大型商业建筑的整体节能设计和运行

文｜华阳安派能源科技（北京） 有限公司 唐德超

1 概述

进入21世纪以来，中国成为了全球碳排放最高国家的行列之一。同时，我国又是世界上年新建筑量最大的国家，每年新建筑竣工约为20亿平方米，消耗标准煤6亿吨，建筑能耗占全国总能耗的30%左右，建筑的CO2排放占总排放接近50%，这一比例远高于工业和运输业的总排放[1]。

在我国，大型公共建筑的单位面积能耗是住宅建筑的10～20倍。大型公共建筑的总面积虽然仅占我国城镇民用建筑面积的5%，但是用电量却占建筑总用电量的25% 。例如，上海地区各类公共建筑的单位面积年平均能耗分布如表1所示[2]：

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近年来，国家财政部、住房和城乡建设部联合发布的《关于进一步推进公共建筑节能工作的通知》（以下简称《通知》），明确了“十二五”期间公共建筑节能工作目标，并且对目标的实施和落实提供了明确的政策保证。到2015年，重点城市公共建筑单位面积能耗下降20%以上，其中大型公共建筑单位建筑面积能耗下降30%以上；重点城市改造完成建筑面积不少于400万平方米，中央财政补助标准原则上为每平方米20元。

因此，对公共建筑的设计进行节能优化，将有效控制建筑能耗的无序增长，是实现节能减排目标的重要途径之一。

2 计算机集成建筑环境模拟技术和绿色建筑

2.1 建筑节能性能化设计

计算机辅助设计在建筑设计领域经历了从绘图工具、计算工具、设计工具到模拟工具的演变历程。随着计算机技术的普及和发展，计算机模拟技术已经深入建筑设计的各个领域，成为各类节能、生态建筑设计、超低能耗、绿色建筑评估、能效标识和绿色建筑设计的重要工具[3][4]。

现实中，建筑物是一个物理整体，它的内部空间、功能、运行、使用、用户互相关联，和建筑物的周界构成一个相关的综合环境。近年来，随着计算机技术的普及，商业建筑工程模拟软件逐渐为设计人士接受，已经广泛应用于设计的各个阶段中。但是由于商业软件的局限性，这样的计算机模拟分析通常需要将相关联的物理现象分割并简化为相对独立的物理现象来进行模拟分析，通过一个“串连”的流程来完成整体的设计。同时由于商业软件间的不兼容，需要重复建模，重复引导，将一个软件的输出转换处理成另一个软件的输入，不仅影响了模拟分析的准确性，同时也在一定程度上造成了人力、时间和信息资源的浪费。现有常用的模拟技术在性能化设计中的应用，如图1所示。

2.2 集成节能性能化设计方法

集成节能性能化设计是以建筑物各用能设备和系统的优化方案为变量，以技术经济指标为目标函数，基于大量集成模拟性能分析的最终优化设计方案。

性能化设计和模拟是两个不同的概念，后者为前者的手段和工具。初学者往往仅满足于对某个特定节能设计措施或方案的模拟分析，确定该措施在特定条件下的节能量，进而借助模拟软件的后处理手段来进行美化，例如采用CFD软件生成云图或流线图来展示。通常，这样做的目的更多是作为一种营销手段。

采用整体计算机模拟为手段的性能化节能设计，可以让我们在有限的时间内，对大量的节能设计方案及其组合进行整体性能分析和评估，创建方案—节能—经济性能指标数据库，从而可以按照节能（能耗）和经济指标目标函数进行优化，为设计项目制定最佳节能设计方案。显然，要这样做，采用图1所示的“串连”式流程就有很大的难度。

集成性能化设计环境应该具有以下基本要素：

（1）只需建立一个模型，实现CAD数据共享。

（2）BIM信息平台，支持模拟过程中建筑信息的无缝连接。

（3）整体性能模拟，实现信息增值。

集成模拟环境下进行建筑性能化设计的概念，如图2所示。

2.3 BIM技术和集成设计平台

自2002年以1.33亿美元巨资收购了Revit技术公司后，AutoDesk公司开始推出以Revit为核心的BIM解决方案，并在媒体和业界做了很大力度的推广，由此引起了业界高度的关注。很多国家已经应用BIM技术标准进行建筑设计、施工和政府监管部门的管理，并以此建立了在AEC业界BIM标准。当然，业界其他公司的BIM产品，如Graphisoft、Nemetschek和Bentley公司的建筑业解决方案BIM，相比AutoDesk都有很多独到之处。

事实上，国际上在BIM领域及其数据结构的研究更早时间就已经开始，上世纪90年代初期在建筑产品数据模型（Product Data Model）领域的研究，关于STEP数据交换标准的理论和实践，以及其后发展的gbXML数据结构是构成当代BIM数据信息结构理论和实践的基础[5]。

在BIM技术中，建筑空间数据如何与建筑物理性能整合依然是BIM整体技术上的一个瓶颈。最新McGraw Hill Construction 关于绿色BIM的报告指出，48%的建筑、机电设计公司，58%的工程承包商尚未采用BIM技术就是出于这个原因[6]。

3 计算机集成节能设计的应用

本文通过实际案例，对集成节能设计的理念和方法进行演绎，在建筑设计的初期，采用集成建筑模拟技术对众多节能方案进行优化和技术经济分析，最终为项目的节能减排目标制定切实可行的方案。模拟软件平台采用visualesp-r[7]，如图3所示。

