祝捷1

(天津大學(xué)建筑設(shè)計(jì)規(guī)劃研究總院，天津 300073)

生態(tài)城建設(shè)中建筑能耗評(píng)估的探討

祝捷1

(天津大學(xué)建筑設(shè)計(jì)規(guī)劃研究總院，天津 300073)

以某生態(tài)建筑為例，對(duì)耗能情況進(jìn)行綜合分析，介紹各系統(tǒng)的整合應(yīng)用，并用模擬軟件計(jì)算建筑能耗，模擬結(jié)果達(dá)到生態(tài)城綠色公共建筑的能耗控制性指標(biāo)要求，并實(shí)現(xiàn)打造“零能耗建筑”的目的。建議業(yè)主后期運(yùn)行時(shí)，追加設(shè)置能耗數(shù)據(jù)采集和能源管理等策略。

生態(tài)城市、綠色建筑、能耗指標(biāo)、測(cè)算評(píng)估

引言

生態(tài)城市的發(fā)展目標(biāo)是要建設(shè)人與自然和諧共處并可持續(xù)發(fā)展的城市，近年來(lái)中國(guó)的生態(tài)城建設(shè)在發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)、加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)、節(jié)約能源資源、構(gòu)建和諧社會(huì)等方面做出的努力和探索，對(duì)未來(lái)的城市建設(shè)和創(chuàng)造美好人居環(huán)境具有重要意義。生態(tài)城的建設(shè)中要求建筑單體應(yīng)為綠色建筑，經(jīng)過(guò)幾年來(lái)的綠色建筑工程實(shí)踐，我們對(duì)綠色建筑的認(rèn)識(shí)不斷加深。在研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，目前我國(guó)的生態(tài)城建設(shè)和綠色建筑發(fā)展存在如下問(wèn)題：

建筑的實(shí)際能耗與整個(gè)城市區(qū)域的節(jié)能減排目標(biāo)缺少關(guān)聯(lián)。隨著節(jié)能減排工作的不斷推進(jìn)，許多生態(tài)城都制定了節(jié)能減排的目標(biāo)，并作為城市發(fā)展的重要指標(biāo)。但是在建設(shè)過(guò)程中，并沒(méi)有將這一指標(biāo)分解到建筑能耗、交通能耗、產(chǎn)業(yè)能耗、市政能耗等諸方面。因此，綠色建筑的標(biāo)準(zhǔn)制訂中沒(méi)有確定建筑物的綜合能耗指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，并且在設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有要求對(duì)建筑物的能耗指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，從而使生態(tài)城的整體節(jié)能指標(biāo)無(wú)法測(cè)算和檢驗(yàn)。

現(xiàn)有綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)重技術(shù)措施，輕量化指標(biāo)要求。目前的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和地方標(biāo)準(zhǔn)，多根據(jù)建筑所采用的技術(shù)措施進(jìn)行打分，標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有明確對(duì)于建筑能耗、水耗等指標(biāo)的要求。按照這類評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定的綠色建筑，往往存在獲得綠色建筑評(píng)價(jià)等級(jí)，而實(shí)際的能耗指標(biāo)并不低等問(wèn)題。

生態(tài)城市能耗指標(biāo)探討的意義

生態(tài)城的能耗指標(biāo)是衡量一座生態(tài)城市的建設(shè)成功與否、建筑物是否低碳節(jié)能的重要內(nèi)容。有些專家一直在呼吁建立我國(guó)的建筑能耗統(tǒng)計(jì)平臺(tái)，測(cè)算出建筑物所消耗能源的具體數(shù)據(jù)，定量描述建筑的能耗，我們對(duì)此深表贊同。本文想就生態(tài)城建設(shè)中建筑物的能耗評(píng)估做些探討。

以中新天津生態(tài)城為例，希望建立以能源、水資源能耗指標(biāo)為核心要求、以被動(dòng)式節(jié)能技術(shù)為主要措施的綠色建筑評(píng)價(jià)體系。按照中新天津生態(tài)城指標(biāo)體系和總體規(guī)劃要求，生態(tài)城內(nèi)綠色建筑的比例為100%，目前在建建筑規(guī)模已超過(guò) 300 萬(wàn) m2。

我們選取了公建項(xiàng)目案例，對(duì)單體建設(shè)物設(shè)計(jì)中的能耗指標(biāo)進(jìn)行測(cè)算，并判定是否符合天津生態(tài)城的能耗指標(biāo)要求，并希望對(duì)完善綠色建筑評(píng)價(jià)體系的量化指標(biāo)奠定科學(xué)依據(jù)和實(shí)踐基礎(chǔ)。

