上海市公共建筑能耗限额对象分类和计算方法研究

2020-03-20赵德印上海市建筑科学研究院有限公司上海0003上海市建筑建材业市场管理总站上海0003

绿色建筑 2020年5期

潘黎，赵德印，徐强，马燕（.上海市建筑科学研究院有限公司，上海 0003；.上海市建筑建材业市场管理总站，上海 0003 ）

《上海市城市总体规划（2017-2035 年）》提出，全市碳排放总量与人均碳排放量预计于 2025 年前达到峰值，至 2035 年，控制碳排放总量较峰值减少 5% 左右。根据上海市统计年鉴[1]，2017 年上海社会总能耗中民用建筑能耗约占 20%，其中，公共建筑占 57% 以上。能耗限额是推进公共建筑节能的必经之路，建立公共建筑能耗限额体系、在设计侧提升建筑性能是挖掘节能潜力、保障能耗峰值实现的有效手段。

公共建筑种类繁多，功能需求差异化明显。在确定能耗限额值之前，首先应解决公共建筑分类问题。针对不同类型公共建筑设定限额对象、确定评价指标，选取适宜计算方法，建立限额计算模型，并以办公建筑为例进行验证。

1 公共建筑能耗限额对象分类研究

1.1 国内外建筑能耗限额制定现状

本研究提到的能耗限额为设计限额，建筑运行能耗主要采用相关的合理用能指南或能耗标准来评价。上海市公共建筑类型分类也可借鉴目前已有的分类方法，再结合本地实际情况进行确定。首先以美国、英国、德国和日本等国案例为例进行分析。

美国现行建筑节能标准《3 层及以上住宅和公共建筑节能标准 ASHARE 90.1》，采用全性能参数化的方法，通过能源成本预算来约束节能设计。在基准建筑能耗模拟中用到节能率的指标来进行性能评价，节能率＝（基准建筑能耗－设计建筑能耗）/基准建筑能耗。标准提到设计建筑或基准建筑能耗并非预测建筑实际能耗，因为实际能耗会受入住率、建筑运维、气候、未预测到的用能、设计时发生变化的同时使用率及计算工具精确度等的影响。美国建筑节能计算的能耗范围包括建筑所有终端用能，建筑面积为外墙包含在内的面积。

英国建筑节能设计标准体现在英国《2010 建筑法规（Building Act）》（新建住宅建筑（L1A）和非住宅新建建筑（L2A）节约燃料和节电）[2]，采用 CO2排放率（kg/m2·a）作为限值。碳排放范围包括暖通空调、生活热水和照明，不包括插座。同时要求新建建筑、出售或出租既有建筑，均需提供建筑能耗性能评价，向市场表明实际建筑与相同使用方式的典型建筑比较的相对性能。

德国建筑节能法规（EnEV 2013）适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、部分工业建筑等）。优化过程中要求目标建筑能耗低于基准建筑能耗，最终每栋新建建筑需获得建筑物能源证书，证书上根据终端能源消耗评定能效等级。能耗范围包括采暖、制冷、通风、照明及热水供应的设备和设施，计算面积为包括围护结构在内的建筑面积。

日本现行节能设计标准《建筑节能标准》是由 3 部建筑节能标准《公共建筑节能设计标准》《居住建筑节能设计标准》《居住建筑节能设计与施工导则》合并而成。标准中将公共建筑分为事务所、旅馆、医院、百货商店、学校、餐饮店、集会所等 7 大类，进而细化为 201 种房间功能类型，分别设定一次能耗限额（MJ/m2·a），在计算总能耗时汇总。计算优化过程中要求设计建筑能耗不高于基准能耗。能耗包括供热供冷、通风、照明、热水、电梯、其他（办公设备），同时减去太阳能发电量，计算面积为外围护以内的面积。

我国 GB 50189-2015《公共建筑节能设计标准》主要采用权衡判断方法，未对不同类型建筑进行指标区分，在模拟计算时提出办公建筑、宾馆建筑、商场建筑、医疗建筑门诊楼、医疗建筑院部、学校建筑教学楼的部分边界条件的差异，如系统日运行时间、室内温度、新风量等。2014 年，天津市地方标准 DB /T 29-153-2014《公共建筑节能设计标准》规定了教育、办公、酒店、商业、医疗卫生、其他等 6类公共能耗限值，能耗包括供暖、空调和照明。

综上，各国的建筑节能设计思路如图 1 所示。美国采用全面性能化的手段，对建筑全过程中涉及的参数均提出了性能要求，用能源费用预测的方法优化节能技术。德国、日本将能耗绝对值设定为目标。德国要求设计建筑需要低于基准建筑能耗并获得能效证书，未对能效等级进行强制要求（对于达到更高能效等级的建筑有政策鼓励）。日本细化规定了不同功能房间的边界条件和能耗目标，以此来确定建筑整体的能耗基准。美国、德国、英国设置基准建筑以及详细边界条件进行能耗模拟，日本设置了基准房间的一次能耗。

图 1 公共建筑能耗设计限额技术路线

1.2 上海市公共建筑限额对象分类和指标类型确定

国内外节能设计标准对公共建筑类型进行大类划分，权衡计算时会根据房间功能按需进行细化的分类。上海市公共建筑限额设计进行概括性较强的大类划分—办公建筑、旅游饭店建筑、商业建筑、学校建筑、医院建筑、其他，使每一栋建筑都有其归口。类型细分时，普通办公建筑、高档办公建筑、普通客房、高档客房、一般商店、高档商店的人均办公面积、内热需求、新风量、换气次数、照明功率等取值有显著差异，同时对负荷有较大影响[3]，可据此进行公共建筑类型细分。考虑到学校和医院是园区性质，可依据建筑功能进行细分。具体如表 1 所示。