案例项目位于大庆市，建筑面积58万平方米，由大型购物中心、五星级酒店、室外步行街、高档住宅和高端写字楼组成的城市综合体项目。节能性能化设计针对其购物中心部分进行，地上面积约9万平方米（包括步行街），地下约7万平方米。

节能性能化设计针对目标建筑物的能源系统进行整体优化，通过技术和经济性分析，为项目提供具有可选性的节能技术和投资采购方案。

性能化设计针对以下能源分系统进行：幕墙系统、冷/热源、可再生能源、水资源、空调系统和运行、电气系统、自然采光、自然通风等。设计中，首先对各个能源分系统建立可选技术方案，对每一种方案进行集成模拟分析，由此建立能耗和经济参数的目标指标数据库，如图4所示。

例如，在幕墙方案中针对五种不同方案进行了整体技术经济分析。同样，对冷、热源系统指定了五种可选方案。五种方案的运行经济指标比较，如图5所示。

项目中针对一系列专题进行了整体节能技术经济分析，包括：CO2空调新风量控制的节能性能与投资成本分析和控制策略；室内步行街采用自然通风式开窗位置优化；室内步行街采光顶采光面积减少15%、30%、45%对能耗的影响；过渡季和冬季采用新风供冷的适用条件；采用日光感应器调光控制系统的节能和经济性；采用LED灯照明为商场照明的视觉效果和节能经济性；空调机组和风机盘管的运行控制优化。最后，根据整体节能分析的结果、建设的约束条件，制定最终节能优化设计方案，为项目提供决策依据。本文给出了11种方案，按投资回报排序的可选节能措施整体技术经济指标，如表2所示。

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根据建设项目希望达到的节能目标，即住房和城乡建设部的绿色建筑评价星级指标一星和二星的节能和减排指标相比。与参照建筑相比时的节能、运行费用和减排量，如表3所示。与参照建筑相比较，本项目（实施一星时）节电达20%。与表1中上海地区公共建筑商业类的单位面积年平均能耗比较，本项目节能达45%以上。

4 建筑整体能耗计量和节能运行优化

4.1 能耗计量的传统意义

能耗计量作为节能运行优化的一个关键，是建筑性能化设计的一个重要组成部分。研究和管理大型商场节能运行的方法虽然很多，但传统的方法往往仅注重空调系统运行和管理，通过能耗分项计量，来控制和消除非正常操作，从而使运行达到设计要求和节能。通常情况下的能耗分项计量，其目的仅仅是对系统运行状态进行检测，及时发现运行中的异常现象，从而进行分析和诊断，使系统恢复到正常的运行状态。如图6所示。

4.2 建筑物整体能耗性能优化和控制

事实上，能耗（分项）计量只是一种手段，对计量结果深层次的处理和利用，对节能运行和控制有更深的意义。基于整体集成节能性能化设计的能耗（分项）计量以计量各参数来进一步修正和标定建筑物的整体集成能耗模型。在此基础上，通过大量的模拟计算分析，以现代数学手段找出实际建筑物及其系统、室内外环境参数、使用、运行状态与建筑物整体节能目标之间的动态规律和函数关系，从而为建筑物和系统的运行量身定制可计量、可预测、可控制、可实施的优化运行方案。

本文介绍从建筑物整体性能出发，以节能性能化设计、实时计量和模拟预测为手段，实现最佳节能运行的方法。

在实施分项计量之前，首先需要根据建筑物和系统的实际配置对建筑模拟的模型进行标定，主要包括以下三个方面：

（1）室内、外环境参数：运行年的室外气象参数和室内环境参数的实际参数。

（2）建筑物和系统参数：实际建筑物围护结构材料，空调、照明、电气、水等系统的实际配置、运行和控制参数。

（3）建筑物的使用参数：包括商场的运营日程和时间，各区域的使用特征，人员密度时间表。

以实际测量和分项计量的环境和运行参数为依据，以性能化设计方法，搭建建筑物整体性能模型对不同运行情景和运行状态进行大量模拟计算分析，对影响目标函数（如能耗）的敏感参数进行灵敏度分析，利用相应的数学工具和手段，最终导出与能耗目标函数相关变量的函数关系，从而对实际建筑物和系统的运行以节能为目标进行优化，为运行和管理提供准确可靠的科学依据。如图7所示。

5 结束语

大型公共建筑的单位面积能耗是住宅建筑的10～20倍。国家和地方政府单独对公共建筑节能明确了“十二五”期间工作目标。整体节能设计优化的性能化设计和BIM平台为公共和商业建筑节能提供了有效的工具。整体节能性能化设计从设计方案阶段开始到建筑物建成运行的整个阶段对节能目标进行优化，为商业地产的绿色建筑设计、建设和运行提供科学依据。

1 林益彬.低辐射（Low-E）镀膜玻璃与建筑节能.上海绿色建筑，2011（6）：27-28

2 徐强，等.上海市大型公共建筑能耗统计分析.城市发证研究，2011增刊（1）：322-326

3 GB 50378-2006 绿色建筑评价标准

4 公共建筑节能设计指南.2007年

5 Eastman C M,Siabiris A.A generic building product model incorporating building type information.Automation in Construction,Volume 3,Issue 4,pp.283-304,1995,Elsevier

6 Green BIM.McGraw-Hill Construction SmartMarket Report.2010

7 唐德超.建筑自然通风模拟技术的回顾和应用.暖通空调，2011，41（12）：99-104