夏热冬暖地区办公建筑能耗模拟与分析

李志生1，李冬梅1，梅胜1，王晓霞1，李利新2，卢绍辉1

(1．广东工业大学 建设学院，广东 广州 510643；2．中国科学院 广州能源研究所，广东 广州 510641)

摘要：夏热冬暖地区是我国经济和建筑产业最发达的地区之一，也是建筑能耗最多的地区之一。分析和研究夏热冬暖地区建筑能耗的特点对建筑节能有重要的意义。本文用eQUEST建筑能耗模拟软件模拟了夏热冬暖气候下不同的建筑围护结构的能耗性能，并与实际调查结果进行了比较。结论表明：办公类建筑中的空调是最大的能耗终端，全年的能耗以办公设备和照明的能耗最稳定。有外保温措施和同时具有内、外保温措施最大区别在于节省空调电力消耗31.3%和39.1%。说明建筑外墙保温系统是建筑节能的重要手段。

关键词：夏热冬冷气候；办公建筑；能耗性能；模拟

中图分类号：TU855 文献标识码：A 文章编号：1002—6339(2006)06—0483—04 Analysis and Simulation for Office Building Energy Consumption in Hot Summer and Warm Winter Area

LI Zhi-sheng1，LI Dong-mei1，MEI Sheng1，WANG Xiao-xia1，LI Li-xin2，LU Shao-hui1 (1．Faculty of Construction，Guangdong University of Technology，Guangzhou 510643，China； 2．Guangzhou Institute of Energy Conversion，Chinese Academy of Science，Guangzhou 510641，China)

Abstract：The hot summer and warm winter area is one of the most developed economy and buildings sectors. Moreover it is also the area with most buildings energy consumption. Thus, it is significant to analyze the features of buildings energy consumption in hot summer and warm winter area for energy saving. The building energy consumption feature in different envelopes was simulated for hot summer and warm winter area with eQUEST tool, and was compared with that of practical office buildings. The results indicated that in office buildings the energy consumption of air-conditioning is the biggest，while that of office equipment and lighting is the most stable, furthermore, the 31.3% and 39.1% electricity energy saving can be achieved if exterior heat preservation and exterior-interior heat preservation measures are taken．So，it is a favorable building energy saving way to adopt exterior insulation facade system(EIFS)in hot summer and warm winter area．

Key words：hot summer and warm winter area；office building；energy consumption；simulation 收稿日期 2006—08—11 修订稿日期2006—10—16

基金项目：广东工业大学学生课外科技重点项目(ZAFZE002) 作者简介：李志生(1972～),男,博士研究生,讲师.

1 引言

中国的夏热冬暖地区包括广东大部、广西大部、福建南部、海南、香港、澳门、台湾全部。这个地区是中国建筑与住宅产业发展最快的区域之一，同时也是建筑能耗最多的地区之一。以夏热冬暖地区的典型省份广东为例，据估计，气温每升高1℃，空调负荷就要增加40万kW[1]。近年来，随着能源问题的日益恶化和可持续发展观念的深入人心，建筑能耗问题逐渐得到了重视，各种气候条件下的建筑能效标准和节能问题已成为建筑领域的研究热点 [2~5]

，在此背景下，建设部出台了《夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准》[6]。尽管冬暖夏热地区的建筑节能已取得相当大的进步，但我国的建筑节能和国外先进发达国家相比还有不少的差距。以广州市为例，如果住宅类建筑能减少能耗0.01 kWh/(m2.a)，则全年可实现节能100万kWh[7]。为此，广州市准备在2010年以前，全面启动建筑节能计划，确保到2010年全部新建建筑节能达到50%，并将对所有新建建筑进行节能标志，所有新建建筑将分为节

能达标建筑(节能50%)、节能建筑(节能60%)和低能耗建筑 (节能65%)[8]。一般认为，公共商业类建筑的单位面积能耗是住宅类建筑的4～10倍，因此，开展对公共商业类建筑的节能研究有非常重要的意义。目前，有学者对夏热冬暖地区的居住类建筑能耗进行了调查，提出了一些针对此气候条件的被动的建筑节能方案[9~10]，但对商业类建筑的节能研究，特别是办公类建筑，虽然有一些能耗方面的调查和测试，还没有进行系统的能耗模拟和能源效率分析。办公类建筑的能耗非常复杂，涉及到暖通空调、生活热水、灯光照明、办公设备、电梯、消防等各个方面，远比住宅的能耗分析要复杂得多，这些能耗彼此互相交叉，国际上接受的分析方法是基于计算机的建筑能耗仿真分析。

