李瑩瑩 廖勝明 饒政華

中南大學能源科學與工程學院

0 引言

據統(tǒng)計，我國建筑能耗已占社會總能耗的30%左右，其中大型公共建筑單位面積能耗遠高于住宅能耗，研究其節(jié)能問題具有重要意義。公共建筑的能耗現狀及影響因素被廣泛研究。Lam等[1]和Joseph等[2]分別對香港和美國的辦公建筑的年能耗進行調查和分析，研究了主要影響因素。江億[3]對建筑物和建筑用能途徑進行了新的分類，提出基于模擬分析的建筑節(jié)能優(yōu)化設計。梁珍等[4]、安秋香等[5]、康一亭等[6]運用正交試驗法和模擬計算分別確定了哈爾濱、上海、北京的辦公建筑能耗的顯著影響因素。

本文運用能耗模擬軟件eQUEST計算得出夏熱冬冷地區(qū)高層辦公建筑的能耗及其特點，采用正交試驗設計的直觀分析方法對影響建筑能耗的主要因素進行顯著性分析，得出影響其能耗的重要因素。研究結果有助于找到建筑節(jié)能的關鍵點，從而指導建筑節(jié)能工作的開展。

1 計算模型與方法

1.1 研究對象

本文以長沙市某高層辦公建筑為研究對象。該建筑正南朝向，地上20層，層高3.5m（吊頂1m），標準層面積1600m2，外區(qū)進深6m，空調面積比為80%。辦公樓空調系統(tǒng)為全空氣定風量系統(tǒng)，選用離心式冷水機組用于夏季供冷，燃氣鍋爐用于冬季供熱，燃氣鍋爐效率0.85，冷卻（凍）水供回水溫差為5℃?？照{僅工作日運行，運行時間為8:00～18:00。

1.2 軟件模擬計算

采用逐時能耗模擬軟件eQUEST對建筑進行能耗計算。eQUEST是在美國能源部（U.S.Department of Energy）和電力研究院的資助下，由美國勞倫斯伯克利國家實驗室（LBNL）和J.J.Hirsch及其合作人共同開發(fā)。eQUEST軟件的計算核心是DOE-2的高級版本DOE-2.2，并在其基礎上做了許多優(yōu)化[7]。

eQUEST軟件運用動態(tài)計算方法計算建筑能耗及各個組件的影響因素，利用系統(tǒng)傳遞函數得出某種單位擾量下的各種反應系數，再用反應系數來求解建筑圍護結構的傳熱量。反應系數法的基本特點是把得熱量和冷負荷的區(qū)別在計算方法中體現出來，且不要求周期擾量為前提，適用于任意擾量，可用于全年負荷的計算和模擬。

1.3 正交試驗設計

正交試驗設計是利用正交表研究多因素、多水平的一種設計方法[8]。設計方法是從試驗因素的全部水平組合中，挑選部分有代表性的水平組合進行試驗，它們具備“均勻分散，齊整可比”的特點，通過對部分試驗結果的分析了解全面試驗的情況，考察各個因素對試驗的影響情況，并對各個因素的每個水平互相搭配，找出最優(yōu)的水平組合。正交試驗的安排可以通過設計正交表來完成，這些正交表可以從有關試驗設計的書籍中查到。

2 計算結果及分析

2.1 建筑能耗分析

根據文獻[9、10]確定建筑的主要熱工參數如下：外窗傳熱系數為3.0W/(m2·K)，遮陽系數為0.8，外墻傳熱系數為0.667W/(m2·K)，屋面?zhèn)鳠嵯禂禐?.5W/(m2·K)。建筑內負荷：人員密度4m2/人，照明功率密度15W/m2，辦公設備功率密度15W/m2?？照{設計參數：夏季 26℃、冬季 18℃，新風指標為 30m3/(h·p)，冷機COP為5。該建筑長寬比為1:2，窗墻比為0.4（南北）、0.3（東西）。

根據所建立的模型，采用長沙氣象參數進行模擬計算，計算得出建筑全年總能耗為5246MWh，全年逐月的耗電量和耗氣量如圖1所示。從圖中可以看出：建筑能耗中所占比重最大的是空調和采暖能耗，其次是照明和設備能耗。其中，采暖和空調隨著月份的變化波動較大，因為其能耗主要與室外溫度有關，隨著室外溫度的升降，空調采暖消耗的能量隨之變化；而照明和設備能耗全年變化不大，因為這些能耗與作息時間有關，隨季節(jié)不變化。圖中顯示出空調最大耗電量出現在8月份為231MWh，采暖最大耗能量出現在1月份為213MWh，總能耗的峰值出現在8月份為588MWh。

