潘 曉，陳毅興,2，鄧 章，陳志華，楊楚豪

(1.湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410082；2.湖南大學(xué) 建筑安全與節(jié)能教育部重點實驗室，湖南 長沙 410082；3.東南大學(xué) 建筑設(shè)計研究院有限公司，江蘇 南京 210008)

自2001年以來，公共建筑竣工面積約80億m2，約占當(dāng)前公共建筑保有量的79%，公共建筑面積大量增長的同時，大體量公共建筑占比也顯著增加[1].2018年全國建筑運行能耗統(tǒng)計中，人均面積占比僅19%的公共建筑，能耗和碳排放占比高達40%[2].公共建筑中商場建筑體量大、空間集中、人流量大，對建筑熱舒適要求較高，因此供熱、供冷時間長，能耗密度大、節(jié)能潛力較大.建立商場建筑的典型能耗模型，有助于了解商場建筑的能耗特點，研究商場建筑實現(xiàn)零能耗的路徑和可行性，為實現(xiàn)2060年 “碳中和”目標(biāo)提供依據(jù).

目前，關(guān)于典型能耗模型搭建的研究，主要是參照建筑節(jié)能、熱工設(shè)計的規(guī)范與標(biāo)準.Carnieletto等[3]基于建筑能源規(guī)范和標(biāo)準開發(fā)了46個意大利典型建筑能耗模型，包括16個單戶住宅、16個多戶住宅和14個辦公樓.陳智博等[4]參照《公共建筑節(jié)能設(shè)計規(guī)范》、《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》等，建立了中國三類公共建筑(辦公樓、商場、酒店)在北京、上海和廣州的EnergyPlus典型能耗模型.桂晨曦等[5]基于建筑設(shè)計等相關(guān)規(guī)范標(biāo)準構(gòu)建了北京地區(qū)4個居住建筑和11個公共建筑(包括辦公、酒店、商場、學(xué)校、醫(yī)院5種類型)的典型能耗模型.

要搭建較為詳細的能耗模型，除了參照規(guī)范與標(biāo)準外，還需要通過詳細的現(xiàn)場調(diào)研來獲取模型輸入?yún)?shù).美國能源信息管理局(U.S.Energy Information Administration)從1979年開始，對商業(yè)建筑(CBECS項目[6])和住宅建筑(RECS項目[7])的建筑信息和能耗進行了詳細調(diào)研，并公開統(tǒng)計數(shù)據(jù)用于支持建筑節(jié)能.這些調(diào)研數(shù)據(jù)平均每四年左右公布一次，為后續(xù)美國能源部建立商業(yè)建筑和住宅建筑的典型能耗模型[8]提供了重要依據(jù).Lü等[9]通過調(diào)研統(tǒng)計珠江三角洲200多棟商業(yè)建筑的尺寸、形狀、方位、圍護結(jié)構(gòu)參數(shù)以及內(nèi)部空間分布等基本信息，建立了珠三角地區(qū)商場、辦公和酒店的典型能耗模型.桂晨曦等[5]采用問卷調(diào)研的形式來獲取空調(diào)采暖開關(guān)方式、人員上下班時間等，并歸納出了典型用能模式作為DeST能耗模型的輸入.Peng等[10]調(diào)研了珠三角地區(qū)120個住宅小區(qū)，建立了珠三角地區(qū)三種住宅建筑的典型能耗模型.朱麗等[11]實地調(diào)研了天津地區(qū)5所高校的宿舍(10棟)、教學(xué)樓(7棟)和食堂(5棟)，并根據(jù)現(xiàn)行標(biāo)準規(guī)范，建立了宿舍、教學(xué)樓、食堂的EnergyPlus能耗模型，用于分析建筑的能耗強度、供熱量和供冷量.

此外，建立典型能耗模型，還需要分析建筑實測的能耗數(shù)據(jù)，以獲取建筑的運行作息和用電強度等信息.Zhao等[12]通過分析辦公設(shè)備的電耗數(shù)據(jù)來獲取辦公建筑的典型人員作息，并將該作息輸入到美國能源部的典型中型辦公建筑能耗模型中，分析人員作息對不同氣候區(qū)建筑能耗的影響.Kontar等[13]通過對實測電耗數(shù)據(jù)聚類得到照明、設(shè)備、供暖、和制冷的用能模式，作為模型的輸入，對城市群建筑能耗模型進行校準.Giuseppina等[14]以國家人員時間利用情況調(diào)查(National Time Use Survey)為依據(jù)，確定典型人員作息，開發(fā)典型住宅能耗模型，用于分析住宅建筑的供熱能耗需求.

