典型建筑能耗模型搭建—以長沙商場建筑為例

潘 曉，陳毅興,2，鄧 章，陳志華，楊楚豪

(1.湖南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410082；2.湖南大學 建筑安全與節能教育部重點實驗室，湖南 長沙 410082；3.東南大學 建筑設計研究院有限公司，江蘇 南京 210008)

自2001年以來，公共建筑竣工面積約80億m2，約占當前公共建筑保有量的79%，公共建筑面積大量增長的同時，大體量公共建筑占比也顯著增加[1].2018年全國建筑運行能耗統計中，人均面積占比僅19%的公共建筑，能耗和碳排放占比高達40%[2].公共建筑中商場建筑體量大、空間集中、人流量大，對建筑熱舒適要求較高，因此供熱、供冷時間長，能耗密度大、節能潛力較大.建立商場建筑的典型能耗模型，有助于了解商場建筑的能耗特點，研究商場建筑實現零能耗的路徑和可行性，為實現2060年 “碳中和”目標提供依據.

目前，關于典型能耗模型搭建的研究，主要是參照建筑節能、熱工設計的規范與標準.Carnieletto等[3]基于建筑能源規范和標準開發了46個意大利典型建筑能耗模型，包括16個單戶住宅、16個多戶住宅和14個辦公樓.陳智博等[4]參照《公共建筑節能設計規范》、《民用建筑熱工設計規范》等，建立了中國三類公共建筑(辦公樓、商場、酒店)在北京、上海和廣州的EnergyPlus典型能耗模型.桂晨曦等[5]基于建筑設計等相關規范標準構建了北京地區4個居住建筑和11個公共建筑(包括辦公、酒店、商場、學校、醫院5種類型)的典型能耗模型.

要搭建較為詳細的能耗模型，除了參照規范與標準外，還需要通過詳細的現場調研來獲取模型輸入參數.美國能源信息管理局(U.S.Energy Information Administration)從1979年開始，對商業建筑(CBECS項目[6])和住宅建筑(RECS項目[7])的建筑信息和能耗進行了詳細調研，并公開統計數據用于支持建筑節能.這些調研數據平均每四年左右公布一次，為后續美國能源部建立商業建筑和住宅建筑的典型能耗模型[8]提供了重要依據.Lü等[9]通過調研統計珠江三角洲200多棟商業建筑的尺寸、形狀、方位、圍護結構參數以及內部空間分布等基本信息，建立了珠三角地區商場、辦公和酒店的典型能耗模型.桂晨曦等[5]采用問卷調研的形式來獲取空調采暖開關方式、人員上下班時間等，并歸納出了典型用能模式作為DeST能耗模型的輸入.Peng等[10]調研了珠三角地區120個住宅小區，建立了珠三角地區三種住宅建筑的典型能耗模型.朱麗等[11]實地調研了天津地區5所高校的宿舍(10棟)、教學樓(7棟)和食堂(5棟)，并根據現行標準規范，建立了宿舍、教學樓、食堂的EnergyPlus能耗模型，用于分析建筑的能耗強度、供熱量和供冷量.

此外，建立典型能耗模型，還需要分析建筑實測的能耗數據，以獲取建筑的運行作息和用電強度等信息.Zhao等[12]通過分析辦公設備的電耗數據來獲取辦公建筑的典型人員作息，并將該作息輸入到美國能源部的典型中型辦公建筑能耗模型中，分析人員作息對不同氣候區建筑能耗的影響.Kontar等[13]通過對實測電耗數據聚類得到照明、設備、供暖、和制冷的用能模式，作為模型的輸入，對城市群建筑能耗模型進行校準.Giuseppina等[14]以國家人員時間利用情況調查(National Time Use Survey)為依據，確定典型人員作息，開發典型住宅能耗模型，用于分析住宅建筑的供熱能耗需求.

建立高能耗公共建筑的典型能耗模型，有利于了解該類建筑的能耗特點及節能潛力.然而，國內針對各類建筑的調研數據還較為缺乏.本文創新性地結合建筑標準與規范、現場調研、和實測分項計量數據分析三種方式，以長沙商場建筑為例，研究搭建典型建筑能耗模型的方法.