單體建筑案例能耗測(cè)算

項(xiàng)目概況

本工程位于天津中新生態(tài)城內(nèi)，建筑面積為3467m2，地上兩層，地下一層，建筑的主要功能為展示及辦公。

本工程的設(shè)計(jì)目標(biāo)為零能耗的綠色公共建筑。通過(guò)被動(dòng)式設(shè)計(jì)使建筑物耗能達(dá)到合理的極限，通過(guò)主動(dòng)式設(shè)計(jì)提高設(shè)備能源使用效率，利用太陽(yáng)能和地?zé)崮艿瓤稍偕茉礉M足建筑能耗需求，打造現(xiàn)場(chǎng)零能耗的可持續(xù)型示范建筑。應(yīng)用清潔技術(shù)、物質(zhì)循環(huán)技術(shù)和生態(tài)產(chǎn)業(yè)技術(shù)等已有技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)天然資源的完全循環(huán)利用，而不給大氣、水和土壤遺留任何廢棄物。

實(shí)例工程能耗模擬計(jì)算分析

建筑用能分析

建筑各用能系統(tǒng)按照各自在建筑物總能耗中所占的比重，可以分為以下幾部分構(gòu)成：照明系統(tǒng)、暖通空調(diào)系統(tǒng)、室內(nèi)設(shè)備、其他系統(tǒng)（電梯、給排水、通風(fēng)等設(shè)備）。

照明能耗包括房間照明、應(yīng)急照明、立面照明、安全和疏散誘導(dǎo)照明等。其安裝功率主要取決于建筑類型和房間功能，各設(shè)備耗電使用性能主要與使用的照明設(shè)備性能相關(guān)，作息時(shí)間由功能房間所決定。

影響空調(diào)采暖系統(tǒng)能耗的因素很多，主要包括：室外氣象條件、室內(nèi)的產(chǎn)熱、產(chǎn)濕、房間的通風(fēng)狀況、圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能、系統(tǒng)形式、設(shè)備的性能及啟?？刂撇呗?。

室內(nèi)設(shè)備能耗指各功能房間內(nèi)所使用的電器設(shè)備，對(duì)應(yīng)不同的功能房間，按照?qǐng)D紙說(shuō)明，確定各設(shè)備的安裝功率，同時(shí)使用的時(shí)間。

其他系統(tǒng)和設(shè)備能耗取決于系統(tǒng)形式，設(shè)備運(yùn)行功率以及控制方式。

建筑圖形信息

為確定本工程是否能夠滿足打造零能耗建筑的目的，根據(jù)施工圖設(shè)計(jì)資料，采用建筑環(huán)境與系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬分析軟件Energyplus，對(duì)建筑負(fù)荷及各系統(tǒng)全年能耗進(jìn)行模擬計(jì)算。邊界條件設(shè)置

室外氣象參數(shù)采用天津市典型氣象年氣象數(shù)據(jù)。

采暖期：11月15日至3月15日，空調(diào)期：6月15日至9月15日。

使用時(shí)間：檔案存儲(chǔ)、普通辦公部分、外窗口辦公按照全年260天工作日計(jì)，公屋展示、銀行按照全年242天工作日計(jì)。

設(shè)備開啟時(shí)間：工作日早上8:00至下午18:00，辦公設(shè)備開啟時(shí)間按照業(yè)主提供的各設(shè)備使用時(shí)間來(lái)確定。

暖通能耗模擬計(jì)算結(jié)果

以采暖空調(diào)系統(tǒng)為例，簡(jiǎn)要說(shuō)明能耗模擬計(jì)算過(guò)程。本工程的空調(diào)冷熱源形式為地源熱泵耦合太陽(yáng)能光熱＋溶液除濕系統(tǒng)。對(duì)部分需24小時(shí)供冷熱的電氣房間及室內(nèi)要求“無(wú)水患”房間采用VRF機(jī)組全年供冷熱。

冷熱負(fù)荷的模擬計(jì)算

該建筑年房間耗熱量（新風(fēng)負(fù)荷除外）為54932.8kWh，合18.3kWh/m2·a；年新風(fēng)耗熱量為83176.99kWh，折合27.7 kWh/m2·a。13144.31kWh，水泵（包括冷凍水泵和冷卻水泵）耗電量6440kWh，溶液除濕機(jī)組耗電量為23680.8kWh，總計(jì)為43265.1kWh。

空調(diào)季系統(tǒng)效率=空調(diào)季耗冷量/空調(diào)季系 能耗=88885.8/43265.1=2.05

采暖季系統(tǒng)能耗：

采暖季高溫?zé)岜美渌畽C(jī)組耗電量為30828.1kWh，水泵（包括用戶側(cè)和原水側(cè)）耗電量為9317.0kWh，溶液冷水機(jī)組耗電量為31145.4kWh，總計(jì)為71290.5kWh。

