候、未預測到的用能、設計時發(fā)生變化的同時使用率及計算工具精確度等的影響。美國建筑節(jié)能計算的能耗范圍包括建筑所有終端用能，建筑面積為外墻包含在內(nèi)的面積。

英國建筑節(jié)能設計標準體現(xiàn)在英國《2010 建筑法規(guī)（Building Act）》（新建住宅建筑（L1A）和非住宅新建建筑（L2A）節(jié)約燃料和節(jié)電）[2]，采用 CO2排放率（kg/m2·a）作為限值。碳排放范圍包括暖通空調(diào)、生活熱水和照明，不包括插座。同時要求新建建筑、出售或出租既有建筑，均需提供建筑能耗性能評價，向市場表明實際建筑與相同使用方式的典型建筑比較的相對性能。

德國建筑節(jié)能法規(guī)（EnEV 2013）適用于有采暖或制冷需求的建筑物（居住建筑和非居住建筑，包括宗教建筑、部分工業(yè)建筑等）。優(yōu)化過程中要求目標建筑能耗低于基準建筑能耗，最終每棟新建建筑需獲得建筑物能源證書，證書上根據(jù)終端能源消耗評定能效等級。能耗范圍包括采暖、制冷、通風、照明及熱水供應的設備和設施，計算面積為包括圍護結構在內(nèi)的建筑面積。

日本現(xiàn)行節(jié)能設計標準《建筑節(jié)能標準》是由 3 部建筑節(jié)能標準《公共建筑節(jié)能設計標準》《居住建筑節(jié)能設計標準》《居住建筑節(jié)能設計與施工導則》合并而成。標準中將公共建筑分為事務所、旅館、醫(yī)院、百貨商店、學校、餐飲店、集會所等 7 大類，進而細化為 201 種房間功能類型，分別設定一次能耗限額（MJ/m2·a），在計算總能耗時匯總。計算優(yōu)化過程中要求設計建筑能耗不高于基準能耗。能耗包括供熱供冷、通風、照明、熱水、電梯、其他（辦公設備），同時減去太陽能發(fā)電量，計算面積為外圍護以內(nèi)的面積。

我國 GB 50189-2015《公共建筑節(jié)能設計標準》主要采用權衡判斷方法，未對不同類型建筑進行指標區(qū)分，在模擬計算時提出辦公建筑、賓館建筑、商場建筑、醫(yī)療建筑門診樓、醫(yī)療建筑院部、學校建筑教學樓的部分邊界條件的差異，如系統(tǒng)日運行時間、室內(nèi)溫度、新風量等。2014 年，天津市地方標準 DB /T 29-153-2014《公共建筑節(jié)能設計標準》規(guī)定了教育、辦公、酒店、商業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生、其他等 6類公共能耗限值，能耗包括供暖、空調(diào)和照明。

綜上，各國的建筑節(jié)能設計思路如圖 1 所示。美國采用全面性能化的手段，對建筑全過程中涉及的參數(shù)均提出了性能要求，用能源費用預測的方法優(yōu)化節(jié)能技術。德國、日本將能耗絕對值設定為目標。德國要求設計建筑需要低于基準建筑能耗并獲得能效證書，未對能效等級進行強制要求（對于達到更高能效等級的建筑有政策鼓勵）。日本細化規(guī)定了不同功能房間的邊界條件和能耗目標，以此來確定建筑整體的能耗基準。美國、德國、英國設置基準建筑以及詳細邊界條件進行能耗模擬，日本設置了基準房間的一次能耗。

圖 1 公共建筑能耗設計限額技術路線

1.2 上海市公共建筑限額對象分類和指標類型確定

國內(nèi)外節(jié)能設計標準對公共建筑類型進行大類劃分，權衡計算時會根據(jù)房間功能按需進行細化的分類。上海市公共建筑限額設計進行概括性較強的大類劃分—辦公建筑、旅游飯店建筑、商業(yè)建筑、學校建筑、醫(yī)院建筑、其他，使每一棟建筑都有其歸口。類型細分時，普通辦公建筑、高檔辦公建筑、普通客房、高檔客房、一般商店、高檔商店的人均辦公面積、內(nèi)熱需求、新風量、換氣次數(shù)、照明功率等取值有顯著差異，同時對負荷有較大影響[3]，可據(jù)此進行公共建筑類型細分。考慮到學校和醫(yī)院是園區(qū)性質(zhì)，可依據(jù)建筑功能進行細分。具體如表 1 所示。

