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        淺析珠海某超高層辦公建筑節(jié)能設(shè)計

        2022-07-14 11:38:58董紅霞邱少騰
        中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2022年7期
        關(guān)鍵詞:能效能耗空調(diào)

        董紅霞 邱少騰 裴 佩

        (1.北京市建筑設(shè)計研究院有限公司,北京 100045;2.深圳市綠大科技有限公司,廣東 深圳 518000)

        0 引言

        由于城市發(fā)展用地緊張,越來越多的建筑以超高層的形式出現(xiàn),超高層建筑的能耗水平一般比普通辦公建筑的高,為了加強(qiáng)對此類建筑能耗的控制,提高能源系統(tǒng)應(yīng)用方案的合理性,需要對其進(jìn)行專項(xiàng)論證評審。

        根據(jù)《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(GB50189-2015)第 1.0.4條:“當(dāng)建筑高度超過 150m 或單棟建筑地上面積大于 200000m2 時,除應(yīng)符合本標(biāo)準(zhǔn)的各項(xiàng)規(guī)定外,還應(yīng)組織專家對其節(jié)能設(shè)計進(jìn)行專項(xiàng)論證。” 該文從項(xiàng)目的建筑形體設(shè)計、設(shè)備機(jī)電系統(tǒng)的節(jié)能措施、全年能耗分析等方面進(jìn)行了闡釋和驗(yàn)證。

        1 項(xiàng)目概況

        該項(xiàng)目位于廣東省珠海市珠澳跨境工業(yè)區(qū),項(xiàng)目總用地面積為8523.67 ㎡,總建筑面積82657.05 ㎡,容積率7.25;建筑高度162m ,項(xiàng)目地下3 層,地上33 層,其中開放式單元式辦公399370.3 ㎡,酒店式辦公17775.90 ㎡,該項(xiàng)目于2018 年10 月通過節(jié)能審查。

        2 節(jié)能專項(xiàng)設(shè)計

        2.1 建筑形體設(shè)計與室內(nèi)環(huán)境

        珠海氣候?qū)傧臒岫貐^(qū),地理上位于珠江口西岸。該地區(qū)在建筑方案階段應(yīng)充分考慮被動節(jié)能技術(shù),建筑的朝向考慮日照、采光、通風(fēng)、遮陽等要求,做到盡量合理。坐北朝南是我國許多地區(qū)的合理朝向。體型設(shè)計也是建筑節(jié)能設(shè)計中非常重要的環(huán)節(jié)。但對于夏季炎熱的南方而言,主要考慮的問題是自然通風(fēng)和建筑遮陽,宜采取舒展通透的平面。項(xiàng)目通過方案綜合比選,結(jié)合當(dāng)?shù)仫L(fēng)貌及建筑風(fēng)格,確定了項(xiàng)目的形體設(shè)計。

        2.2 節(jié)能熱工設(shè)計

        項(xiàng)目在設(shè)計過程中,外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能措施包含以下2個方面: 1)在建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)和材料的選用上,建筑外墻砌塊墻采用200mm 加氣混凝土+雙面20mm 砂漿和35mm鋼筋混凝土+100mm 礦棉、巖棉、玻璃棉板+30mm 保溫砂漿;建筑屋頂隔熱采用30mm 擠塑聚苯保溫板,有效隔絕了熱量。 2)建筑的外窗采用8mm 較低透光Low-E+12mm 空氣+8 透明,在保證透光率的同時具有較佳的傳熱系數(shù)和遮陽系數(shù),有良好的氣密性能和水密性能。

        2.3 暖通空調(diào)節(jié)能措施

        2.3.1 冷熱源機(jī)組選型及方案配置優(yōu)化

        該工程根據(jù)根據(jù)業(yè)主后期產(chǎn)權(quán)及使用功能不同進(jìn)行了系統(tǒng)劃分,其中1 層、21 層、32 層~33 層為業(yè)主自有產(chǎn)權(quán)且自用,需要系統(tǒng)獨(dú)立,整棟大樓空調(diào)分為以下系統(tǒng),見表1。

        空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)形式如下。1~4 層末端采用吊頂式空調(diào)處理機(jī)組+新風(fēng)機(jī)組;5~9 層及21~33 層采用風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)形式,新風(fēng)設(shè)于9 層避難層新風(fēng)機(jī)房內(nèi)。

        項(xiàng)目計量方式如下。11~20 層及22~23 層按房間設(shè)分戶遠(yuǎn)傳計量表,空調(diào)系統(tǒng)主機(jī)處設(shè)總計量裝置,冷凍水及冷卻水補(bǔ)水系統(tǒng)設(shè)計量裝置。

