翁建濤，趙康，葛堅(jiān)，應(yīng)小宇

（1.浙大城市學(xué)院國土空間規(guī)劃學(xué)院，浙江杭州 310015；2.浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院，浙江杭州 310058；3.浙江大學(xué)平衡建筑研究中心，浙江杭州 310007）

隨著我國城市化進(jìn)程的快速推進(jìn)，我國建筑行業(yè)規(guī)模已達(dá)到世界第一.與此同時(shí)，建筑全過程能耗也快速增長，這對遏制氣候變化形成了巨大的挑戰(zhàn).2010 年全國建筑全生命周期能耗為12 億t 標(biāo)準(zhǔn)煤，2018 年快速攀升至21 億t 標(biāo)準(zhǔn)煤，占到2018 年全國能源消費(fèi)總量的47%［1］.我國要在2060 年實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)，建筑業(yè)的節(jié)能減排具有至關(guān)重要的作用.建筑運(yùn)行階段的能源消耗占建筑全過程能耗的一半［1］，合理評價(jià)建筑運(yùn)行能耗，能促進(jìn)運(yùn)行性能提升，對于建筑節(jié)能減排具有指導(dǎo)作用.

現(xiàn)階段建筑能耗評價(jià)研究多采用數(shù)據(jù)庫法進(jìn)行評價(jià)，即收集同地區(qū)同類建筑的能耗數(shù)據(jù)，根據(jù)外部氣象、使用情況等因素對實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，據(jù)此構(gòu)建能耗數(shù)據(jù)庫，并采用概率分布［2］、均值、正態(tài)分布及四分位等方法確定能耗定額，以評價(jià)建筑能耗的合理性.國外方面，美國能源部在20 世紀(jì)90年代推出了“Energy Star”計(jì)劃［3］，該計(jì)劃基于近30年氣象條件、使用時(shí)長等多個(gè)因素對運(yùn)行能耗進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，最后對建筑能耗進(jìn)行排序［3］.英國于2007年推出了BS EN 15217 標(biāo)準(zhǔn)［4］用于評估建筑的整體能耗性能.該標(biāo)準(zhǔn)考慮了氣象因素、建筑功能等對能耗的影響.Yang等［5］考慮人員密度、參觀者以及室外溫度開發(fā)了一個(gè)識(shí)別模型來預(yù)測建筑每日能耗，結(jié)果表明人員密度變化對建筑能耗影響最大.Kang等［6］分析了韓國辦公建筑的用能特點(diǎn)，指出人員密度高于31 m2/人的辦公建筑的能耗比低于31 m2/人的辦公建筑低50%以上.Wang 和Shao［7］對英國某大學(xué)圖書館開展了24 h人行為監(jiān)測，結(jié)果表明人員密度隨時(shí)間波動(dòng)較大，受人員活動(dòng)的影響，建筑存在26.1%節(jié)能潛力.Mokhtari和Jahangir［8］以德黑蘭某教學(xué)樓為例，采用EnergyPlus 和MATLAB 結(jié)合的模擬方法，發(fā)現(xiàn)通過優(yōu)化人員分布可以使教學(xué)樓能耗減少32%.

北京、上海、深圳等城市率先建立起了本地區(qū)的大型公共建筑能耗數(shù)據(jù)庫，為掌握公共建筑的用能特點(diǎn)和發(fā)現(xiàn)用能問題奠定了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)［9］.上海和北京已出臺(tái)了針對辦公、學(xué)校、醫(yī)院及公共文化設(shè)施等建筑的合理用能指南.上海市相關(guān)規(guī)定基于上海市公共建筑能耗數(shù)據(jù)，采用四分位法確定了建筑能耗的先進(jìn)值和合理值［10］.《民用建筑能耗標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 51161—2016）［11］根據(jù)全國2 萬余棟公共建筑能耗數(shù)據(jù)，給出了辦公樓、賓館和商場的能耗約束值和引導(dǎo)值，提出了基于使用時(shí)長和人員密度的建筑能耗修正方法.唐文龍等［12］利用定額法建立了南京中小學(xué)建筑能耗定額，并根據(jù)生均面積和每班學(xué)生數(shù)提出了學(xué)校建筑用能修正系數(shù).夏嬋等［13］發(fā)現(xiàn)星級飯店的建筑能耗與入住率和客房規(guī)模呈正相關(guān)，指出入住率調(diào)整為65%更實(shí)際.陳淑琴等［14］基于實(shí)測總結(jié)出空調(diào)的運(yùn)行模式，利用蒙特卡洛等方法描述了人行為對空調(diào)能耗的影響.俞準(zhǔn)等［15］提出了一種基于狀態(tài)轉(zhuǎn)移的時(shí)變隱馬爾科夫模型，提高了在室行為的預(yù)測精度.