1 研究方法

本研究建立的典型能耗模型考慮了整體能耗以及空調、照明、設備等各分項能耗.模型的主要輸入包括建筑幾何尺寸、空間布局、圍護結構、照明、設備、人員等室內熱擾，以及空調系統和生活熱水系統.

圖1為本研究的技術路線圖.

圖1 研究技術路線

本文首先通過現場調研、高德和百度室內地圖調研，對長沙40個商場進行了調研，包括建筑的地上輪廓面積、層高、樓層數、窗墻比、不同朝向外圍店鋪進深、走廊寬度、及主要功能分區占比.此外現場實測了其中13棟商場建筑冬季、夏季以及過渡季節不同功能分區的室內溫度.圍護結構熱工參數以及空調系統主要參考GB50189-2015《共建筑節能設計標準》[15]中關于夏熱冬冷地區的相關要求.利用K-means算法對長沙某購物中心逐時分項能耗進行聚類分析，以獲取照明和設備的典型運行作息.K-means聚類根據所設定的聚類數k值，選取k個聚類中心，把每個對象分配給距離它最近的聚類中心，聚類中心再根據聚類中現有的對象來重新計算.通過不斷迭代，

直到沒有對象被重新分配給不同的聚類，聚類中心不再變化.采用和戴維森堡丁指標(Davies-Bouldin Index，DB指標)來判斷最佳聚類數k值.DB指標利用簇內與簇間距離的比值代表分類效果，可以避免K-means算法中由于只計算目標函數而導致局部最優的情況，DB指標值越小，分類效果越好.人員密度、燈光、設備功率密度等參數結合建筑節能設計標準以及文獻調研得到.生活熱水系統參照美國能源部典型商業建筑模型[16]設定.氣象數據(包括干球溫度、露點溫度、風向、風速、太陽水平輻射強度、太陽總輻射強度等)使用了EnergyPlus中長沙地區的TMY3格式氣象文件.以上主要特征參數確定后，通過SketchUp OpenStudio Plugins建立幾何模型，使用OpenStudio App搭建了商場能耗模型，利用EnergyPlus進行模擬計算，獲得典型商場建筑的模擬能耗.將典型商場建筑能耗結果與長沙地區商場建筑的能耗水平對比，確保模擬結果在可信范圍之內.

1.1 商場幾何模型搭建

圖2為商場的幾何參數調研結果，包括40棟商場的建筑面積、層高與層數，及外圍店鋪進深.40棟商場的面積中位數為93 546 m2，地上層數4.9層、地下1.5層，層高4.7 m.不同朝向的外圍店鋪進深分別為東向17.7 m，南向19.8 m，西向20.8 m，北向15.9 m.實地調研發現商場外窗可分為零散分布在外墻的窗戶，半玻璃幕墻，全玻璃幕墻三類，商場建筑更加追求外立面的一體化設計和內部空間的高效利用，外窗較少，多在一層設置玻璃幕墻.本文根據商場外立面圖片估算窗墻比，結果如圖3所示，長沙40棟商場的窗墻比在0.15～0.7之間，平均水為0.35.本文的典型模型中選用矩形形狀，長度為185 m，寬度為98 m，地上5層，地下1層，層高4.7 m，地上樓層的窗墻比0.35，走廊進深10.85 m，各朝向的外圍店鋪進深根據調研平均值設置，如圖12所示.

圖2 商場幾何參數調研

圖3 商場建筑的窗墻比

接著，對40棟商場主要功能分區的占比進行調研，主要采用了高德、百度室內地圖及實地調研的方式圖4展示了部分商場樓層的主要功能分區，40棟商場各功能分區的占比統計如圖5所示.商場主要包括8種功能分區，40棟商場各功能分區的占比統計如圖5所示.商場主要包括8種功能分區，包括服裝配飾、中庭走廊、停車場、餐飲、超市、童玩個護、辦公、和影城.服裝配飾面積占比最高為33.4%，輔助空間(中庭、走廊和停車場)占比之和為38%，其余功能區占比大小依次為培訓辦公、餐飲、超市、影城、童玩.