表 1 上海市公共建筑限額對象分類和指標類型

公共建筑能耗指標類型可分為單位面積綜合能耗和單位面積電耗。樓宇中的數(shù)據(jù)中心能耗水平需要單獨考量，同時建議去除對建筑主體用能指標影響較大的車庫面積。集各項功能于一體的綜合類建筑可采用面積加權的辦法。

針對能耗范圍，美國節(jié)能標準納入了建筑全部能耗，德國節(jié)能法規(guī)計算了采暖、熱水制備、通風、制冷以及照明，日本節(jié)能規(guī)范考慮了采暖、熱水制備、通風、制冷及室內(nèi)電器。我國天津市節(jié)能設計能耗包括供暖、空調(diào)和照明。由于除了環(huán)境控制以外的性能指標在設計階段很難明確，上海市公共建筑能耗限額主要考慮熱濕聲光等在設計階段可控的環(huán)境因素，采用“采暖空調(diào)通風”及“采暖空調(diào)通風+照明”的雙控指標。

2 公共建筑能耗限額計算方法

2.1 不確定性方法簡介

不確定性是指不知道可能發(fā)生的后果，或者即使知道后果但是無法預測發(fā)生的概率[4]，是主觀認知局限和客觀因素變化多樣綜合作用導致，分析流程如圖 2 所示。

圖 2 空調(diào)不確定性分析流程圖[5]

首先確定輸入?yún)?shù)，再建立仿真求解模型求解并輸出求解結果。若再不滿足要求，則需要進一步優(yōu)化或者改變輸入?yún)?shù)進行重新分析。從計算原理出發(fā)，不確定性量化法優(yōu)于常規(guī)的單一或數(shù)個工況點的分析方法。

2.2 空調(diào)能耗不確定性方法計算思路

空調(diào)系統(tǒng)能耗的不確定性分析變量主要包括氣象參數(shù)、人員逐時密度、建筑圍護結構氣密性、換氣次數(shù)、設備內(nèi)擾、空調(diào)機組性能等。事實上，在進行能耗模擬時，各參數(shù)取值均存在不確定性，也直接導致了最終能耗模擬結果存在不確定性。研究思路如圖 3 所示，分析相關輸入?yún)?shù)并確定其概率分布，建立能耗模型進行抽樣計算，最后建立能耗累積概率分布曲線以確定空調(diào)能耗并進行輸入變量敏感性分析。

圖 3 空調(diào)能耗不確定性分析流程圖

2.3 能耗限額計算方法

建筑空調(diào)系統(tǒng)設計能耗限額過程如圖 4 所示。建立模型，根據(jù)上海建筑節(jié)能發(fā)展規(guī)劃，確定關鍵參數(shù)的性能提高計劃，結合氣象參數(shù)、空調(diào)設備、自然通風等參數(shù)，進行不確定性量化計算。

圖 4 能耗限額計算分析與計算方法

3 計算方法論證—以辦公建筑為例

3.1 建筑性能提升設想

節(jié)能四步規(guī)劃設想作為建筑性能提升方向，上限定為現(xiàn)行標準數(shù)據(jù)。再在現(xiàn)有節(jié)能水平上，依次降低 10%，最終達到近零能耗水平。圍護結構的節(jié)能提升計劃如表 2 所示。

表 2 節(jié)能四步規(guī)劃設想 W/m2·K

3.2 建立建筑模型

結合 ANSI/ASHRAE Standard 209-2018 給出的建筑建模參數(shù)參考建議值，考慮上海辦公建筑的實際現(xiàn)狀，設定參數(shù)如表 3 所示。典型建筑模型如圖 5 所示。

