【HVAC】《暖通空调》| 夏热冬冷地区办公建筑降低供暖空调能耗的技术路径

摘要

   

以上海地区某办公建筑为例，基于EnergyPlus能耗模拟，探讨了围护结构性能提升和暖通空调系统优化这2条节能技术路径对夏热冬冷地区办公建筑降低供暖空调全年能耗的有效性。结果表明：围护结构性能提升的节能潜力较小，经济性较差；单纯提高围护结构保温隔热性能并不能保证降低建筑年耗冷量，应综合分析全年供热供冷能耗确定围护结构优化设计参数。暖通空调系统优化的节能潜力较大，经济性较好；与基准方案相比，利用自然冷源降温和行为节能2项技术措施后全年耗冷量、耗热量可分别降低34.59%和23.43%,年供热供冷费可降低29.78%。

关键词

   

建筑能耗  办公建筑  夏热冬冷地区  技术路径  供暖  空调  节能

作者

   

曹荣光 ¹   董书芸 ²   宋孝春 ¹   何海亮 ¹   周鹏 ³

（1.中国建筑设计研究院有限公司 2.中国地铁工程咨询有限责任公司 3.山东省滨州市规划设计研究院有限公司 ）

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引言

随着城镇化的持续推进，中国建筑总量持续增长，在2001—2016年期间，办公建筑以20亿m ² 的增长量居各类公共建筑绝对增长量之首，而且其增量随着信息、金融等知识密集型产业的不断发展仍将持续增加。办公建筑对室内环境的要求高，为了追求舒适的办公环境和工作效率，办公建筑的供暖空调利用率远高于其他建筑。建筑能耗将在较长时间内保持刚性增长趋势，建筑节能被认为是中国实现2030年碳排放达峰目标的关键。随着办公建筑规模总量及能源消耗的不断增长，办公建筑供暖空调系统节能降耗已成为建筑节能的重要一环。

降低供暖空调系统全年能耗的技术路径主要有2条：一是提升围护结构的保温隔热性能，采用被动式方法降低供暖空调负荷；二是优化供暖空调系统，尽可能多地利用太阳能、风能、地热能等可再生能源及室外自然冷源等，同时加强行为节能，采用主动式方法提升系统能效，降低供暖空调系统全年能耗。

供暖空调系统能耗与建筑所处室外气象条件关系很大。我国夏热冬冷地区主要包括经济发达的长江流域，该地区人口密度大，办公建筑数量大、能耗高。该地区气候特点为夏季闷热，冬季湿冷，气温日较差小；建筑热工设计原则为必须满足夏季防热要求，适当兼顾冬季保温。夏热冬冷地区办公建筑夏季有空调需求，冬季有供暖需求。

本文的研究对象为夏热冬冷地区的办公建筑，以上海地区符合公共建筑节能设计标准的某办公建筑为例，基于EnergyPlus能耗模拟，探讨围护结构性能提升和暖通空调系统优化这2条节能技术路径对该地区办公建筑降低供暖空调全年能耗的有效性，在“双碳”目标背景下为该地区办公建筑未来进一步降低供暖空调能耗技术路径的选择提供参考。

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建筑概况

示例建筑如图1所示，为超高层办公建筑及裙房，总建筑面积92 396 m ² ，其中空调区建筑面积63 305 m ² ，建筑高度140.5 m。

1.1 围护结构参数

根据设计图纸，统计建筑围护结构各主要部位参数，如表1所示。根据GB 50189—2015《公共建筑节能设计标准》对夏热冬冷地区办公建筑围护结构的热工设计要求，主要围护结构部位的传热系数取值如下：外墙0.60 W/（m ² ·K），外窗1.80 W/（m ² ·K），屋面0.40 W/（m ² ·K）。太阳得热系数 SHGC （东、南、西向/北向）为0.24/0.30。

1.2 室内空气设计参数

建筑室内空气设计参数取值如下：空调期，温度26 ℃，相对湿度50%，比焓53.3 kJ/kg；供暖期，温度20 ℃，相对湿度30%，比焓31.3 kJ/kg；新风量30 m ³ /（人·h）。