建立高能耗公共建筑的典型能耗模型，有利于了解該類建筑的能耗特點及節(jié)能潛力.然而，國內(nèi)針對各類建筑的調(diào)研數(shù)據(jù)還較為缺乏.本文創(chuàng)新性地結(jié)合建筑標(biāo)準與規(guī)范、現(xiàn)場調(diào)研、和實測分項計量數(shù)據(jù)分析三種方式，以長沙商場建筑為例，研究搭建典型建筑能耗模型的方法.

1 研究方法

本研究建立的典型能耗模型考慮了整體能耗以及空調(diào)、照明、設(shè)備等各分項能耗.模型的主要輸入包括建筑幾何尺寸、空間布局、圍護結(jié)構(gòu)、照明、設(shè)備、人員等室內(nèi)熱擾，以及空調(diào)系統(tǒng)和生活熱水系統(tǒng).

圖1為本研究的技術(shù)路線圖.

圖1 研究技術(shù)路線

本文首先通過現(xiàn)場調(diào)研、高德和百度室內(nèi)地圖調(diào)研，對長沙40個商場進行了調(diào)研，包括建筑的地上輪廓面積、層高、樓層數(shù)、窗墻比、不同朝向外圍店鋪進深、走廊寬度、及主要功能分區(qū)占比.此外現(xiàn)場實測了其中13棟商場建筑冬季、夏季以及過渡季節(jié)不同功能分區(qū)的室內(nèi)溫度.圍護結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)以及空調(diào)系統(tǒng)主要參考GB50189-2015《共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準》[15]中關(guān)于夏熱冬冷地區(qū)的相關(guān)要求.利用K-means算法對長沙某購物中心逐時分項能耗進行聚類分析，以獲取照明和設(shè)備的典型運行作息.K-means聚類根據(jù)所設(shè)定的聚類數(shù)k值，選取k個聚類中心，把每個對象分配給距離它最近的聚類中心，聚類中心再根據(jù)聚類中現(xiàn)有的對象來重新計算.通過不斷迭代，

直到?jīng)]有對象被重新分配給不同的聚類，聚類中心不再變化.采用和戴維森堡丁指標(biāo)(Davies-Bouldin Index，DB指標(biāo))來判斷最佳聚類數(shù)k值.DB指標(biāo)利用簇內(nèi)與簇間距離的比值代表分類效果，可以避免K-means算法中由于只計算目標(biāo)函數(shù)而導(dǎo)致局部最優(yōu)的情況，DB指標(biāo)值越小，分類效果越好.人員密度、燈光、設(shè)備功率密度等參數(shù)結(jié)合建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準以及文獻調(diào)研得到.生活熱水系統(tǒng)參照美國能源部典型商業(yè)建筑模型[16]設(shè)定.氣象數(shù)據(jù)(包括干球溫度、露點溫度、風(fēng)向、風(fēng)速、太陽水平輻射強度、太陽總輻射強度等)使用了EnergyPlus中長沙地區(qū)的TMY3格式氣象文件.以上主要特征參數(shù)確定后，通過SketchUp OpenStudio Plugins建立幾何模型，使用OpenStudio App搭建了商場能耗模型，利用EnergyPlus進行模擬計算，獲得典型商場建筑的模擬能耗.將典型商場建筑能耗結(jié)果與長沙地區(qū)商場建筑的能耗水平對比，確保模擬結(jié)果在可信范圍之內(nèi).