2 夏热冬暖气候特点

从气象参数来说，夏热冬暖地区，其最热月份年平均温度多为25～29℃，最冷月平均温度大于10℃。这个气候区最显著的特点是夏季比较漫长，且高温多雨，湿负荷大。另外，太阳辐射比较猛烈，冬季比较短，甚至不明显。以典型的夏热冬暖气候区城市广州为例，最热月(7～8月)室外的最高气温可以达到38℃以上，加上强烈的太阳辐射，室内温度比室外空气温度还要高1～2℃，室内热环境比较恶劣，闷热成为夏季室内热环境的主要特点。办公类建筑需要制冷的季节一般是从5月初到11月底，如果以月份计，商场类建筑全年都需要制冷的气候也不鲜见，特别是人流量大的购物广场，往往冬季也需要使用空调。因此，对夏热冬暖地区的绝大部分区域来讲，夏热是主要矛盾。建筑隔热是节能设计的重要内容，所以，建设部出台的《夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准》对建筑围护结构的规定被列为强制性要求。

3 研究方法与研究模型

本研究采用的基本方法是仿真研究，即通过抽取夏热冬暖地区的气候特点和建筑结构、使用条件等，建立起相关的建筑模型，然后用基于计算机的建筑能耗模拟分析软件eQUEST3.55进行分析。eQUEST3.55能耗模拟软件的内核是美国能源部 (DOE)最近开发的DOE2.2，DOE2.2作为最广泛使用的办公类和商业类建筑能耗模拟软件，在国际上得到了普遍使用和认可[11]。虽然是模拟软件，但使用真实的气象数据，并且能计算建筑能耗性能的各个方面，如：暖通空调设备的电力消耗、燃油消耗等各个方面，也能进行建筑寿命循环评价(LCA)。

本研究的建筑模型采用代表未来需要的甲级写字楼，楼高24层，总建筑面积为36 000 m2，建筑外形选用比较流行的长方形加中庭设计。假设每层都为标准层，每层面积相同且为1500m2，层高为4m。在本研究中，输入每层的面积和层高以后，模拟软件自动计算出层数(地下层数须设定)，建筑外区和内区的长、宽选用软件默认的设置。根据以上的设定，可以计算出本研究中所模拟的办公类建筑的体型系数 (room index)为0.24。一般认为，体型系数是影响建筑节能的关键技术参数，建筑体型系数越大，单位建筑面积对应的外表面面积越大，房间通过围护结构的传热量也越大。有研究表明：体型系数每增大0.01，耗热量指标约增加2.5%。eQUEST3.55能耗模拟软件并没有集成广州市的室外气象数据，为反映夏热冬暖地区的室外气候，采用香港的气象文件(须作为文件格式调用)作为夏热冬暖地区室外气候计算依据。假设建筑顶楼绝热，但建筑立面和周边区绝热措施可选。为模拟建筑的能耗与设备的能耗，假设HVAC设备齐全，中央空调系统采用最常见的电驱动压缩制冷方式。所模拟的建筑基本情况见表1。

为了模拟夏热冬暖地区气候办公类建筑的能耗情况，假设室内不使用热水系统，建筑不使用燃气，外部有景观照明，但外部的照明负荷不传人室内。外窗使用3 mm厚的低辐射单层玻璃(Low—e)，并且无外遮阳设施。地板使用普通瓷砖，屋顶完全隔热，墙壁使用240 mm重质墙体。办公室按10 m2/人计算，室内使用集中式中央空调，室内新风按30m3/(h.人)计算，排风按新风的20%计算。办公室周六、周日不加班，其他休息日按正常假期计算。其他如门、窗、走廊等尺寸和材料均选用系统所默认的设置。所建立的模型如图l所示(已去掉与标准层相同的楼层)。

4 模拟结果分析

根据以上建设和软件默认的数据建立建筑模型(shell)，按建筑设计模式进行仿真。将夏热冬暖气候条件(本研究采用的是香港的气象数据)和其他所需要的参数输入。模拟软件计算后，根据输出结果进行整理。假设外、内保温材料分别采用7.62 cm(3英寸)和2.54 cm(1英寸)的聚苯乙烯(polystyrene)保温板(每次计算都保持其他条件不变，仅改变围护结构内、外保温材料的种类和厚度)，所得到每m2建筑能耗的结果见表2。

从表2可以看出，最大的能耗终端是制冷与空调，其次是照明和办公设备，办公设备的能耗主要指的是电脑、复印机、打印机等设备，照明设备的能耗已包括室内景观照明的能耗，但室外照明的能耗不进入室内，表2中，其他能耗指的是电梯等方面的能耗。制冷与空调的能耗月波动最大，这是因为制冷与空调能耗跟室外气温与辐射的变化显著相关。但空调的能耗与实际情况相比，有较大的出入，这是因为模拟条件是常年保持室内温度为25℃，实际上这是不可能的，以广州为例，冬天的室内气温不可能保持25℃，而冬天制冷与空调的负荷很小，甚至是负的。办公设备和照明的能耗变化最小，因为照明的能耗按照办公面积设定，而办公设备的能耗只跟上下班时间和节假日作息制度相关。本研究中的办公大楼，因为进深比较大，虽然有中庭，有自然照明的条件，但由于存在相当数量的内区，白天也是需要人工照明的，不过这也符合我们调查的大多数办公楼的实际情况。