采暖季系統(tǒng)能效=采暖季耗熱量/采暖季系統(tǒng)能耗=138109.7/71290.5=1.94

單位建筑面積采暖能耗指標(biāo)為23.76 kwh/m2.a

單位建筑面積空調(diào)能耗指標(biāo)為14.4 kwh/m2.a

單位建筑面積采暖空調(diào)能耗指標(biāo)為38.1 kwh/m2.a

建筑物單體能耗統(tǒng)計(jì)匯總

通過(guò)計(jì)算模擬，建筑分項(xiàng)各類能耗數(shù)值統(tǒng)計(jì)如下：

系統(tǒng)分類 空調(diào)、采暖系統(tǒng)給排水系統(tǒng) 通風(fēng)系統(tǒng)年能耗量（kwh/m2.a） 38.1電力系統(tǒng)4.51.11.98單位能耗指標(biāo)（kwh/m2.a） 45.7

該建筑年房間耗冷量（新風(fēng)負(fù)荷除外）為27722.31kWh，單位建筑面積合 8.0kWh/m2·a；年新風(fēng)耗冷量為61163.5kWh，單位建筑面積折合 20.4 kWh/m2·a。

注：系列3為新風(fēng)耗冷量，系列2為房間耗冷量

暖通系統(tǒng)效率

空調(diào)季系統(tǒng)能耗：

該系統(tǒng)空調(diào)季高溫冷水熱泵機(jī)組年耗電量為

依據(jù)中新天津生態(tài)城綠色公共建筑的能耗控制性指標(biāo)，其認(rèn)證級(jí)能耗限值為≤110KWh/m2。該項(xiàng)目能耗指標(biāo)小于≤110KWh/m2，優(yōu)于控制性指標(biāo)要求。

本建筑年總耗能量約為160MWh，采用太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)提供建筑電力要求，光伏發(fā)電總裝機(jī)容量293kWP，全年發(fā)電量295MWh。

天津?qū)偃A北地區(qū)季節(jié)差異較大，夏、春秋季，光伏發(fā)電量大于負(fù)荷用電量。冬季，光伏發(fā)電量小于負(fù)荷用電量。通過(guò)光伏發(fā)電與風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)技術(shù)措施，即可實(shí)現(xiàn)從電網(wǎng)取電，也可向電網(wǎng)饋電的并網(wǎng)形式。即：夏季及春秋季多余的電量饋向電網(wǎng)，冬季從電網(wǎng)取電，從而真正實(shí)現(xiàn)零能耗建筑。

低耗高效性的設(shè)計(jì)

建筑節(jié)能是指在居住建筑和公共建筑的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建造和使用過(guò)程中，通過(guò)執(zhí)行現(xiàn)行建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，提高建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能，采用節(jié)能型用能系統(tǒng)和可再生能源利用系統(tǒng)，切實(shí)降低建筑能源消耗的活動(dòng)。節(jié)能不能簡(jiǎn)單地認(rèn)為只是少用能。節(jié)能的核心是提高能源效率。本工程對(duì)建筑的體形、朝向、窗墻比、遮陽(yáng)措施等不僅影響外在質(zhì)量，而且同時(shí)也影響通風(fēng)、采光、節(jié)能等方面的內(nèi)在因素，進(jìn)行了精心設(shè)計(jì)。

建筑物采用豎向條形窗為主，20%的開窗率，在滿足自然通風(fēng)和采光的同時(shí)，降低了建筑物維護(hù)結(jié)構(gòu)的能耗。依據(jù)清華大學(xué)研究成果，當(dāng)窗墻比在0.2時(shí)，即可滿足自然采光又可以最大程度的降低能耗。在降低體形系數(shù)到合理區(qū)間的前提下，選擇圍護(hù)結(jié)構(gòu)的合理窗墻比是實(shí)現(xiàn)被動(dòng)節(jié)能的重要前提。建筑體型系數(shù)為0.21。

通過(guò)應(yīng)用與建筑結(jié)合良好的坑道風(fēng)、設(shè)置屋頂自然通風(fēng)窗井及大廳地面送風(fēng)口，強(qiáng)化自然通風(fēng)，縮短入口大廳空調(diào)制冷時(shí)間約20%，減少入口大廳空調(diào)制冷能耗約30%。

屋頂設(shè)置光導(dǎo)筒，解決空間內(nèi)區(qū)的自然采光，降低照明能耗。光伏發(fā)電和儲(chǔ)能，為建筑物提供電能。地源熱泵為建筑物提供冷熱源。屋面雨水通過(guò)虹吸收集系統(tǒng)收集全部地下蓄水池，水池中的水用于綠地灌溉和道路澆灑。