1.3 室外空气计算参数

上海地区室外气象参数按照EnergyPlus气象数据库选取，来源为CSWD（Chinese Standard Weather Data）。

空调期为每年的4月1日至10月15日，共计198 d。空调期室外逐时温度、逐时比焓分别见图2、3。由图2可见，在空调期的多个时间段，室外气温低于室内设计值（26 ℃），此时室内向室外传热，这说明加强围护结构保温并不能持续降低围护结构冷负荷。由图3可见，在空调期的多个时间段，室外比焓低于室内设计值（53.3 kJ/kg），此时可以通过大量利用室外新风，充分利用自然冷源降低空调负荷。

供暖期为每年的12月1日至次年的3月1日，共计90 d。 供暖期室外逐时温度、逐时比焓分别见图4、5。 可以看出，供暖期室外气温和室外比焓基本全部低于室内设计值，这说明加强围护结构保温及维持建筑最小新风量可以持续降低供暖能耗。

1.4 其他能耗计算相关参数

室内照明功率密度：9.0 W/m ² ；电气设备功率密度：15.0 W/m ² ；人员密度：8 m ² /人（按空调面积计）。

该办公建筑空调系统逐时开启率见表2。在工作日08：00—18：00正常上班时间，空调系统全部开启；周末（节假日）末端设备开机率为30%；夜间19：00—07：00，空调系统平均开机率为10%。

1.5 供暖空调系统设计

1）空调冷热负荷。

根据GB 50736—2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》中列出的上海地区室外计算参数计算该办公楼的空调设计冷热负荷，结果见表3。

2）冷热源。

空调冷源采用水冷式电制冷冷水机组，制冷机房位于地下2层，设置3台冷水机组，单台制冷量为1 934 kW（550 rt）；同时设置相应冷水泵、冷却水泵、冷却塔等附属设备。冷却塔设置于裙房屋面。冷水机组提供的冷水供回水温度为6 ℃/12 ℃；冷却水供回水温度为32 ℃/37 ℃。

空调供暖热源采用3台燃气真空热水锅炉，单台容量930 kW，设计供回水温度60 ℃/45 ℃，锅炉热效率90%；锅炉房位于地下1层，同时设置相应热水泵、补水定压系统等附属设备。

3）末端空调系统。

该办公楼内公共大空间房间如首层入口大厅、多功能厅、餐厅等采用双风机全空气变风量空调系统，过渡季节可关闭空调回风，利用全新风降温。全空气空调系统设计总新风量为20 000 m ³ /h，设计总送风量为160 000 m ³ /h。

每层的公共区域走道、小会议室、小办公室、开敞办公空间等房间采用风机盘管加新风系统，新风机组设转轮式全热热回收，集中设于空调机房内。新风系统设计总新风量为146 600 m ³ /h。

过渡季节全新风运行时的总风量为全空气系统总送风量和新风系统总新风量之和：160 000 m ³ /h+146 600 m ³ /h=306 600 m ³ /h。

1.6 能源价格

1）电力。

电力价格执行峰谷分时电价，峰时段为06：00—22：00，谷时段为22：00—06：00。电价分夏季和非夏季两部：7—9月为夏季，峰时电价为0.828元/（kW·h），谷时电价为0.399元/（kW·h）；其余9个月为非夏季，峰时电价为0.801元/（kW·h），谷时电价为0.371元/（kW·h）。

2）天然气。

天然气低位热值为36 000 kJ/m ³ ，价格为3.87元/m ³ 。

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降低供暖空调全年能耗的技术路径

2.1 节能降耗技术路径

影响供暖空调全年能耗的因素可以划分为围护结构性能和暖通空调系统能效两方面因素，围护结构性能方面包括窗墙面积比、窗户传热系数、墙体传热系数等影响因素，暖通空调系统能效方面包括空调系统型式、室内参数设定等影响因素。为了分析供暖空调全年能耗对上述单个影响因素或综合几个影响因素的敏感性，本文建立了8个对比方案，见表4。