圖4 長沙部分商場樓層平面圖

圖5 40棟商場建筑內部功能分區及占比統計

1.2 圍護結構、空調系統設定

圍護結構熱工參數以及空調系統的設定參考GB50189—2015《公共建筑節能設計標準》[15]選取.購物中心由于空間較大、人員較多、需要集中進行溫濕度控制，一般采用全空氣系統.根據標準，夏熱冬冷地區冷源一般采用電驅動冷水機組，熱源采用燃氣鍋爐形式；劉倩[17]等人調研了長沙18棟商場建筑的空調系統形式，冷源以離心式冷水機組(15棟)為主，還有離心式、螺桿式冷水機組組合(2棟)、直燃式冷水機組(1棟)等；熱源主要采用燃氣鍋爐(8棟)、直燃機(6棟)形式或者無熱源的形式(4棟).故本研究中商場建筑采用全空氣空調系統形式，冷熱源分別采用離心式冷水機組和燃氣鍋爐的形式.圍護結構、空調系統和熱水系統的參數設定如表1所示，其中設備選型通過EnergyPlus的自動選型(Autosize)功能實現.

表1 圍護結構和空調系統參數設定

此外線上調研了40家商場的營業時間，主要營業時間段有4種：10∶00～22∶00，9∶00～22∶00，9∶30～22∶00和10∶00～22∶30，分別占比67%，20%，8%，5%.部分商場周五至周日的晚上比平時多半小時.選取多數商場的營業時間10∶00～22∶00作為典型商場建筑的空調運行時間.

1.3 典型建筑各功能分區內擾和設定溫度

不同功能分區的照明和設備功率密度不同，人員密度也不同.典型商場照明功率、設備功率和人員密度的參數設定如表2所示.

表2 典型商場照明、設備功率和人員密度設定

不同功能分區照明功率密度取值參考GB50034—2013《建筑照明設計標準》[18]設定.設備功率密度取值參考GB50189—2015《建筑節能設計標準》[15].為了獲取商場照明和設備的作息規律，利用K-means算法對一棟商場3年總計1 095天的分項計量電耗數據進行聚類分析，通過DB指標(Davies-Bouldin Index)判斷最佳聚類數.設備和照明電耗聚類數k值和DB指標的關系如圖6所示，可以看出，設備和照明電耗的最佳聚類數分布為3和2.

圖6 設備和照明電耗聚類數k值對應的DB指標

照明電耗的聚類最佳K值為2，如圖7所示，商場照明主要有兩種典型用電負荷曲線，商場照明主要分布在營業期間9∶30～22∶00，并且照明使用比例隨營業時間逐步增加，19∶00～22∶00照明100%開啟.非營業時間段主要有樓體、景觀等夜景照明以及其他室內外應急照明等.圖6中整體用電量較高的cluster 0占33%，cluster 1占67%，按一周七天計，其比值為4.7∶2.3，四舍五入后為5∶2.Cluster 0中周六和周日的天數較多，且cluster 1中周一至周五的天數較多，因此把cluster 0 作為周末的照明作息，把cluster 1作為周一至周五的照明作息，得到商場典型照明作息如圖8所示.

圖7 照明用電典型負荷曲線

圖8 商場建筑照明作息典型模式

商場設備電耗聚類最佳K值為3，典型用能模式如圖9所示.商場設備用電呈現“雙峰”特征，每天10∶00～14∶00以及17∶00～20∶00時間段設備使用率為100%.圖9中三類負荷曲線cluster 0、cluster 1、cluster 2天數占比分別為48%、30%、22%，一周按七天計，比值為3.4∶1.5∶2.1，四舍五入后為3∶2∶2.Cluster 0在周一、四、五的天數較多，cluster 1在周二、三的天數較多，cluster 2在周六和周日的天數較多，因此把Cluster 0作為周一、四、五的作息，cluster 1 作為周二、三的作息，cluster 2作為周六和周日的作息，建立典型商場設備作息，如圖10所示.