图2模拟了不同建筑围护结构对空调能耗的影响，为分析方便，换算成了每m2的能耗情况。这里模拟了3种不同的围护结构，即无保温措施、采用外保温措施和同时采用内、外

保温措施。外保温措施是建筑外墙外部包裹7.62cm(3英寸)聚苯乙烯 (polystyrene)保温板，内保温措施是建筑外墙内部包裹2.54cm(1英寸)聚苯乙烯(polystyrene)保温板，无保温措施是仅使用240mm重质钢筋混凝土墙体(也是比较的基准)。从图2可以看到，无论采用什么样的建筑围护结构保温措施，空调能耗最大的时间是7月份和8月份。以8月份为例，无保温、外保温、和同时内、外保温三种建筑围护条件下空调能耗分别为17.9 kWh/m2、12.3 kWh/m2和10.9kWh/m2。以无任何保温措施为基准，有外保温措施和同时具有内、外保温措施分别节省空调电力消耗31.3%和39.1%。说明建筑外墙保温是一种重要的节能手段。

5 与其他研究结果的对比

本研究中所建立的模型对实际情况进行了简化，如办公楼的作息时间按国家节、假日的规定，建筑屋顶完全隔热，建筑无外遮阳措施，办公室严格按10m2/人，换气量按30m3/(h.人)的标准计算，因此与实际的能耗有所不同。表3是广州某办公楼实际调查的能耗结果。在我们的调查中，办公楼建筑的建筑面积为4.0万m2，年度总能耗为4739746kWh，每平方米建筑面积全年能耗为119.02kWh。照明设备的能耗在全年达到了49.1%，而空调能耗在全年仅为35.6%(49.8kWh/m2)。如果照明能耗扣除景观、办公设备如电脑等方面的能耗，则空调能耗是办公类建筑最大的能耗终端。在能耗高峰期的夏季，空调设备的能耗一般为50%以上，最高达到了60.42%。

结合图2和表3可知，调查的空调能耗结果介于有外保温和同时具有内、外保温措施模拟结果之间。事实上，所建立的模型正是以所调查的办公楼作为模拟对象的，也说明本研究中所得到的模拟结果具有相当的可信度。陈卫民等参照《夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准》和广州地区的气候参数，通过简化建筑特征和建筑负荷情况，用DeST软件模拟计算了不同建筑围护结构下大型甲级写字楼全年空调能耗情况，其结果在50～60 kWh/m2之间[2]

，与他的结果相比，本研究中模拟的结果偏大，因为他采用了外遮阳措施，而且他模拟的是三种节能的方案，另外一个原因是本研究中的全年室内温度固定为25℃，这会造成全年能耗偏大。任俊等用DOE-2软件对广州地区的住宅空调能耗进行了分析，理论计算全年空调耗电量为17～35 kWh/m2[9]，但他模拟的是住宅的空调能耗，其建筑性质与办公类建筑并不相同，结果并不具有可比性，但因为其所建立模型的方法相类似，因此，可以作为一定的借鉴。

表3 夏热东暖地区某办公建筑实际能耗

6 结论

通过本文的分析，可以得出如下结论：

(1)夏热冬暖地区是我国的建筑与住宅产业发展最快的区域之一，同时也是建筑能耗最多的地区之一。开展对办公类建筑的节能研究尤其是能耗模拟研究有非常重要的意义。

(2)eQUEST作为一种快速的建筑能耗模拟软件，能使用真实的气象数据，能模拟全年

的各种能耗，也能进行建筑性能和寿命循环评价(LCA)，是一种比较优秀的能耗模拟分析软件。

(3)所模拟的夏热冬暖地区办公建筑最大的能耗终端是制冷与空调设备，但照明和办公设备的负荷全年最稳定。这与夏热冬暖地区的气候相适应，也与所调查的办公类建筑的能耗特征相符合。

(4)以8月份为例，模拟软件所得到的无保温、外保温、和同时内、外保温三种建筑围护条件下空调能耗分别为17.9kWh/m2、12.3kWh/m2和10.9kWh/m2。以无任何保温措施为基准，有外保温措施和同时具有内、外保温措施分别节省空调电力消耗31.3%和39.1%，说明建筑外墙保温是一种重要的节能手段。

参考文献

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资料来源：《节能技术》2006年第6期