        2.3.2 節(jié)能措施

        節(jié)能措施如下:1)該項(xiàng)目的空調(diào)系統(tǒng)的冷源機(jī)組能效優(yōu)于國家標(biāo)準(zhǔn)及節(jié)能評價值的要求,集中空調(diào)系統(tǒng)為變流量系統(tǒng)。水系統(tǒng)流速設(shè)計采用經(jīng)濟(jì)流速,主管流速控制在1.8m/s~2.4m/s。設(shè)計均選用水阻合理的設(shè)備、閥門,控制系統(tǒng)水阻力,降低水泵能耗??照{(diào)冷凍水系統(tǒng)耗電輸冷比ECR滿足比《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》GB 50189-2015 的節(jié)能限值降低20%以上。2)空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)和通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)單位風(fēng)量耗功率滿足節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)要求,新風(fēng)機(jī)組采用變頻控制。3)水泵、風(fēng)機(jī)能效等級滿足《清水離心泵能效限定值及節(jié)能評價值》GB19762、《通風(fēng)機(jī)能效限定值及能效等級》GB19761中能效等級2 級的要求。4)供暖空調(diào)系統(tǒng)末端現(xiàn)場可獨(dú)立調(diào)節(jié)。地下室設(shè)置與排風(fēng)聯(lián)動的一氧化碳濃度監(jiān)測裝置。

        表1 空調(diào)系統(tǒng)冷熱源系統(tǒng)形式

        2.4 給排水節(jié)能措施

        項(xiàng)目給水水源為城市自來水,提供的城市自來水水壓為0.25MPa。項(xiàng)目合理進(jìn)行分區(qū)并充分利用市政水壓:-3F~2F為一區(qū),3F~9F 為二區(qū),由地下室二區(qū)生活變頻機(jī)組加壓供水;10F~15F 為三區(qū),由地下室三、四區(qū)生活變頻機(jī)組加壓后減壓供水;16F~21F 為四區(qū),由地下室三、四區(qū)生活變頻機(jī)組加壓后減壓供水;22F~28F 為五區(qū),由地下室輸泵及22F 避難層五、六區(qū)生活變頻機(jī)組加壓后再減壓供水;29F~屋面為六區(qū),由地下室輸泵及22F 避難層五、六區(qū)生活變頻機(jī)組加壓后再減壓供水。合理設(shè)置減壓閥。供水壓力超過 0.20MPa 時給水支管上設(shè)減壓閥,控制各層用水器具的流出水頭,不僅可節(jié)約用水,也可增加使用舒適感。

        采取有效措施避免管網(wǎng)損漏。水池、水箱均設(shè)置報警裝置,防止進(jìn)水管閥門故障時,水池、水箱長時間溢流排水。項(xiàng)目實(shí)行分類、分項(xiàng)用水計量措施,每戶均設(shè)置水表,相對集中設(shè)于公共區(qū)域水表井內(nèi),方便計量收費(fèi)。

        所有用水點(diǎn)均采用節(jié)水器具,包括水嘴、小便器、坐便器(單檔、雙檔)和大便器均能達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的用水效率等級1 級的要求。綠化用水采用微灌形式并設(shè)置單獨(dú)用水計量。

        該工程11F~20F 的酒店式辦公采用集中熱水系統(tǒng),最高日生活熱水用水量為67.2 m/d,最高時生活熱水用水量為8.96 m/d,設(shè)計小時耗熱量為461kW?;跐M足熱水需求的情況下提高制冷能效的角度考慮,熱水溫度為45℃/50℃。生活熱水熱源由空氣源熱泵和冷凝熱回收式機(jī)組提供,根據(jù)季節(jié)或室外溫度切換熱源供給方式,最大程度上實(shí)現(xiàn)了建筑余熱利用。

        2.5 電氣節(jié)能措施

        變壓器均采用SCB13 以上級別的干式電力變壓器,其變壓器空載損耗、負(fù)載損耗均達(dá)到《三相配電變壓器能效限定值及能效等級》(GB 20052-2013)中的二級能效要求。在變配電室低壓側(cè)設(shè)置功率因數(shù)集中自動補(bǔ)償裝置,補(bǔ)償后功率因數(shù)不小于0.90,減少配電系統(tǒng)無功損耗。

        該項(xiàng)目為超高層建筑,用電系統(tǒng)較為復(fù)雜,因此設(shè)有電力監(jiān)控系統(tǒng),在低壓系統(tǒng)設(shè)置較為完備的遠(yuǎn)傳式智能計量儀表,對照明插座、空調(diào)、動力、特殊用電等各項(xiàng)用電進(jìn)行分項(xiàng)計量,采集數(shù)據(jù)匯至監(jiān)控中心實(shí)現(xiàn)圖形化的用能監(jiān)測及分析,為項(xiàng)目的用電分戶收費(fèi)、加強(qiáng)節(jié)能管理提供有力保障。