綜上，建筑能耗評價(jià)過程受外部氣象條件、建筑本體和使用強(qiáng)度［16］等因素影響，采用實(shí)測值對比，建筑間對比基準(zhǔn)不一，評價(jià)結(jié)果不準(zhǔn)確.能耗影響因素的標(biāo)準(zhǔn)化是建筑能耗評價(jià)研究的關(guān)鍵.外部氣象的影響相對穩(wěn)定，在20%左右［17］.現(xiàn)有研究多以建筑總能耗為目標(biāo)，分析各因素的影響規(guī)律，并提出能耗標(biāo)準(zhǔn)化方法.但實(shí)際情況下，建筑能耗種類繁多，使用強(qiáng)度對各分項(xiàng)能耗的影響存在差異，因此有必要單獨(dú)建立各分項(xiàng)能耗與影響因素之間的關(guān)系，從而提出更加準(zhǔn)確的能耗修正方法.

本文以典型辦公建筑為例，采用Designbuilder建筑能耗模擬軟件，分析使用時(shí)長和人員密度對辦公建筑各分項(xiàng)能耗和總能耗的影響規(guī)律.最后提出基于使用時(shí)長和人員密度的辦公建筑能耗修正方法，并對比其與《民用建筑能耗標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 51161—2016）之間的區(qū)別.

1 研究方法

1.1 典型模型的建立

選取某點(diǎn)式高層辦公建筑作為分析對象，建筑位于浙江省紹興市，已獲得綠色建筑三星級運(yùn)行標(biāo)識(shí).選擇其中的行政辦公標(biāo)準(zhǔn)層，在Designbuilder 軟件中建立能耗分析模型，如圖1所示.

圖1 典型辦公建筑標(biāo)準(zhǔn)層模型Fig.1 Standard floor model of the office typical building

該標(biāo)準(zhǔn)層?xùn)|南西北立面的窗墻比分別為0.53、0.52、0.27 和0.52.外墻傳熱系數(shù)為0.69 W/（m2·K），門窗傳熱系數(shù)為2.4 W/（m2·K），吊頂和樓板設(shè)置為絕熱面.室內(nèi)熱擾參數(shù)由實(shí)地調(diào)研并查閱設(shè)計(jì)文檔得到.標(biāo)準(zhǔn)層辦公區(qū)域人員在室率見表1.辦公區(qū)域照明功率密度為4 W/m2，照度目標(biāo)值為500 lx.照明時(shí)間開關(guān)率見表2.設(shè)備功率密度為11.6 W/m2，逐時(shí)使用率見表3.標(biāo)準(zhǔn)層內(nèi)設(shè)有一個(gè)數(shù)據(jù)機(jī)房，機(jī)房設(shè)備功率為171 W/m2，僅在夏季供冷，其他季節(jié)不開啟空調(diào)設(shè)備.調(diào)研得到空調(diào)運(yùn)行情況如下：供冷季為6月1日到10月25日，供暖季為11月15日到次年3月15日.供冷溫度為25 ℃，供暖溫度為23 ℃.工作日運(yùn)行時(shí)間為8：00—18：00，周六運(yùn)行時(shí)間為8：00—11：30，周日和節(jié)假日空調(diào)不運(yùn)行.室內(nèi)溫度根據(jù)實(shí)測得到，設(shè)備為WSZY-1溫濕度自記儀（準(zhǔn)確度：±0.3 ℃）.

表1 辦公區(qū)域人員在室率Tab.1 Occupancy schedule of office area

表2 辦公區(qū)域照明時(shí)間開關(guān)率Tab.2 Lighting schedule of office area

表3 辦公區(qū)域電器設(shè)備逐時(shí)使用率Tab.3 Electrical equipment schedule of office area

建筑采用水源熱泵系統(tǒng).實(shí)測得到系統(tǒng)制冷EER為3.7，系統(tǒng)制熱COP為3.8［18］.設(shè)備包括WSZY-1 溫濕度自記儀、ZP-1158 超聲波流量計(jì)（準(zhǔn)確度：1.0%F.S）以及485 通信多功能電表.由于缺少紹興氣象數(shù)據(jù)，氣象參數(shù)采用杭州典型氣象年數(shù)據(jù).模擬得到標(biāo)準(zhǔn)層全年各分項(xiàng)能耗結(jié)果（見表4），各分項(xiàng)能耗模擬結(jié)果與實(shí)測能耗數(shù)據(jù)誤差均控制在20%范圍內(nèi)，模擬結(jié)果具有較高的可信度.

