某高层办公建筑节能技术应用研究

崔雨铜（甘肃中科宇创建筑科技有限公司，甘肃 兰州 730000）

随着建筑行业的发展，相关建筑的节能环保设计受到了人们的重视，其中建筑节能成为一个不可忽视的问题，建筑节能是当今社会发展的重要方向，而高效节能建筑的推广和应用则是实现这一目标的重要途径[1]。随着我国建筑节能从业人员的不断深入研究与推广，技术人员在建筑节能方面积累了丰富而又宝贵的经验并取得了不错的成果，对于各种方法和技术的综合应用有了更深入的了解[2]。本文以某高层办公建筑为例，从节能的角度出发，展开设计研究。

1 某高层办公建筑实例

该建筑为办公楼建筑，高度50m，地上5层、地下1层（局部2层）。设计采暖采用室外供热制冷系统及室内地暖采暖。建筑面积为6382m2，其中办公面积3842m2。本项目为《中国建筑节能标准》中规定的建筑节能设计标准中“办公建筑应执行集中供热和末端节能设计标准”条款要求建设的新建、改建、扩建办公建筑。

本建设项目所在地的平均温度为25.3℃，夏季最高温度39.4℃，冬季最低温度-6.2℃。近两年采暖期平均温度18.3℃（全年平均温度25.6℃）；冬季最高温度30.8℃（全年平均温度26.7m2）。

综合考虑本项目的节能改造需求，参照《中国建筑节能标准》中的建筑能耗指标，设计该建筑的节能参数，见表1。

表1 建筑节能参数设计

《中国可持续发展报告》指出，在未来10年，我国将进一步推动节能技术的发展，实现节能工作新突破。

目前，该建筑的面积能耗水平较高，造成能源浪费较大。从近几年我国建筑节能工作的进展来看，可利用的节能技术有很多[3]。其中，应用较为广泛的是建筑热泵等其他新型供热、制冷节能技术。这些技术包括太阳能加热、空气源热泵等多种应用节能技术。

2 某高层办公建筑节能技术应用

2.1 照明系统节能设计

为提高该高层办公建筑的节能效果，首先从照明系统角度出发，在控制建筑其他参数不改变的情况下，在原有基础上改变照明功率密度，以此达到降低能耗的效果。在保证办公建筑内部光照强度的前提下，根据照明功率密度和照度来决定最小的亮度。其中，照明功率密度与照度之间存在下述关系：

式中LPD达标照明系统的功率密度；Eav代表照明系统的照度；ηs代表光源处产生的光效；U代表照明系统的利用系数；K代表高层办公建筑中对照明系统的维护系数。

结合公式可以明确，随着照明功率密度的不断降低，照明所产生的能耗将随之降低。在明确这一关系后，优化照明系统的控制方式可以实现对照明系统的节能设计。在建筑物内部进行积极的节能行为，可以有效地减少建筑物的能源消耗，例如在日照充足的情况下，应适当关掉一些照明设备[4]。根据数据显示，照明所消耗的电力约为12%。但是，造成这种现象的原因很多，主要是由于节能灯普及率不高，社会对能源节约的认识不够[5]。针对这一问题，可以采取的措施除了对照明系统进行节能设计之外，还可以对照明的控制进行优化，根据室内人数、室外光线是否充足、室内人员的要求来调整照明系统的照度、开度等，从而减少了不必要的浪费。由于软件的局限性，本文通过对建筑各时段的光照利用率进行优化。为进一步提高照明系统的节能效果，还可通过图1所示的方式实现对照明系统的智能控制。

图1 照明系统智能控制结构图

根据办公建筑实际的照度需要，通过电子技术、通信技术以及计算机网络技术将各个灯具有机连接，以此实现对其智能管理和控制，同时可实现对其远程控制，进一步降低能源损耗的可能性。

2.2 围护结构节能设计

围护结构对高层办公建筑的空调能量消耗有很大的影响，其中最重要的是其热工性能。围护结构的性能良好，则可有效地减少室内与室外之间的热能量交换，降低部分的能耗均来自空调的能耗，对照明、电气设备的消耗不会产生任何影响[6]。围护结构主要包括外墙、屋顶、外窗和遮阳。建筑外墙保温厚度对空调能耗的影响比较显著，其能耗与外墙换热系数的变化趋势大致相同，而不采用保温外墙建筑物的空调能耗要高于采用外墙保温的建筑物[7]。针对不同材料在不同保温层厚度下的SIR（经济投资效益比）值进行对比分析，得到如图2所示的曲线图。

