李瑩瑩 廖勝明 饒政華

中南大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院

0 引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)建筑能耗已占社會(huì)總能耗的30%左右，其中大型公共建筑單位面積能耗遠(yuǎn)高于住宅能耗，研究其節(jié)能問(wèn)題具有重要意義。公共建筑的能耗現(xiàn)狀及影響因素被廣泛研究。Lam等[1]和Joseph等[2]分別對(duì)香港和美國(guó)的辦公建筑的年能耗進(jìn)行調(diào)查和分析，研究了主要影響因素。江億[3]對(duì)建筑物和建筑用能途徑進(jìn)行了新的分類(lèi)，提出基于模擬分析的建筑節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)。梁珍等[4]、安秋香等[5]、康一亭等[6]運(yùn)用正交試驗(yàn)法和模擬計(jì)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(yùn)用能耗模擬軟件eQUEST計(jì)算得出夏熱冬冷地區(qū)高層辦公建筑的能耗及其特點(diǎn)，采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的直觀(guān)分析方法對(duì)影響建筑能耗的主要因素進(jìn)行顯著性分析，得出影響其能耗的重要因素。研究結(jié)果有助于找到建筑節(jié)能的關(guān)鍵點(diǎn)，從而指導(dǎo)建筑節(jié)能工作的開(kāi)展。

1 計(jì)算模型與方法

1.1 研究對(duì)象

本文以長(zhǎng)沙市某高層辦公建筑為研究對(duì)象。該建筑正南朝向，地上20層，層高3.5m（吊頂1m），標(biāo)準(zhǔn)層面積1600m2，外區(qū)進(jìn)深6m，空調(diào)面積比為80%。辦公樓空調(diào)系統(tǒng)為全空氣定風(fēng)量系統(tǒng)，選用離心式冷水機(jī)組用于夏季供冷，燃?xì)忮仩t用于冬季供熱，燃?xì)忮仩t效率0.85，冷卻（凍）水供回水溫差為5℃。空調(diào)僅工作日運(yùn)行，運(yùn)行時(shí)間為8:00～18:00。

1.2 軟件模擬計(jì)算

采用逐時(shí)能耗模擬軟件eQUEST對(duì)建筑進(jìn)行能耗計(jì)算。eQUEST是在美國(guó)能源部（U.S.Department of Energy）和電力研究院的資助下，由美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LBNL）和J.J.Hirsch及其合作人共同開(kāi)發(fā)。eQUEST軟件的計(jì)算核心是DOE-2的高級(jí)版本DOE-2.2，并在其基礎(chǔ)上做了許多優(yōu)化[7]。

eQUEST軟件運(yùn)用動(dòng)態(tài)計(jì)算方法計(jì)算建筑能耗及各個(gè)組件的影響因素，利用系統(tǒng)傳遞函數(shù)得出某種單位擾量下的各種反應(yīng)系數(shù)，再用反應(yīng)系數(shù)來(lái)求解建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱量。反應(yīng)系數(shù)法的基本特點(diǎn)是把得熱量和冷負(fù)荷的區(qū)別在計(jì)算方法中體現(xiàn)出來(lái)，且不要求周期擾量為前提，適用于任意擾量，可用于全年負(fù)荷的計(jì)算和模擬。

1.3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是利用正交表研究多因素、多水平的一種設(shè)計(jì)方法[8]。設(shè)計(jì)方法是從試驗(yàn)因素的全部水平組合中，挑選部分有代表性的水平組合進(jìn)行試驗(yàn)，它們具備“均勻分散，齊整可比”的特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)部分試驗(yàn)結(jié)果的分析了解全面試驗(yàn)的情況，考察各個(gè)因素對(duì)試驗(yàn)的影響情況，并對(duì)各個(gè)因素的每個(gè)水平互相搭配，找出最優(yōu)的水平組合。正交試驗(yàn)的安排可以通過(guò)設(shè)計(jì)正交表來(lái)完成，這些正交表可以從有關(guān)試驗(yàn)設(shè)計(jì)的書(shū)籍中查到。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 建筑能耗分析

根據(jù)文獻(xiàn)[9、10]確定建筑的主要熱工參數(shù)如下：外窗傳熱系數(shù)為3.0W/(m2·K)，遮陽(yáng)系數(shù)為0.8，外墻傳熱系數(shù)為0.667W/(m2·K)，屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為0.5W/(m2·K)。建筑內(nèi)負(fù)荷：人員密度4m2/人，照明功率密度15W/m2，辦公設(shè)備功率密度15W/m2?？照{(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)：夏季 26℃、冬季 18℃，新風(fēng)指標(biāo)為 30m3/(h·p)，冷機(jī)COP為5。該建筑長(zhǎng)寬比為1:2，窗墻比為0.4（南北）、0.3（東西）。