1.1 商場幾何模型搭建

圖2為商場的幾何參數(shù)調(diào)研結(jié)果，包括40棟商場的建筑面積、層高與層數(shù)，及外圍店鋪進深.40棟商場的面積中位數(shù)為93 546 m2，地上層數(shù)4.9層、地下1.5層，層高4.7 m.不同朝向的外圍店鋪進深分別為東向17.7 m，南向19.8 m，西向20.8 m，北向15.9 m.實地調(diào)研發(fā)現(xiàn)商場外窗可分為零散分布在外墻的窗戶，半玻璃幕墻，全玻璃幕墻三類，商場建筑更加追求外立面的一體化設(shè)計和內(nèi)部空間的高效利用，外窗較少，多在一層設(shè)置玻璃幕墻.本文根據(jù)商場外立面圖片估算窗墻比，結(jié)果如圖3所示，長沙40棟商場的窗墻比在0.15～0.7之間，平均水為0.35.本文的典型模型中選用矩形形狀，長度為185 m，寬度為98 m，地上5層，地下1層，層高4.7 m，地上樓層的窗墻比0.35，走廊進深10.85 m，各朝向的外圍店鋪進深根據(jù)調(diào)研平均值設(shè)置，如圖12所示.

圖2 商場幾何參數(shù)調(diào)研

圖3 商場建筑的窗墻比

接著，對40棟商場主要功能分區(qū)的占比進行調(diào)研，主要采用了高德、百度室內(nèi)地圖及實地調(diào)研的方式圖4展示了部分商場樓層的主要功能分區(qū)，40棟商場各功能分區(qū)的占比統(tǒng)計如圖5所示.商場主要包括8種功能分區(qū)，40棟商場各功能分區(qū)的占比統(tǒng)計如圖5所示.商場主要包括8種功能分區(qū)，包括服裝配飾、中庭走廊、停車場、餐飲、超市、童玩?zhèn)€護、辦公、和影城.服裝配飾面積占比最高為33.4%，輔助空間(中庭、走廊和停車場)占比之和為38%，其余功能區(qū)占比大小依次為培訓(xùn)辦公、餐飲、超市、影城、童玩.

圖4 長沙部分商場樓層平面圖

圖5 40棟商場建筑內(nèi)部功能分區(qū)及占比統(tǒng)計

1.2 圍護結(jié)構(gòu)、空調(diào)系統(tǒng)設(shè)定

圍護結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)以及空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)定參考GB50189—2015《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準》[15]選取.購物中心由于空間較大、人員較多、需要集中進行溫濕度控制，一般采用全空氣系統(tǒng).根據(jù)標(biāo)準，夏熱冬冷地區(qū)冷源一般采用電驅(qū)動冷水機組，熱源采用燃氣鍋爐形式；劉倩[17]等人調(diào)研了長沙18棟商場建筑的空調(diào)系統(tǒng)形式，冷源以離心式冷水機組(15棟)為主，還有離心式、螺桿式冷水機組組合(2棟)、直燃式冷水機組(1棟)等；熱源主要采用燃氣鍋爐(8棟)、直燃機(6棟)形式或者無熱源的形式(4棟).故本研究中商場建筑采用全空氣空調(diào)系統(tǒng)形式，冷熱源分別采用離心式冷水機組和燃氣鍋爐的形式.圍護結(jié)構(gòu)、空調(diào)系統(tǒng)和熱水系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定如表1所示，其中設(shè)備選型通過EnergyPlus的自動選型(Autosize)功能實現(xiàn).

表1 圍護結(jié)構(gòu)和空調(diào)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定

此外線上調(diào)研了40家商場的營業(yè)時間，主要營業(yè)時間段有4種：10∶00～22∶00，9∶00～22∶00，9∶30～22∶00和10∶00～22∶30，分別占比67%，20%，8%，5%.部分商場周五至周日的晚上比平時多半小時.選取多數(shù)商場的營業(yè)時間10∶00～22∶00作為典型商場建筑的空調(diào)運行時間.

1.3 典型建筑各功能分區(qū)內(nèi)擾和設(shè)定溫度

不同功能分區(qū)的照明和設(shè)備功率密度不同，人員密度也不同.典型商場照明功率、設(shè)備功率和人員密度的參數(shù)設(shè)定如表2所示.

表2 典型商場照明、設(shè)備功率和人員密度設(shè)定

不同功能分區(qū)照明功率密度取值參考GB50034—2013《建筑照明設(shè)計標(biāo)準》[18]設(shè)定.設(shè)備功率密度取值參考GB50189—2015《建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準》[15].為了獲取商場照明和設(shè)備的作息規(guī)律，利用K-means算法對一棟商場3年總計1 095天的分項計量電耗數(shù)據(jù)進行聚類分析，通過DB指標(biāo)(Davies-Bouldin Index)判斷最佳聚類數(shù).設(shè)備和照明電耗聚類數(shù)k值和DB指標(biāo)的關(guān)系如圖6所示，可以看出，設(shè)備和照明電耗的最佳聚類數(shù)分布為3和2.