图2 不同材料在不同保温层厚度下的SIR值曲线对比

随着保温材料厚度的增大，其总体变化趋势呈逐步下降的趋势。从横向比较可以看出，玻璃棉板材SIR最大，是一种更好的隔热材料。按照上述相同思路，从经济性角度分析，厚度为50mm的XPS保温板为高层办公建筑最佳的屋顶保温方案。对于建筑外遮阳结构的设置需要结合高层办公建筑周围具体情况进行具体分析，以上述建筑项目为例，高层办公建筑周围存在与其高度相仿的建筑，则太阳辐射对建筑能耗的影响有限，在综合考虑遮阳成本的情况下不适宜采用建筑外遮阳结构。

2.3 空调系统节能设计

已知上述高层办公建筑内的空气调节系统是以邻近的一家高层宾馆为基础，与其相邻的一家高层宾馆共用一套冷热源，并共用一间机房。由于宾馆和本楼都有供冷、供热、生活用水的需要，所以冷热源必须能满足以上两方面的需要，因此在冷热源方案中，可选用与宾馆同类型的直燃机[8]。针对冷热源的节能设计，在该系统原有结构基础上，增加两台直燃机机组，并将其与原有机组共同作为酒店与高层办公建筑的冷热源系统。本项目使用的直燃机是以天然气为燃料的，天然气是一种价格合理、燃烧无污染的清洁能源，具备节能条件。在选择冷热源方案时，要根据精确的负荷选择合适的冷热源。为了避免系统达到恶劣的运行状态，通常都要用一个安全系数来确定，以确保空调器的容量（制热冷却）能够满足建筑物的负载要求。空调器的负载随着季节的不同而发生改变，当满载运行的时间很短时，热源消耗降低，热系数增大，对应的制冷系数也随之增加。在制热条件下，仅采用高压发电机和蒸发器（或热水器）参与工作，在制热量低时，高压发电机所产生的蒸气量会降低，消耗的燃油也会降低，热效率会有所改善。在选择冷热源时，将其乘以适当的安全系数，使其在适当的局部负载下工作，从而增加其热系数，减少整个机组在运行过程中的能量消耗。

3 实证分析

针对本项目的节能设计研究，提出了适合本地区使用的节能方案。设计中，采用新型辐射供暖系统，通过增加空气源热泵制冷循环及蓄热装置，使建筑有效利用空间内的热量实现室内温度调节。蓄热装置主要包括电加热器、蓄热片及蓄热单元三部分，通过电加热器为电热片通电并在电加热器上蓄热。根据空气源热泵设定温度的不同，在蓄热单元内同时蓄热，以达到更好的节能效果。通过对该区域使用的空气源热泵供暖及蓄热单元的实测数据与其他地区的对比可以看出，该方法对空气源热泵系统能明显提高采暖的性能优势：①可显著减少建筑物供热能耗；②减少运行费用；③能提高建筑冬季供暖效果；④减少空调能耗；⑤提高经济效益（因此空气源热泵供暖可显著提高该地区的运行效率和节能水平）；⑤减少供暖能耗；⑥具有显著社会效益。在此基础上，设计建筑的围护结构，见表2。

表2 建筑围护结构设计参数

按照上述内容，完成建筑节能设计，对比建筑现行照明功率密度限值与建筑目标照明功率密度限值，其结果见图3。

图3 建筑现行照明功率密度限值与建筑目标照明功率密度限值对比

在此基础上，对比建筑节能设计后的能耗情况，其结果见表3。

表3 建筑节能设计后的能耗情况/kWh/m2·a

4 结语

（1）根据建筑现行照明功率密度限值与建筑目标照明功率密度限值对比结果，现行照明功率密度限值可以达到标准，说明设计的节能方案在应用中可以满足建筑照明使用需求。

（2）根据表3建筑节能设计后的能耗情况，建筑中不同耗能设备在使用中的能耗显著低于期望能耗，说明设计的技术在应用中节能效果良好。

（3）基于以上研究成果结合本建筑的特点以及实际需要提出了以下改进建议：①加强技术人员的培训和设备更新工作的落实；②加强对新风机房和风机盘管控制柜内的维护管理；③加强对地暖管末端的安装和质量的监督把关；④在进行上述改造项目时，要认真考虑空气源热泵供暖能耗，对冬季采暖期的影响，并及时调整系统运行参数，以保证改造工程能实现较高低温条件下的取暖效果。