表 1 上海市公共建筑限额对象分类和指标类型

公共建筑能耗指标类型可分为单位面积综合能耗和单位面积电耗。楼宇中的数据中心能耗水平需要单独考量，同时建议去除对建筑主体用能指标影响较大的车库面积。集各项功能于一体的综合类建筑可采用面积加权的办法。

针对能耗范围，美国节能标准纳入了建筑全部能耗，德国节能法规计算了采暖、热水制备、通风、制冷以及照明，日本节能规范考虑了采暖、热水制备、通风、制冷及室内电器。我国天津市节能设计能耗包括供暖、空调和照明。由于除了环境控制以外的性能指标在设计阶段很难明确，上海市公共建筑能耗限额主要考虑热湿声光等在设计阶段可控的环境因素，采用“采暖空调通风”及“采暖空调通风+照明”的双控指标。

2 公共建筑能耗限额计算方法

2.1 不确定性方法简介

不确定性是指不知道可能发生的后果，或者即使知道后果但是无法预测发生的概率[4]，是主观认知局限和客观因素变化多样综合作用导致，分析流程如图 2 所示。

图 2 空调不确定性分析流程图[5]

首先确定输入参数，再建立仿真求解模型求解并输出求解结果。若再不满足要求，则需要进一步优化或者改变输入参数进行重新分析。从计算原理出发，不确定性量化法优于常规的单一或数个工况点的分析方法。

2.2 空调能耗不确定性方法计算思路

空调系统能耗的不确定性分析变量主要包括气象参数、人员逐时密度、建筑围护结构气密性、换气次数、设备内扰、空调机组性能等。事实上，在进行能耗模拟时，各参数取值均存在不确定性，也直接导致了最终能耗模拟结果存在不确定性。研究思路如图 3 所示，分析相关输入参数并确定其概率分布，建立能耗模型进行抽样计算，最后建立能耗累积概率分布曲线以确定空调能耗并进行输入变量敏感性分析。

图 3 空调能耗不确定性分析流程图

2.3 能耗限额计算方法

建筑空调系统设计能耗限额过程如图 4 所示。建立模型，根据上海建筑节能发展规划，确定关键参数的性能提高计划，结合气象参数、空调设备、自然通风等参数，进行不确定性量化计算。

图 4 能耗限额计算分析与计算方法

3 计算方法论证—以办公建筑为例

3.1 建筑性能提升设想

节能四步规划设想作为建筑性能提升方向，上限定为现行标准数据。再在现有节能水平上，依次降低 10%，最终达到近零能耗水平。围护结构的节能提升计划如表 2 所示。

表 2 节能四步规划设想 W/m2·K

3.2 建立建筑模型

结合 ANSI/ASHRAE Standard 209-2018 给出的建筑建模参数参考建议值，考虑上海办公建筑的实际现状，设定参数如表 3 所示。典型建筑模型如图 5 所示。

表 3 建筑模型外形参数设置

图 5 典型建筑模型

建筑模型内部参数参考 ANSI/ASHRAE Standard 209-2018 公建节能设计规范。即办公时间 7:00～18:00，照明功率密度 9 W/m2，人均新风量 30 m3/（人·h），人员密度 10 m2/人，电器功率 15 W/m2。围护结构、空调系统、建筑内部设计参数等的设置分别如表 4～表 6 所示。

表 4 围护结构变量设置

表 5 空调系统能效设置(办公建筑 A)

表 6 建筑内部参数设置

为简化计算，空调系统采用总系统效率的概念，综合考虑主机、输配、末端等的消耗；制热系统效率根据公建节能标准中的燃气锅炉系统折算得到。

分析使用 DesignBuilder 软件。该软件以美国能源部和劳伦斯伯克利国家实验室联合开发的建筑能耗模拟软件EnergyPlus 为计算核心。本文主要利用 Optimisation+UA/SA 模块进行参数优化分析、空调能耗不确定性分析以及参数敏感性分析。

3.3 计算结果

能耗分析计算时，本文综合考虑了各类可能的影响因素（即边界条件）变化，并且每种计算条件下 3 种办公建筑的计算样本容量为 1 000 组，其中建筑 A、建筑 C 各生成 200个样本数据，建筑 B 生成 600 个样本数据。因此可认为计算结果代表了所有办公建筑的空调系统能耗分布。当累积概率P取值不同时，相应的设计限额数值也不同，计算结果汇总如表 7 所示。由表 7 可知，计算区间 I 中，空调能耗设计限额上限为46.6 kWh/m2·a，表明当建筑各性能参数在现有节能水平上提高 10% 时，95% 的办公建筑空调设计能耗均能达到该要求，只有 50% 的建筑能达到 32.4 kWh/m2·a。区间 IV 计算结果可知，性能参数显著提升后，办公建筑空调系统能耗设计限额值可达到 25.5 kWh/m2·a。此外，需要说明的是，累积概率值的确定需要根据技术发展水平、节能工作规划以及增量成本等因素综合确定，从而确定用于执行限额设计的最终数值。