表4 標(biāo)準(zhǔn)層能耗校核結(jié)果Tab.4 Check results of energy consumption of standard floor

1.2 工況設(shè)置

通過調(diào)整工作日下班時(shí)間，來設(shè)置不同年使用時(shí)長（見表5）.不同工況下，人員、設(shè)備作息將根據(jù)對應(yīng)的下班時(shí)間進(jìn)行調(diào)整.為避免數(shù)據(jù)機(jī)房的影響，后續(xù)模擬中機(jī)房設(shè)備和空調(diào)均關(guān)閉.空調(diào)季設(shè)定時(shí)間不變，設(shè)定溫度不變.空調(diào)工作日運(yùn)行時(shí)間為8：00至下班時(shí)間.

表5 使用時(shí)長工況設(shè)置Tab.5 Condition settings of different service times

基于現(xiàn)場調(diào)研并參考王朝霞［19］的研究，取100 W 作為典型辦公建筑的人均設(shè)備功率值.通過調(diào)整人數(shù)設(shè)計(jì)了13 種人員密度工況.根據(jù)使用人數(shù)和設(shè)備功率計(jì)算得到辦公區(qū)域設(shè)備功率密度結(jié)果.不同工況下使用人數(shù)、人均建筑面積以及設(shè)備功率密度匯總于表6.

表6 不同人員密度工況設(shè)置Tab.6 Condition settings of different personnel densities

2 使用強(qiáng)度對辦公建筑能耗的影響

2.1 不同使用時(shí)長下的辦公建筑能耗

模擬得到不同全年使用時(shí)長下案例建筑全年單位面積各分項(xiàng)能耗和總能耗結(jié)果（見圖2）.結(jié)果表明，各分項(xiàng)能耗均隨著全年使用時(shí)長的增加呈線性增加，其中制熱能耗增加速度明顯低于制冷、照明和設(shè)備能耗.案例建筑全年總能耗隨著年使用時(shí)長的增加呈線性增長.

圖2 使用時(shí)長對全年能耗的影響Fig.2 Impact of service time on annual energy consumption

《民用建筑能耗標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 51161—2016）［10］（下文簡稱標(biāo)準(zhǔn)）針對辦公建筑給出了基于工作時(shí)長和人員密度的修正方法：

式中：Eoc為辦公建筑年單位面積能耗實(shí)測值的修正值，kWh/（m2·a）；Eo為辦公建筑年單位面積能耗實(shí)測值，kWh/（m2·a）；γ1為辦公建筑使用時(shí)長修正系數(shù)；γ2為辦公建筑人員密度修正系數(shù)；S為實(shí)際人均建筑面積，m2/人；T為年使用時(shí)長，h；T0=2 500 h，S0=10 m2/人.

以年使用時(shí)長為2 500 h時(shí)的年單位面積總能耗為基準(zhǔn)，計(jì)算得到基于使用時(shí)長的全年單位面積總能耗修正系數(shù)結(jié)果（見圖3）.基于最小二乘法擬合得到使用時(shí)長與其對應(yīng)的修正系數(shù)的關(guān)系：

圖3 表明本研究的結(jié)果與《民用建筑能耗標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 51161—2016）［10］提出的辦公建筑使用時(shí)長修正系數(shù)基本吻合.當(dāng)使用時(shí)長大于2 600 h 時(shí)，兩者之間的差異有所擴(kuò)大.當(dāng)使用時(shí)長為3 580 h 時(shí)，兩者之間的差異最大為4%.

圖3 使用時(shí)長修正系數(shù)對比Fig.3 Correction coefficients for service time

2.2 不同人員密度下的辦公建筑能耗

模擬得到不同人員密度下的空調(diào)能耗、照明能耗、插座設(shè)備能耗以及總能耗結(jié)果（見圖4）.

圖4 人均建筑面積對建筑能耗的影響Fig.4 Impact of per capita floor area on energy consumption

當(dāng)人均建筑面積由2.5 m2/人增加到20 m2/人時(shí)，年單位面積空調(diào)制冷能耗快速下降［見圖4（a）］.人均建筑面積超過20 m2/人后，空調(diào)制冷能耗緩慢下降，并逐漸趨近7.5 kWh/（m2·a）.制熱能耗先快速升高而后趨于平緩.因?yàn)槭褂萌藬?shù)減少后，使用者的發(fā)熱量減少.在同樣的室內(nèi)溫度要求下，夏天的冷負(fù)荷降低，冬天熱負(fù)荷增加.與此同時(shí)，空調(diào)總能耗先快速下降，而后趨于平緩.