圖6 設(shè)備和照明電耗聚類數(shù)k值對應(yīng)的DB指標(biāo)

照明電耗的聚類最佳K值為2，如圖7所示，商場照明主要有兩種典型用電負荷曲線，商場照明主要分布在營業(yè)期間9∶30～22∶00，并且照明使用比例隨營業(yè)時間逐步增加，19∶00～22∶00照明100%開啟.非營業(yè)時間段主要有樓體、景觀等夜景照明以及其他室內(nèi)外應(yīng)急照明等.圖6中整體用電量較高的cluster 0占33%，cluster 1占67%，按一周七天計，其比值為4.7∶2.3，四舍五入后為5∶2.Cluster 0中周六和周日的天數(shù)較多，且cluster 1中周一至周五的天數(shù)較多，因此把cluster 0 作為周末的照明作息，把cluster 1作為周一至周五的照明作息，得到商場典型照明作息如圖8所示.

圖7 照明用電典型負荷曲線

圖8 商場建筑照明作息典型模式

商場設(shè)備電耗聚類最佳K值為3，典型用能模式如圖9所示.商場設(shè)備用電呈現(xiàn)“雙峰”特征，每天10∶00～14∶00以及17∶00～20∶00時間段設(shè)備使用率為100%.圖9中三類負荷曲線cluster 0、cluster 1、cluster 2天數(shù)占比分別為48%、30%、22%，一周按七天計，比值為3.4∶1.5∶2.1，四舍五入后為3∶2∶2.Cluster 0在周一、四、五的天數(shù)較多，cluster 1在周二、三的天數(shù)較多，cluster 2在周六和周日的天數(shù)較多，因此把Cluster 0作為周一、四、五的作息，cluster 1 作為周二、三的作息，cluster 2作為周六和周日的作息，建立典型商場設(shè)備作息，如圖10所示.

圖9 設(shè)備用電典型負荷曲線

圖10 商場建筑設(shè)備作息典型模式

人員逐時在室率參照鄭林濤等人[22]在對夏熱冬暖地區(qū)5家商場公共區(qū)域、服裝配飾、餐飲、超市、影院、童玩等6個功能分區(qū)人員作息調(diào)研結(jié)果，分為工作日和周末兩種作息模式，如圖11所示.辦公區(qū)域人員作息模式參照文獻[15]設(shè)定.商場的室內(nèi)溫度設(shè)定值如表3所示，在依據(jù)文獻[15][19]的基礎(chǔ)上，實測了長沙13棟商場在1月份(冬季)、7月份(夏季)正常營業(yè)時間內(nèi)的不同功能區(qū)的室內(nèi)溫度.

圖11 不同功能分區(qū)人員作息模式(數(shù)據(jù)來自[15][22])

表3 典型商場設(shè)計參數(shù)設(shè)定

2 模型搭建與模擬結(jié)果分析

2.1 OpenStudio能耗模型搭建

根據(jù)調(diào)研結(jié)果，本文的參考模型選用矩形形狀，長度185 m，寬度98 m，外圍店鋪進深取10～15 m，走廊進深10.85 m，層高4.7 m，窗墻比0.35，地上5層，地下1層.商場地下一層一般用作停車場，一層主要為體積小、租金貴、可以代表商場形象的珠寶配飾區(qū)或者可以引流的百貨超市；二至三層主要是男女品牌服裝配飾、兒童娛樂等；四五層主要是餐飲、影城以及培訓(xùn)辦公等可以帶來人氣的功能區(qū)；中庭走廊從一層貫穿至頂層.典型商場能耗模型各樓層分區(qū)如圖12所示，其中各功能分區(qū)的占比與圖5一致.

