某办公楼节能设计、负荷计算与能耗分析

杨柳，董傲霜，刘峥

（辽宁工业大学 土木建筑工程学院，辽宁 锦州 121001）

为了积极应对全球气候变暖，2020年9月，习近平主席在第75届联合国大会提出我国2030年前碳达峰、2060年前碳中和目标。在中国，2018年建筑行业全生命周期碳排放占全国碳排放总量的51%，建筑行业实现碳中和对全社会实现双碳目标至关重要。在这样的时代背景下，新建建筑的节能设计和既有建筑的节能改造成为助力国家达成双碳目标的重要途径之一[1]。

建筑围护结构保温性能，空调系统的负荷和冷热源机房的运行效率是寒冷地区的公共建筑节能的关键环节，并且节能潜力大。本文以某办公楼为例，基于Revit软件创建建筑模型，将模型导入绿建斯维尔软件，按要求对模型进行相应的处理，应用节能设计（BECS）模块，暖通负荷计算（BECH）模块及能耗计算（BESI）模块完成围护结构的节能设计、负荷计算和能耗计算，为空调系统的设计和能耗分析奠定基础。

1 某办公楼围护结构的节能设计

1.1 建筑模型的建立、导入与处理

应用Revit建筑模块完成某办公楼建筑模型的建立，该办公楼共6层，建筑高度24.30 m，建筑面积6385.33 m2，1层为开敞式办公大厅，2至6层主要功能房间为办公室、会议室等。建筑模型如图1所示。

图1 某办公楼建筑模型图

应用绿建斯维尔Revit外部插件将模型以“*.sxf”格式导入模拟分析软件，经过核准三维信息、搜索房间、模型观察、模型检查和门窗整理等步骤处理成用做各个设计计算模块的条件图，如图2、图3所示。

图2 某办公楼条件图

图3 某办公楼模型观察图

1.2 围护结构的节能设计

以GB 50189—2005《公共建筑节能设计标准》寒冷地区围护结构传热系数限值为标准[2]，经过节能设计和权衡判断确定围护结构性能参数见表1。

表1 围护结构性能参数表

2 某办公楼的空调负荷计算

2.1 气象参数

根据GB 50736—2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》[3]确定锦州市地理位置（北纬41.13°，东经121.12°）和气象参数（日照百分率67%，最大冻土深度108 cm），其他气象参数见表2、表3。

表2 辽宁省锦州市气象参数表

表3 辽宁省锦州市的峰值工况气象参数

2.2 室内设计参数

以GB 50189—2005《公共建筑节能设计标准》寒冷地区围护结构传热系数限值为标准设计[2]选定室内设计参数（见表4）、空调运行时间和内扰参数。以办公人员工作时间为标准设定空调系统运行时间为8：00—18：00；人员、设备和照明等内扰参数按具体房间功能相应地设定，设备、照明运行时间8：00—18：00，发热量根据设备功率进行设置；由于是办公楼，人员活动主要以坐在办公为主，因此室内人员的活动强度设为轻度劳动。人员在室率根据工作日和节假日注释区分。照明和设备的开关时间逐时区分。空调系统未设置热回收装置，制冷机为螺杆式制冷机组，冬季由市政热网供热。

表4 室内设计参数表

2.3 全年负荷计算与分析

应用绿建斯维尔软件对该办公楼的全年负荷根据设定好的采暖期（11月1日—3月31日）和空调期（6月15日—9月15日）进行逐时模拟。全年热负荷峰值为824 kW，全年冷负荷峰值为318 kW，全年潜热负荷峰值为185 kW，如图4所示。全年中最大热负荷出现在1月2日；最大冷负荷出现在7月22日。

图4 全年负荷图

表5是制冷制热设备在不同负荷下的工作时长。由表可见制冷设备75%负荷下的工作时长最长，长达343 h，其次是50%负荷工作时长227 h，25%负荷工作时长80 h和100%负荷工作时长72 h。制热设备25%负荷下的工作时长最长，长达886 h，其次是50%负荷工作时长297 h，75%负荷工作时长45 h和100%负荷工作时长8 h。

表5 制冷制热设备在不同负荷下的工作时长

计算结果显示辽宁省锦州市全年的供暖需求占63%，供冷需求占37%。各个分项的供暖和供冷需求见表6。可见围护结构传热对供暖需求最大，其次是冷风渗透，室内得热和窗日射可降低冬季的供暖需求；而供冷需求最大的分项是室内得热，其次是新风负荷，再次是窗日射，围护传热供冷需求最小。

表6 各分项供暖供热需求

3 某办公楼的能耗计算

3.1 空调系统节能率

依据GB/T 50378—2014《绿色建筑评价标准》[4]计算该办公楼的空调系统节能率。由设计建筑和参照建筑进行比对算出。参照建筑和设计建筑在外形、内部的功能分区、气象参数、建筑的室内供暖空调设计参数、房间运行模式（人员、灯光和设备等）及围护结构均保持一致。在供暖、通风和空调系统形式及冷热源能效、输配系统和末端方式上，设计建筑按照用户设计要求设定，参照建筑则根据现有国家和行业有关建筑节能设计标准统一设定。通过分别计算和统计参照建筑与设计建筑在不同负荷率下的负荷情况，得出各自的全年空调系统耗电量及空调系统节能率。

空调系统节能率=（参照建筑全年空调系统耗电量-设计建筑全年空调系统耗电量）/参照建筑全年空调系统耗电量×100%。

空调系统形式为1层全空气，2至6层双管制风机盘管加新风，制冷系统采用水冷-螺杆式冷水机组，供暖系统采用市政热力系统，计算结果见表7。设计建筑能耗中供暖电耗占59%，供冷电耗占29%，风机电耗占12%。

表7 空调系统节能率

3.2 建筑全能耗

建筑全能耗计算结果见表8。设计建筑总能耗中供暖电耗占27%，供冷电耗占10%，风机电耗占6%，其他电耗占57%。

表8 建筑全能耗

4 结束语

本文综合应用BIM技术与绿建斯维尔软件，对辽宁省锦州市某办公楼进行了围护结构节能设计、空调系统负荷计算与分析和能耗计算与分析，并将以此做为基础进一步学习和研究BIM技术与绿色建筑的设计及评价，拓宽专业能力，为国家的双碳目标达成尽份力量。