圖1 建筑逐月能耗量

2.2 影響因素分析

本文選取10個建筑能耗影響因素：建筑長寬比、窗墻比、外窗類型、外墻傳熱系數、室內設定溫度、新風指標、人員密度、照明功率密度、設備功率密度、冷機COP。將這些因素作為正交試驗的因子，每個因子取3個具有代表性的指標，正交試驗因子及其水平取值見表1。

表1高層辦公建筑正交試驗因子水平表注：外窗類型Ⅰ：K=3W/(m2·K)，SC=0.8；類型Ⅱ：K=3W/(m2·K)，SC=0.5；類型Ⅲ：K=4W/(m2·K)，SC=0.5。

根據正交表L27（313）安排試驗進行27次模擬，計算得出建筑的總能耗，采用極差法對試驗結果進行分析，如表2所示。極差R是用來劃分不同因素重要程度的依據，其值越大，說明該因素由水平改變所引起的試驗結果的變化越大，因素重要程度越高。極差R表示在正交實驗表的任一列上R=max{k1,k2,k3}-max{k1,k2,k3}，其中ki值表示任一列上水平號i（本例中i=1，2，3）所對應建筑能耗之和的算術平均值。

表2 正交試驗中影響因素的極差（MWh）

根據表2中極差R的大小得出影響因素的重要程度為：室內設定溫度＞設備功率密度＞照明功率密度＞外窗類型＞冷機COP＞人員密度＞窗墻比＞新風指標＞建筑長寬比＞外墻傳熱系數。從實驗結果可見，在長沙地區(qū)，影響高層辦公建筑能耗的顯著因素：室內設定溫度、設備和照明功率密度、外窗類型。這樣的試驗結果符合高層辦公樓的建筑與使用特點。

圖2 建筑總能耗隨影響因素各水平的變化規(guī)律

通過正交試驗結果找到建筑物能耗影響因素（建筑朝向、建筑長寬比、窗墻比等13因素3水平）與建筑累計總能耗之間的定量關系，并依此可確定最佳建筑節(jié)能形式的方案，如圖2所示。其中，A1、A2、A3等為A因素l水平、A因素2水平、A因素3水平等，即建筑長寬比為1:1、1:2、1:4等?？梢钥闯觯菏覂仍O定溫度對建筑總能耗的影響很顯著，在夏季過低或在冬季過高都會使建筑能耗增加；設備和照明功率密度越大，建筑總能耗越大；建筑總能耗隨著外窗類型中遮陽系數的增大而增加，而且影響程度較大；建筑總能耗隨冷機COP的增大而降低等。

3 結論

本文利用eQUEST能耗模擬軟件和正交試驗理論對長沙市高層辦公建筑能耗的主要影響因素進行研究，得出以下結論：

1）建筑總能耗中所占比重最大的是空調和采暖能耗，其次是設備和照明能耗。

2）室內設定溫度、設備和照明功率密度是影響建筑總能耗非常重要的因素，這一點提示在空調系統(tǒng)設計中應采用合理的參數，在建筑設計階段選用節(jié)能設備和節(jié)能燈以達到節(jié)能的效果。

3）外窗類型是影響建筑總能耗的主要因素，為了節(jié)約能源，應對窗口和透明幕墻采取外遮陽措施，尤其是對夏熱冬冷地區(qū)的長沙而言就更應重視遮陽。

[1]Lam J C, Hui S C M, Chan A L S. Regression analysis of highhrisefully air-conditioned office buildings[J]. Energy and Buildings,1997, 26(2):189-197

[2] Joseph C Lam, Ricky Y C Chan, C L Tsang, et al. Electricity usecharacteristics of purpose-built office buildings in subtropicalclimates[J]. Energy Conversion and Management, 2004, 45(6):829-844

[3] 江億.我國建筑耗能狀況及有效的節(jié)能途徑[J].暖通空調,2005,35(5):30-40

[4] 梁珍,趙加寧,路軍.公共建筑能耗主要影響因素的分析[J].低溫建筑技術,2001,85(3):52-54

[5] 安秋香.上海市高層辦公建筑空調能耗現狀及其影響因素研究[D].上海:同濟大學,2004

[6] 康一亭,于丹,蘇華,等.辦公建筑能耗基準中影響因子對建筑能耗的影響度[J].中南大學學報,2012,43(1):146-150

[7] 馬曉云.建筑能耗模擬軟件eQUEST及其應用[J].建筑熱能通風空調,2009,28(6):77-80

[8] 邱軼兵.試驗設計與數據處理[M].安徽:中國科學技術大學出版社,2008

[9] 中華人民共和國建設部.公共建筑節(jié)能設計標準(GB50189-20 05)[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2005

[10]湖南省住房和城鄉(xiāng)建設廳.湖南省公共建筑節(jié)能設計標準(DBJ43/003-2010)[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2010