表 3 建筑模型外形參數(shù)設置

圖 5 典型建筑模型

建筑模型內(nèi)部參數(shù)參考 ANSI/ASHRAE Standard 209-2018 公建節(jié)能設計規(guī)范。即辦公時間 7:00～18:00，照明功率密度 9 W/m2，人均新風量 30 m3/（人·h），人員密度 10 m2/人，電器功率 15 W/m2。圍護結構、空調(diào)系統(tǒng)、建筑內(nèi)部設計參數(shù)等的設置分別如表 4～表 6 所示。

表 4 圍護結構變量設置

表 5 空調(diào)系統(tǒng)能效設置(辦公建筑 A)

表 6 建筑內(nèi)部參數(shù)設置

為簡化計算，空調(diào)系統(tǒng)采用總系統(tǒng)效率的概念，綜合考慮主機、輸配、末端等的消耗；制熱系統(tǒng)效率根據(jù)公建節(jié)能標準中的燃氣鍋爐系統(tǒng)折算得到。

分析使用 DesignBuilder 軟件。該軟件以美國能源部和勞倫斯伯克利國家實驗室聯(lián)合開發(fā)的建筑能耗模擬軟件EnergyPlus 為計算核心。本文主要利用 Optimisation+UA/SA 模塊進行參數(shù)優(yōu)化分析、空調(diào)能耗不確定性分析以及參數(shù)敏感性分析。

3.3 計算結果

能耗分析計算時，本文綜合考慮了各類可能的影響因素（即邊界條件）變化，并且每種計算條件下 3 種辦公建筑的計算樣本容量為 1 000 組，其中建筑 A、建筑 C 各生成 200個樣本數(shù)據(jù)，建筑 B 生成 600 個樣本數(shù)據(jù)。因此可認為計算結果代表了所有辦公建筑的空調(diào)系統(tǒng)能耗分布。當累積概率P取值不同時，相應的設計限額數(shù)值也不同，計算結果匯總?cè)绫?7 所示。由表 7 可知，計算區(qū)間 I 中，空調(diào)能耗設計限額上限為46.6 kWh/m2·a，表明當建筑各性能參數(shù)在現(xiàn)有節(jié)能水平上提高 10% 時，95% 的辦公建筑空調(diào)設計能耗均能達到該要求，只有 50% 的建筑能達到 32.4 kWh/m2·a。區(qū)間 IV 計算結果可知，性能參數(shù)顯著提升后，辦公建筑空調(diào)系統(tǒng)能耗設計限額值可達到 25.5 kWh/m2·a。此外，需要說明的是，累積概率值的確定需要根據(jù)技術發(fā)展水平、節(jié)能工作規(guī)劃以及增量成本等因素綜合確定，從而確定用于執(zhí)行限額設計的最終數(shù)值。

表 7 空調(diào)系統(tǒng)設計能耗限額表 kWh/m2·a

4 結 語

通過詳細調(diào)研國內(nèi)外公共建筑節(jié)能設計標準法規(guī)，分析了現(xiàn)有分類方法和指標體系在公共建筑用能限額設計的適用性?；诓淮_定性的研究方法，得到如下結論。

（1）確定了公共建筑能耗限額對象按照辦公、旅游飯店、商業(yè)、學校、醫(yī)院、其他共 6 類，能耗指標為單位面積綜合能耗/電耗，能耗范圍包括采暖空調(diào)和照明，采用“采暖空調(diào)通風”及“采暖空調(diào)通風+照明”的雙控指標。

（2）不確定性分析方法具有優(yōu)于常規(guī)的單一或數(shù)個工況點的分析方法的優(yōu)點，適宜作為公共建筑能耗限額計算方法。

（3）以辦公建筑為例，當累積概率取 95% 時，不同計算條件下，空調(diào)系統(tǒng)能耗限額（kWh/m2·a）依次為46.6/44.3/38.2/37.9；當累積概率取 50% 時，空調(diào)系統(tǒng)能耗限額依次為 32.4/30.5/26.0/25.5。

在以后的不確定性計算研究中，需要進一步考慮各種可能的影響因素，以最大程度確定建筑在實際運行中出現(xiàn)的各種不確定性。

基金項目：國家重點研發(fā)計劃子課題“夏熱冬冷地區(qū)近零能耗建筑調(diào)研及技術指標體系研究”（2017YFC0702602-05）