根據(jù)所建立的模型，采用長(zhǎng)沙氣象參數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算，計(jì)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(diào)和采暖能耗，其次是照明和設(shè)備能耗。其中，采暖和空調(diào)隨著月份的變化波動(dòng)較大，因?yàn)槠淠芎闹饕c室外溫度有關(guān)，隨著室外溫度的升降，空調(diào)采暖消耗的能量隨之變化；而照明和設(shè)備能耗全年變化不大，因?yàn)檫@些能耗與作息時(shí)間有關(guān)，隨季節(jié)不變化。圖中顯示出空調(diào)最大耗電量出現(xiàn)在8月份為231MWh，采暖最大耗能量出現(xiàn)在1月份為213MWh，總能耗的峰值出現(xiàn)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(gè)建筑能耗影響因素：建筑長(zhǎng)寬比、窗墻比、外窗類(lèi)型、外墻傳熱系數(shù)、室內(nèi)設(shè)定溫度、新風(fēng)指標(biāo)、人員密度、照明功率密度、設(shè)備功率密度、冷機(jī)COP。將這些因素作為正交試驗(yàn)的因子，每個(gè)因子取3個(gè)具有代表性的指標(biāo)，正交試驗(yàn)因子及其水平取值見(jiàn)表1。

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

根據(jù)正交表L27（313）安排試驗(yàn)進(jìn)行27次模擬，計(jì)算得出建筑的總能耗，采用極差法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，如表2所示。極差R是用來(lái)劃分不同因素重要程度的依據(jù)，其值越大，說(shuō)明該因素由水平改變所引起的試驗(yàn)結(jié)果的變化越大，因素重要程度越高。極差R表示在正交實(shí)驗(yàn)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(hào)i（本例中i=1，2，3）所對(duì)應(yīng)建筑能耗之和的算術(shù)平均值。

表2 正交試驗(yàn)中影響因素的極差（MWh）

根據(jù)表2中極差R的大小得出影響因素的重要程度為：室內(nèi)設(shè)定溫度＞設(shè)備功率密度＞照明功率密度＞外窗類(lèi)型＞冷機(jī)COP＞人員密度＞窗墻比＞新風(fēng)指標(biāo)＞建筑長(zhǎng)寬比＞外墻傳熱系數(shù)。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，在長(zhǎng)沙地區(qū)，影響高層辦公建筑能耗的顯著因素：室內(nèi)設(shè)定溫度、設(shè)備和照明功率密度、外窗類(lèi)型。這樣的試驗(yàn)結(jié)果符合高層辦公樓的建筑與使用特點(diǎn)。

圖2 建筑總能耗隨影響因素各水平的變化規(guī)律

通過(guò)正交試驗(yàn)結(jié)果找到建筑物能耗影響因素（建筑朝向、建筑長(zhǎng)寬比、窗墻比等13因素3水平）與建筑累計(jì)總能耗之間的定量關(guān)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(zhǎng)寬比為1:1、1:2、1:4等?？梢钥闯觯菏覂?nèi)設(shè)定溫度對(duì)建筑總能耗的影響很顯著，在夏季過(guò)低或在冬季過(guò)高都會(huì)使建筑能耗增加；設(shè)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(lèi)型中遮陽(yáng)系數(shù)的增大而增加，而且影響程度較大；建筑總能耗隨冷機(jī)COP的增大而降低等。

3 結(jié)論

本文利用eQUEST能耗模擬軟件和正交試驗(yàn)理論對(duì)長(zhǎng)沙市高層辦公建筑能耗的主要影響因素進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論：

1）建筑總能耗中所占比重最大的是空調(diào)和采暖能耗，其次是設(shè)備和照明能耗。

2）室內(nèi)設(shè)定溫度、設(shè)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(diǎn)提示在空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)采用合理的參數(shù)，在建筑設(shè)計(jì)階段選用節(jié)能設(shè)備和節(jié)能燈以達(dá)到節(jié)能的效果。

3）外窗類(lèi)型是影響建筑總能耗的主要因素，為了節(jié)約能源，應(yīng)對(duì)窗口和透明幕墻采取外遮陽(yáng)措施，尤其是對(duì)夏熱冬冷地區(qū)的長(zhǎng)沙而言就更應(yīng)重視遮陽(yáng)。

[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(guó)建筑耗能狀況及有效的節(jié)能途徑[J].暖通空調(diào),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(shù),2001,85(3):52-54

[5] 安秋香.上海市高層辦公建筑空調(diào)能耗現(xiàn)狀及其影響因素研究[D].上海:同濟(jì)大學(xué),2004

[6] 康一亭,于丹,蘇華,等.辦公建筑能耗基準(zhǔn)中影響因子對(duì)建筑能耗的影響度[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào),2012,43(1):146-150

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

[8] 邱軼兵.試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理[M].安徽:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社,2008

[9] 中華人民共和國(guó)建設(shè)部.公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(GB50189-20 05)[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2005

[10]湖南省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳.湖南省公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(DBJ43/003-2010)[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2010