圖12 典型商場建筑的幾何模型

2.2 典型商場能耗模型結(jié)果

典型商場EnergyPlus能耗模型結(jié)果中年耗電量為192.7 kW·h/(m2·a)，燃氣消耗量為0.21 GJ/(m2·a).各分項用電量如圖13所示，其中制冷、照明、設(shè)備、風(fēng)機、水泵、和冷卻塔的用電強度分別為51.3、51.3、52.5、44.1、16.4、16.9、11.6 kW·h/(m2·a)，用電量占比分別為27%、27%、23%，8%、9%、6%.各用電分項逐月電耗分布如圖14所示.燃氣能耗中供暖能耗占比94.7%，生活熱水能耗占比5.3%，燃氣逐月用能如圖15所示.

圖13 典型商場模型各分項用電量(kW·h/(m2·a)

圖14 典型建筑能耗模型各分項逐月電耗指標(biāo)

圖15 典型建筑能耗模型逐月燃氣能耗

2.3 能耗結(jié)果的對比分析

表4列舉了部分地區(qū)商場建筑的年能耗調(diào)研結(jié)果，其中長沙地區(qū)商場的年平均能耗指標(biāo)為226.9 kW·h/(m2·a)，包含電力和燃氣(天然氣折電系數(shù)為10.82[17]).本文所搭建的典型商場EnergyPlus能耗模型結(jié)果中年耗電量為192.7 kW·h/(m2·a)，燃氣消耗量為0.21 GJ/(m2·a)，模擬的用電量結(jié)果在長沙地區(qū)商場建筑年能耗水平范圍之內(nèi)，與文獻調(diào)研結(jié)果較為接近，具有一定的可信度.

表4 不同地區(qū)商場建筑的能耗水平統(tǒng)計

3 結(jié)論

本文首先對長沙40棟商場進行詳細調(diào)研，結(jié)果顯示商場平均地下有一層為停車場，地上五層，樓層高4.7 m，窗墻比0.35，其中服裝配飾占33.4%，中庭走廊占20.9%，停車場占17.1%，培訓(xùn)辦公區(qū)域占11.2%，餐飲區(qū)占6.9%，超市占3.8%，影城占比3.8%，兒童個護占2.9%.冬季室內(nèi)平均溫度在20～24 ℃,夏季室內(nèi)平均溫度在25～30 ℃.

接著對長沙某商場的實測設(shè)備與照明的分項電耗數(shù)據(jù)進行聚類分析，得到商場照明和設(shè)備的典型用電模式.按照不同模式內(nèi)日負荷曲線占比情況構(gòu)建了典型商場的照明和設(shè)備作息時間表.

最后，本研究基于長沙商場的典型幾何信息、功能分區(qū)特征、圍護結(jié)構(gòu)參數(shù)、空調(diào)系統(tǒng)、熱水系統(tǒng)、室內(nèi)熱擾參數(shù)等數(shù)據(jù)使用SketchUp OpenStudio Plugins和OpenStudio App建立了長沙商場的典型EnergyPlus能耗模型.EnergyPlus模擬結(jié)果中年耗電量為192.7 kW·h/(m2·a)，燃氣消耗量為0.21 GJ/(m2·a).模擬的用電量結(jié)果與長沙商場的用能調(diào)研數(shù)據(jù)較為接近，模擬結(jié)果在合理范圍之內(nèi).本研究建立的夏熱冬冷地區(qū)商場建筑典型能耗模型具有一定的代表性，可為今后城市建筑群能耗模擬提供模型基礎(chǔ).

本文存在一些不足之處.由于商場工作日和節(jié)假日均在運行，每天營業(yè)時間達12 h以上，內(nèi)部熱擾對空調(diào)年能耗影響巨大.本研究中設(shè)備、照明的作息時間表僅根據(jù)長沙某商場逐時分項電耗數(shù)據(jù)聚類得到，不具有典型性，未來還需收集更多商場的實測能耗數(shù)據(jù).在得到照明和設(shè)備的作息聚類結(jié)果后，本文作者首先使用了決策樹分析，想建立起每類作息與天氣參數(shù)、工作日/休息日、季節(jié)等因素的關(guān)系，但未能得到較好的結(jié)果，因此采用了較為簡單的方式建立了每周作息.本文人員作息的輸入信息采用了夏熱冬暖地區(qū)的數(shù)據(jù)，氣候差異可能會影響人員活動時間.今后需要針對夏熱冬冷地區(qū)的商場進行詳細的人員作息調(diào)研，以獲取更為準確的人員密度及作息信息.