能耗的檢測(cè)與維護(hù)運(yùn)行

除了為此項(xiàng)目做了能耗測(cè)算，我們還為建筑后期使用能達(dá)到預(yù)想效果對(duì)業(yè)主提出了兩個(gè)建議。

首先，建議業(yè)主采用能耗監(jiān)測(cè)平臺(tái)，對(duì)實(shí)際運(yùn)行中的總體建筑用電點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控。建筑能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一般由數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站和數(shù)據(jù)中心組成。數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)由監(jiān)測(cè)建筑中的各計(jì)量裝置、數(shù)據(jù)采集器和數(shù)據(jù)采集軟件系統(tǒng)組成。

設(shè)計(jì)初期，為了能打造“零能耗”的綠色節(jié)能建筑，設(shè)計(jì)師對(duì)整體建筑進(jìn)行優(yōu)化配置及設(shè)計(jì)整合，但是實(shí)際運(yùn)行中，是否能按照我們的設(shè)想達(dá)成目標(biāo)，還是未知數(shù)。對(duì)用能點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，掌握建筑用能狀況，發(fā)現(xiàn)用能問(wèn)題，用數(shù)據(jù)“說(shuō)話”，才是我們降低建筑能源消耗，提高能源利用效率，實(shí)施建筑節(jié)能的最終目的。

其次，我們建議業(yè)主與能源管理公司建立長(zhǎng)期合作關(guān)系，即“合同能源管理”。由能源管理公司與用戶簽訂能源管理合同、約定節(jié)能目標(biāo)，為客戶提供設(shè)備采購(gòu)、工程施工、設(shè)備安裝調(diào)試、人員培訓(xùn)、節(jié)能量確認(rèn)和保證等一整套的節(jié)能服務(wù)，以節(jié)能效益分享方式回收投資和獲得合理利潤(rùn)。

建筑能耗評(píng)估建議

我們認(rèn)為生態(tài)城的建設(shè)中，在控制總體能耗目標(biāo)的前提下，應(yīng)對(duì)單體建筑的能耗指標(biāo)提出限定要求，并在單體設(shè)計(jì)階段建立能耗計(jì)算模型，計(jì)算建筑的總能耗和單位能耗指標(biāo)，結(jié)合被動(dòng)式與主動(dòng)式設(shè)計(jì)策略，使其達(dá)到限定要求。

同時(shí)，我們通過(guò)對(duì)某些建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)耗熱量指標(biāo)的計(jì)算，發(fā)現(xiàn)：建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)僅僅滿足《天津市公共（居?。┙ㄖ?jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的最低標(biāo)準(zhǔn)，其建筑物的總能耗指標(biāo)不一定能夠符合天津生態(tài)城提出的“公共（居?。┙ㄖG色建筑等級(jí)的控制項(xiàng)限值”。要使項(xiàng)目的能耗指標(biāo)都符合“限值”要求，就要進(jìn)行采暖系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)以及其它系統(tǒng)的整體能耗測(cè)算，從而在設(shè)計(jì)中對(duì)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)耗熱量指標(biāo)提出要求。

為保證天津生態(tài)城總體能耗指標(biāo)控制限值，建議提高區(qū)域內(nèi)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，而不僅僅是符合天津市節(jié)能建筑的基本標(biāo)準(zhǔn)，從而使每幢建筑都為控制生態(tài)城的總體能耗指標(biāo)做出貢獻(xiàn)。

結(jié)語(yǔ)

國(guó)務(wù)院關(guān)于發(fā)布的“十二五”節(jié)能減排綜合性工作方案中，確定的主要目標(biāo)：到2015年，全國(guó)萬(wàn)元國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值能耗下降到0.869噸標(biāo)準(zhǔn)煤（按2005年價(jià)格計(jì)算）；“十二五”期間，實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源6.7億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。2015年，全國(guó)化學(xué)需氧量和二氧化硫排放總量分別控制在2347.6萬(wàn)噸、2086.4萬(wàn)噸；全國(guó)氨氮和氮氧化物排放總量分別控制在238.0萬(wàn)噸、2046.2萬(wàn)噸。

生態(tài)城市總體能耗指標(biāo)的控制，取決于每個(gè)建筑單體的控制。希望通過(guò)我們的計(jì)算分析，提高大家對(duì)建筑能耗指標(biāo)的控制引起重視，生態(tài)城和綠色建筑不僅僅是采用一些技術(shù)措施，而是“要拿數(shù)據(jù)說(shuō)話”，真正實(shí)現(xiàn)建設(shè)資源節(jié)約、環(huán)境友好型社會(huì)的目標(biāo)。