本研究假設(shè)建筑100%投入使用，使用人數(shù)降低，照明設(shè)備仍正常運(yùn)行.隨著人均建筑面積的增加，年單位面積照明能耗不變.

隨著人均建筑面積的增加，年單位面積插座設(shè)備能耗先快速下降，超過30 m2/人后則趨于平緩.插座設(shè)備能耗與使用人數(shù)呈線性關(guān)系，人均建筑面積與使用人數(shù)呈倒數(shù)關(guān)系.人均建筑面積越大，使用人數(shù)變化越小，插座能耗變化越?。垡妶D4（b）］.

當(dāng)人均建筑面積由2.5 m2/人增長至30 m2/人時(shí)，總能耗快速下降.繼續(xù)提高后總能耗趨于平緩.

根據(jù)公式（1）～（3）可計(jì)算得到人均建筑面積為10 m2/人時(shí)的年單位面積總能耗.以此為基準(zhǔn)，計(jì)算得到基于人員密度的全年單位面積能耗修正系數(shù)結(jié)果（見圖5）.建筑100%投入使用，人員密度的調(diào)整未對照明能耗產(chǎn)生直接影響.照明能耗占辦公建筑全年總能耗的17%［20］，因此在進(jìn)行建筑總能耗修正時(shí)，若修正照明能耗，則高估了人員密度對建筑總能耗的影響.剔除照明能耗后，基于最小二乘法擬合得到人均建筑面積與其對應(yīng)的修正系數(shù)之間的關(guān)系如式（5）：

圖5 表明當(dāng)人均建筑面積大于33 m2/人或小于10 m2/人時(shí)，新的人員密度修正系數(shù)顯著低于《民用建筑能耗標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 51161—2016）中的要求.當(dāng)人均建筑面積介于10～33 m2/人之間時(shí)，新的人員密度修正系數(shù)略高于該標(biāo)準(zhǔn).

圖5 人員密度修正系數(shù)Fig.5 Correction coefficients for personnel density

2.3 敏感性分析

辦公建筑實(shí)際運(yùn)行中人均辦公設(shè)備功率、空調(diào)能效等參數(shù)差異較大，可能會(huì)對建筑能耗產(chǎn)生影響，因而導(dǎo)致人員密度修正系數(shù)發(fā)生變化.

2.3.1 人均辦公設(shè)備功率的影響

人均辦公設(shè)備功率分別設(shè)置50 W、100 W、150 W 及300 W 4 種工況，以人均建筑面積為10 m2/人的工況為基準(zhǔn)，計(jì)算得到人員密度修正系數(shù)變化情況如圖6所示.結(jié)果表明人均辦公設(shè)備功率越高，人員密度修正系數(shù)越大.

圖6 人均辦公設(shè)備功率對人員密度修正系數(shù)的影響Fig.6 The impact of per capita office equipment power on correction coefficient for personnel density

當(dāng)人均建筑面積低于10 m2/人時(shí)，人員密度修正系數(shù)均低于《民用建筑能耗標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 51161—2016）的要求.當(dāng)人均辦公設(shè)備功率為50 W時(shí)，相應(yīng)的人員密度修正系數(shù)整體低于該標(biāo)準(zhǔn).當(dāng)人均辦公設(shè)備功率為150 W 時(shí)，在低人均建筑面積條件下（10～50 m2/人），其人員密度修正系數(shù)要高于該標(biāo)準(zhǔn).在高人均建筑面積條件下（大于50 m2/人），相應(yīng)的人員密度修正系數(shù)低于該標(biāo)準(zhǔn).人均辦公設(shè)備功率為300 W 的工況下，當(dāng)人均建筑面積大于10 m2/人，相應(yīng)的人員密度修正系數(shù)整體高于《民用建筑能耗標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 51161—2016）.

2.3.2 空調(diào)能效的影響

該建筑空調(diào)系統(tǒng)為水源熱泵系統(tǒng)，參考工況設(shè)置的制冷EER為3.7，制熱COP為3.8.參考《可再生能源建筑應(yīng)用工程評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50801—2013）［21］，建立新的空調(diào)性能工況，見表7.其中能效工況一以1級為基準(zhǔn)，能效工況二以2級為基準(zhǔn).