        項(xiàng)目采用LED 光源及其他節(jié)能型燈具,顯色指數(shù)Ra ≥80,色溫在3300K~5300K。各房間場所照度、照明功率密度、一般顯色指數(shù)、統(tǒng)一眩光值等設(shè)計參數(shù)均按《建筑照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(GB50034-2013)規(guī)定進(jìn)行設(shè)計,其中照明功率密度均不高于目標(biāo)值。公共區(qū)域根據(jù)房間功能、使用時間的差異,選擇合理、節(jié)能的照明控制措施。地下車庫、公共走道、大堂、電梯廳、環(huán)境照明、泛光照明等設(shè)置智能照明控制系統(tǒng),相應(yīng)照明配電箱預(yù)留智能照明模塊,可根據(jù)照明使用需求,靈活采用;樓梯間、前室及電梯廳采用紅外感應(yīng)開關(guān)控制,做到人走燈滅;其余物業(yè)用房、設(shè)備房等均采用就地照明開關(guān)控制。

        3 模擬優(yōu)化分析

        為了考察項(xiàng)目的實(shí)際節(jié)能效果及室內(nèi)環(huán)境效果,進(jìn)行了全年能耗模擬及自然通風(fēng)節(jié)能潛力分析,進(jìn)而論證項(xiàng)目可行性及室內(nèi)環(huán)境效果。

        3.1 全年能耗模擬分析

        3.1.1 模擬軟件及參數(shù)

        采用建筑全年能耗模擬軟件eQUEST 3-65 作為項(xiàng)目的能源分析工具。選用珠海典型氣象年8760h 氣象參數(shù),同時根據(jù)《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》GB50189-2015 建立參照模型。通過對設(shè)計模型與參照模型的分析和比較,評價設(shè)計模型的能耗水平,建筑能耗模型信息詳見圖1。

        圖1 項(xiàng)目能耗模型圖(北側(cè)面)

        3.1.2 模擬設(shè)置

        設(shè)計模型是根據(jù)項(xiàng)目設(shè)計圖紙建立。設(shè)計模型的輸入?yún)?shù)(包括建筑分區(qū)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能、暖通空調(diào)系統(tǒng)性能、燈光及設(shè)備負(fù)荷、系統(tǒng)控制模式、運(yùn)行時間等)均按照現(xiàn)行設(shè)計的規(guī)定。其中節(jié)能策略包括高性能圍護(hù)結(jié)構(gòu)、高效冷水機(jī)組、變頻水系統(tǒng)、高效率風(fēng)機(jī)、水泵、高效率照明、利用自然通風(fēng)等方面。

        參照模型以《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》GB50189-2015 為指導(dǎo)建立。參照模型的外墻、屋頂、外窗的熱工性能參數(shù)均按照《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》GB50189-2015 限值,內(nèi)熱源參數(shù)(人員、照明、設(shè)備等)均與設(shè)計建筑保持一致,空調(diào)系統(tǒng)類型均與設(shè)計建筑保持一致,冷熱源性能系數(shù)按照《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》GB50189-2015 限值,輸配系統(tǒng)不考慮變頻節(jié)能措施,水泵、風(fēng)機(jī)功率信息根據(jù)《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》GB50189-2015 要求設(shè)定。設(shè)計建筑與參照建筑的熱工性能參數(shù)見表2,空調(diào)系統(tǒng)形式設(shè)定參數(shù)見表3。

        3.1.3 模擬結(jié)果

        經(jīng)過能耗模擬分析計算本項(xiàng)目設(shè)計建筑全年能耗為6221.265mWh,單位建筑能耗為75.27 kW·h/㎡,其中地上部分單位建筑能耗73.19 kW·h/㎡,地下車庫面積為19506.81 ㎡,通過模擬計算地下車庫設(shè)計建筑的能耗為171.51mWh,單位面積建筑能耗為8.79 kW·h/㎡ 參照建筑能耗為217.159 mWh,單位面積建筑能為11.13kW·h/㎡,設(shè)計建筑與參照建筑年耗電量及單項(xiàng)能耗節(jié)能率分析對比見表4,計算分析可知,其水泵及風(fēng)機(jī)節(jié)能率較高,設(shè)計建筑各組成部分的分項(xiàng)能耗占比構(gòu)成詳見圖2,其中制冷能耗為31%,照明能耗為22%,對應(yīng)節(jié)能率分別為14.29%及8.34%。設(shè)計建筑與參照建筑單位面積能耗指標(biāo)詳見圖3,圖中可見,除電梯及辦公設(shè)備能耗一致外,其余各能耗指標(biāo)設(shè)計建筑均比參照建筑有所降低。