为 了综合分析比较上述影响供暖空调全年能耗的因素，本文以前述设计方案（执行GB 50189—2015《公共建筑节能设计标准》）作为基准方案，编号为方案0。

在围护结构性能提升方面制订了4个比较方案，编号为1-1~1-4：

相比方案0，方案1-1仅将窗墙面积比减小20%，减小了窗户面积，增大了墙体面积，由于窗户的传热系数一般比墙体大，所以此方案整体提高了围护结构的保温隔热性能。

相比方案0，方案1-2仅将窗户传热系数减小20%，增强了窗户的保温隔热性能。

相比方案0，方案1-3仅将墙体传热系数减小20%，增强了墙体的保温隔热性能。

相比方案0，方案1-4综合了方案1-1~1-3的节能措施，整体增强了围护结构的保温隔热性能。

在暖通空调系统优化方面制订了3个比较方案，编号为2-1~2-3：

相比方案0，方案2-1将末端空调系统由原设计的”风机盘管加新风系统”全部改为”全空气空调系统”，设计新风量不变，总新风量为20 000 m ³ /h+146600 m ³ /h=166 600 m ³ /h；修改部分的送风量为938 240 m ³ /h，总送风量为160 000 m ³ /h+938240 m ³ /h=1 098 240 m ³ /h。过渡季节全新风运行时的室外新风量相对增加了1 098 240 m ³ /h-306600 m ³ /h=791 640 m ³ /h，空调建筑面积按63 305 m ² 计，单位面积送风量由4.8 m ³ /h增加至17.3 m ³ /h，为方案0的3.58倍，大大增加了过渡季节利用的室外自然冷源量。

相比方案0，方案2-2将夏季室内温湿度参数调整为27 ℃、60%，温度提高1 ℃，相对湿度增加10%；冬季室内温湿度参数调整为18 ℃、30%，温度降低2 ℃，相对湿度保持不变。方案2-2通过调整室内空调参数设定值来模拟人的调节行为对供暖空调能耗的影响；夏季随着室内温湿度设定值的提高，空调系统可以更多地利用室外新风降温；冬季随着室内温度设定值的降低，可以降低热负荷，减少供暖能耗。

相比方案0，方案2-3综合了方案2-1和2-2的节能措施，空调系统可以更多地利用室外新风降温，充分利用室外自然冷源。

本文通过计算上述各方案的供暖空调全年能耗，以方案0作为基准方案，其他方案分别与其进行对比分析，确定各节能降耗技术路径的有效性，为该地区办公建筑降低供暖空调能耗技术路径的选择提供参考。

2.2 基准方案的全年能耗

EnergyPlus软件主要用于建筑能量特性模拟与负荷计算，它吸收了DOE-2和BLAST软件的优点，并具备很多新的功能。根据本文第1章列出的建筑信息参数，采用EnergyPlus 9.5.0软件进行全年能耗模拟。

基准方案（方案0）的供冷能耗如下：最大冷负荷5 634.83 kW，空调面积冷指标89.0 W/m ² ；总供冷量454.03万kW·h，单位面积供冷量71.72 kW·h/m ² ；总耗电量102.95万kW·h，单位面积耗电量16.26 kW·h/m ² ；总费用81.36万元，单位面积费用12.85元/m ² 。各项逐日计算结果见图6~8。

基准方案（方案0）的供暖能耗如下：最大热负荷2 734.90 kW，空调面积热指标43.2 W/m ² ；总供热量102.44万kW·h，单位面积供热量16.18 kW·h/m ² ；总耗气量11.38万m ³ ，单位面积耗气量1.80 m ³ /m ² ；总耗电量0.85万kW·h，单位面积耗电量0.13 kW·h/m ² ；总费用44.68万元，单位面积费用7.06元/m ² 。各项逐日计算结果见图9~12。

2.3 优化方案的全年能耗

根据本文第1章列出的建筑信息参数及各方案的设计参数，采用EnergyPlus 9.5.0软件对上述优化方案1-1~1-4、方案2-1~2-3进行全年能耗模拟，各方案供冷全年运行参数见表5，供暖全年运行参数见表6，全年总运行费见表7。

2.4 节能降耗技术路径对比

2.4.1 供冷工况

空调供冷工况下各方案的运行参数对比见表5，有如下主要结论：

1）设计冷负荷方面，与方案0相比，除方案2-1 外，其他优化方案均能降低设计冷负荷。在室外设计条件下，围护结构保温隔热性能的提高减少了外界传入室内的热量，降低了设计冷负荷；室内设计温湿度参数的提高减小了室外设计条件下的室内外温差和比焓差，降低了设计冷负荷。

2）全年供冷量方面，与方案0相比，方案1-2、方案1-3的全年供冷量增加。减小窗户和墙体的传热系数，虽然可以降低室外设计条件下的冷负荷，但也同时减少了室外温度低于室内温度时室内向室外的散热量（见图2），两相比较，该项目的年供冷量反而增加。加强围护结构保温隔热性能并不能保证降低全年供冷量。