表7 空調(diào)能效工況設(shè)置Tab.7 Condition settings of air conditioning energy efficiency

不同工況下的人員密度修正系數(shù)結(jié)果如圖7 所示.結(jié)果表明參考工況與1 級基準(zhǔn)接近，修正系數(shù)基本一致.2 級基準(zhǔn)降低了制冷EER 和制熱COP，修正系數(shù)變化幅度在6%以內(nèi).

圖7 空調(diào)能效對人員密度修正系數(shù)的影響Fig.7 The impact of air conditioning energy efficiency on correction coefficient for personnel density

3 辦公建筑能耗修正和評價(jià)方法

根據(jù)敏感性分析可知，人均辦公設(shè)備功率對人員密度修正系數(shù)的影響較大.空調(diào)能效的影響較小.因此將辦公建筑人均辦公設(shè)備功率設(shè)定為100 W.地下車庫用能強(qiáng)度明顯低于辦公區(qū)域，不同建筑中地下車庫面積占比存在差異，其會(huì)對人均建筑面積產(chǎn)生較大影響.為消除這一影響，在計(jì)算人均建筑面積時(shí)剔除地下車庫面積.新的使用時(shí)長修正系數(shù)與《民用建筑能耗標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 51161—2016）中提出的結(jié)果基本吻合，該修正公式不變.

以人均建筑面積10 m2/人為基準(zhǔn)使用強(qiáng)度，轉(zhuǎn)化得到人員密度修正系數(shù)如公式（5）所示.

γ2只參與除照明能耗外其他建筑能耗的修正，辦公建筑能耗實(shí)測值修正公式如式（6）：

式中：α為照明能耗占總能耗的比重.

重新定義人均建筑面積的計(jì)算方法如式（7）：

式中：A'為剔除地下車庫后的建筑面積，m2；P為建筑內(nèi)實(shí)際用能總?cè)藬?shù).

辦公建筑運(yùn)行能耗評價(jià)方法如式（8）：

式中：Elimit為同氣候區(qū)同類型建筑能耗的合理值，kWh/（m2·a）；為修正后的年單位面積能耗值，kWh/（m2·a）；N為能耗評價(jià)值.

基于公式（5）～（8），選取了長三角地區(qū)7個(gè)辦公建筑能耗的實(shí)測值進(jìn)行修正，將修正值與實(shí)測值以及依據(jù)《民用建筑能耗標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 51161—2016）得到的修正值進(jìn)行對比（見圖8）.結(jié)果表明采用優(yōu)化后的修正方法，可以使使用強(qiáng)度偏離大的樣本建筑（B1、B2、B6）的能耗修正值降低35%～45%.B6 建筑的修正比例由最高的3.3降至1.8.而對于與標(biāo)準(zhǔn)使用強(qiáng)度接近的樣本建筑，其修正比例變化在10%左右.修正后的年單位面積能耗最高為139 kWh/（m2·a），低于能耗合理值的要求，屬于正常的能耗水平.

圖8 7個(gè)辦公建筑能耗修正結(jié)果對比Fig.8 Comparison of corrected results of energy consumption of 7 office buildings

4 結(jié)論

針對建筑使用強(qiáng)度差異大引起的能耗對比基準(zhǔn)不一、直接對比評價(jià)不合理的難點(diǎn)，以及使用強(qiáng)度對分項(xiàng)能耗影響不明晰的問題，以典型辦公建筑為例，采用能耗模擬方法分析了使用時(shí)長和人員密度對建筑分項(xiàng)能耗的影響，并優(yōu)化了《民用建筑能耗標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 51161—2016）提出的辦公建筑能耗修正方法.結(jié)果表明標(biāo)準(zhǔn)中對使用時(shí)長的修正方法與模擬得到的結(jié)果基本吻合.由于標(biāo)準(zhǔn)采用總能耗進(jìn)行回歸分析，其針對人員密度的修正方法高估了人員密度對建筑能耗的影響.研究從使用時(shí)長和人員密度兩個(gè)方面提出了辦公建筑運(yùn)行能耗修正和對標(biāo)方法.新的修正公式適用對象為長三角地區(qū)人均設(shè)備功率在100 W 左右的點(diǎn)式辦公建筑.改進(jìn)后的修正方法使使用強(qiáng)度偏離大的樣本建筑的能耗修正值降低35%～45%，可更好地體現(xiàn)建筑實(shí)際用能水平.

不同平面形式的辦公建筑在辦公區(qū)域和交通空間存在比例差異，可能會(huì)對能耗修正產(chǎn)生影響.未來有必要分析點(diǎn)式、板式及圍合等不同平面布局對修正系數(shù)的影響，來進(jìn)一步優(yōu)化能耗修正方法.