        圖2 設(shè)計建筑能耗占比分析圖

        3.2 自然通風(fēng)節(jié)能潛力分析

        采用eQuest3-65 能耗計算軟件內(nèi)置通風(fēng)模塊Sherman-Grimsrud 方式進(jìn)行通風(fēng)節(jié)能潛力計算,該方式將基于室內(nèi)外溫差、風(fēng)速進(jìn)行自然通風(fēng)節(jié)能計算。

        與無自然通風(fēng)情況下的建筑制冷能耗相比,自然通風(fēng)條件下,建筑的制冷能耗在1 月份和2 月份降低幅度最大,達(dá)到了100%。3、4、11、12 月為51%~60%,5 月和10 月降低幅度不大,分別約為11%和15%,6 月至9 月降低幅度較小,約0%~7%左右。

        由以上分析可以看出,自然通風(fēng)對于降低建筑制冷能耗效果顯著。其中在除夏季外的過渡季節(jié)效果尤為明顯,而對于降低夏季空調(diào)制冷能耗的效果并不大,基本小于7%。這是因?yàn)橹楹5貐^(qū)夏季室外空氣溫度較高、濕度大、太陽輻射強(qiáng),夏季主要依靠空調(diào)系統(tǒng)達(dá)到室內(nèi)的舒適度,能利用自然通風(fēng)的時間很短。而對于其他月份,室外空氣溫度適宜,氣候良好,這時對建筑進(jìn)行自然通風(fēng),就能改善室內(nèi)的熱環(huán)境,降低室內(nèi)空氣溫度,在獲得良好的室內(nèi)熱舒適性的前提下,降低空調(diào)的制冷能耗。

        圖3 設(shè)計建筑與參照建筑單位面積能耗指標(biāo)對比圖

        綜上所述,在室內(nèi)有效的自然通風(fēng)條件下,建筑的制冷能耗比在無自然通風(fēng)情況下,降低了601.2 mWh,下降幅度為21.60%。與無自然通風(fēng)的建筑總能耗相比,降低的制冷能耗約占建筑總能耗的10.3%,因此合理采用自然通風(fēng)可有效縮短全年的空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行時間,有良好的節(jié)能潛力。

        表2 設(shè)計建筑與參照建筑熱工參數(shù)

        表3 空調(diào)系統(tǒng)形式

        表4 設(shè)計建筑與參照建筑模擬能耗模擬結(jié)果

        3.3 結(jié)果分析

        將這次設(shè)計建筑能耗模擬計算結(jié)果與《民用建筑能耗標(biāo)準(zhǔn)》GB/T51161-2016 中夏熱冬暖地區(qū)的約束值進(jìn)行對比,對比結(jié)果見表5。根據(jù)《民用建筑能耗標(biāo)準(zhǔn)》GB/T51161-2016 的基本規(guī)定,不同建筑類型的建筑能耗指標(biāo)應(yīng)小于其所屬氣候區(qū)所對應(yīng)的建筑能耗指標(biāo)約束值。通過模擬計算,得到設(shè)計建筑總能耗約為參照建筑總能耗的88 %,且滿足《民用建筑能耗標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 51161-2016 約束值要求。

        4 結(jié)論

        該項(xiàng)目的主要結(jié)論如下。項(xiàng)目總平面規(guī)劃和建筑方案充分考慮氣候環(huán)境、地塊特性、建筑功能需求等因素進(jìn)行合理布局設(shè)計,圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用熱工性能良好的材料構(gòu)造。通過能耗模擬軟件,分別模擬了項(xiàng)目塔樓在無自然通風(fēng)和有自然通風(fēng)情況下的建筑綜合能耗。相對無自然通風(fēng)的建筑總能耗,有自然通風(fēng)時降低的制冷能耗約占建筑總能耗的 10.3%,具有良好的自然通風(fēng)節(jié)能潛力。暖通空調(diào)系統(tǒng)綜合采用高效冷水機(jī)組、水泵變頻、電氣系統(tǒng)采用高效燈具,智能控制等措施。 模擬后各功能區(qū)域均滿足《民用建筑能耗標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 51161-2016 的相關(guān)能耗指標(biāo)要求,且比參照建筑綜合能耗指標(biāo)降低12%。 目前《建筑節(jié)能與可再生能源利用通用規(guī)范》GB 55015-2021于2022 年4 月1 日開始執(zhí)行,該規(guī)范對建筑熱工、機(jī)組能效及可再生能源應(yīng)用等方面均有了相應(yīng)的提升和要求,該項(xiàng)目為該規(guī)范執(zhí)行前的設(shè)計項(xiàng)目,與目前規(guī)范要求還有一定的差異,建議今后超高層項(xiàng)目需執(zhí)行通用規(guī)范要求,并結(jié)合項(xiàng)目情況合理進(jìn)行可再生能源設(shè)計,并進(jìn)一步提升熱工及能效等方面要求。

        表5 模擬計算結(jié)果與約束值的對比結(jié)果

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