空调系统优化设计对于全年供冷量影响很大。相比方案0，包含全部围护结构节能措施的方案1-4 的全年供冷量仅降低了3.37%，而仅通过采用全空气系统提高全年自然冷源利用量的方案2-1降低了4.95%。相比方案0，通过末端空调参数的调节，方案2-2的全年供冷量降低了24.39%；综合空调系统形式和末端空调参数的调节，方案2-3的全年供冷量降低了34.59%。空调系统优化设计和运行具有较大的节能潜力。

3）供冷工况下，围护结构优化设计的经济性较差，空调系统优化设计的经济性较好。简单分析冷源系统的年供冷费支出，围护结构优化的投资大、收益小，空调系统优化设计的投资小、收益大。

2.4.2 供暖工况

供暖工况下各方案的运行参数对比见表6，有如下主要结论：

1）设计热负荷方面，与方案0相比，除方案2-1 外，其他优化方案均能降低设计热负荷。在室外设计条件下，围护结构保温隔热性能的提高减少了室内热损失，降低了设计热负荷；室内设计温度的降低减小了室外设计条件下的室内外温差，降低了设计热负荷。

2）全年供热量方面，与方案0相比，除方案2-1 外，其他优化方案均能降低年供热量。在供暖期室外温度基本全部低于室内温度（见图4），因此加强围护结构保温隔热性能和降低室内设计温度均能降低热负荷，降低年供热量。在供暖期由于室外比焓基本全部低于室内比焓（见图5），空调系统采用最小新风量运行，方案0和方案2-1的年供热量相等。加强围护结构保温隔热性能可以降低全年供热量。

空调系统优化设计对于全年供热量影响很大。相比方案0，包含全部围护结构节能措施的方案1-4 的全年供冷量仅降低13.19%；而通过末端空调参数的调节，方案2-2的全年供热量降低了23.43%。空调系统优化设计具有较大的节能潜力。

3）供暖工况下，围护结构优化设计的经济性较差，空调系统优化设计的经济性较好。简单分析热源系统的年供热费支出，围护结构优化的投资大、收益小，空调系统优化设计的投资小、收益大。

2.4.3 全年总运行费

各方案全年总运行费对比见表7，有如下主要结论：

1）围护结构优化设计的经济性较差。

根据表1，该项目围护结构总面积为41 610.59 m ² ，按投资增加30元/m ² 计，方案1-4需增加投资124.83万元，每年仅节约费用8.80万元，静态投资回收期达14.19 a，投资经济性差。

2）空调系统优化设计运行的经济性较好。

在基本不增加系统投资的情况下，仅通过系统优化运行，方案2-3年节约费用37.53万元，具有较好的经济效益。

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结论

1）夏热冬冷地区办公建筑，在现行GB 50189—2015《公共建筑节能设计标准》的基础上继续提高围护结构保温隔热性能，并不能保证降低建筑年耗冷量。对于具体工程是否采用此项技术措施降低供暖空调全年能耗，应结合建筑使用功能和当地室外气象参数进行全年能耗模拟评估，经技术经济分析后进行决策。

2）夏热冬冷地区办公建筑，通过空调系统优化设计和运行具有较大的节能潜力。空调系统在设计中应尽量采用全空气系统以提高过渡季节新风量，充分利用自然冷源降温；在运行中应根据人们的自身舒适需求，实时调节室内空调参数的设定值，夏季随着室内温湿度设定值的提高，空调系统可以更多地利用室外新风降温；冬季随着室内温度设定值的降低，可以降低热负荷，减少供暖能耗。

3）减少室内灯光设备发热量、增设活动外遮阳及采用环保高效冷热源系统等技术措施是降低建筑冷热需求、提高系统能效、减少碳排放的有效路径，同样适用于夏热冬冷地区办公建筑。

综上，在“双碳”目标背景下，夏热冬冷地区办公建筑未来进一步降低供暖空调能耗的技术路径，应首选空调系统的优化设计和运行，提高冷热源系统能效，充分利用室外自然冷源降温和行为节能；同时结合降低室内灯光设备发热量、增设活动外遮阳等技术措施，降低建筑冷热需求。

本文引用格式：曹荣光，董书芸，宋孝春，等．夏热冬冷地区办公建筑降低供暖空调能耗的技术路径［Ｊ］．暖通空调，2022，52（1）：81-87．