圖9 設備用電典型負荷曲線

圖10 商場建筑設備作息典型模式

人員逐時在室率參照鄭林濤等人[22]在對夏熱冬暖地區5家商場公共區域、服裝配飾、餐飲、超市、影院、童玩等6個功能分區人員作息調研結果，分為工作日和周末兩種作息模式，如圖11所示.辦公區域人員作息模式參照文獻[15]設定.商場的室內溫度設定值如表3所示，在依據文獻[15][19]的基礎上，實測了長沙13棟商場在1月份(冬季)、7月份(夏季)正常營業時間內的不同功能區的室內溫度.

圖11 不同功能分區人員作息模式(數據來自[15][22])

表3 典型商場設計參數設定

2 模型搭建與模擬結果分析

2.1 OpenStudio能耗模型搭建

根據調研結果，本文的參考模型選用矩形形狀，長度185 m，寬度98 m，外圍店鋪進深取10～15 m，走廊進深10.85 m，層高4.7 m，窗墻比0.35，地上5層，地下1層.商場地下一層一般用作停車場，一層主要為體積小、租金貴、可以代表商場形象的珠寶配飾區或者可以引流的百貨超市；二至三層主要是男女品牌服裝配飾、兒童娛樂等；四五層主要是餐飲、影城以及培訓辦公等可以帶來人氣的功能區；中庭走廊從一層貫穿至頂層.典型商場能耗模型各樓層分區如圖12所示，其中各功能分區的占比與圖5一致.

圖12 典型商場建筑的幾何模型

2.2 典型商場能耗模型結果

典型商場EnergyPlus能耗模型結果中年耗電量為192.7 kW·h/(m2·a)，燃氣消耗量為0.21 GJ/(m2·a).各分項用電量如圖13所示，其中制冷、照明、設備、風機、水泵、和冷卻塔的用電強度分別為51.3、51.3、52.5、44.1、16.4、16.9、11.6 kW·h/(m2·a)，用電量占比分別為27%、27%、23%，8%、9%、6%.各用電分項逐月電耗分布如圖14所示.燃氣能耗中供暖能耗占比94.7%，生活熱水能耗占比5.3%，燃氣逐月用能如圖15所示.

圖13 典型商場模型各分項用電量(kW·h/(m2·a)

圖14 典型建筑能耗模型各分項逐月電耗指標

圖15 典型建筑能耗模型逐月燃氣能耗

2.3 能耗結果的對比分析

表4列舉了部分地區商場建筑的年能耗調研結果，其中長沙地區商場的年平均能耗指標為226.9 kW·h/(m2·a)，包含電力和燃氣(天然氣折電系數為10.82[17]).本文所搭建的典型商場EnergyPlus能耗模型結果中年耗電量為192.7 kW·h/(m2·a)，燃氣消耗量為0.21 GJ/(m2·a)，模擬的用電量結果在長沙地區商場建筑年能耗水平范圍之內，與文獻調研結果較為接近，具有一定的可信度.

表4 不同地區商場建筑的能耗水平統計

3 結論

本文首先對長沙40棟商場進行詳細調研，結果顯示商場平均地下有一層為停車場，地上五層，樓層高4.7 m，窗墻比0.35，其中服裝配飾占33.4%，中庭走廊占20.9%，停車場占17.1%，培訓辦公區域占11.2%，餐飲區占6.9%，超市占3.8%，影城占比3.8%，兒童個護占2.9%.冬季室內平均溫度在20～24 ℃,夏季室內平均溫度在25～30 ℃.

接著對長沙某商場的實測設備與照明的分項電耗數據進行聚類分析，得到商場照明和設備的典型用電模式.按照不同模式內日負荷曲線占比情況構建了典型商場的照明和設備作息時間表.

最后，本研究基于長沙商場的典型幾何信息、功能分區特征、圍護結構參數、空調系統、熱水系統、室內熱擾參數等數據使用SketchUp OpenStudio Plugins和OpenStudio App建立了長沙商場的典型EnergyPlus能耗模型.EnergyPlus模擬結果中年耗電量為192.7 kW·h/(m2·a)，燃氣消耗量為0.21 GJ/(m2·a).模擬的用電量結果與長沙商場的用能調研數據較為接近，模擬結果在合理范圍之內.本研究建立的夏熱冬冷地區商場建筑典型能耗模型具有一定的代表性，可為今后城市建筑群能耗模擬提供模型基礎.

本文存在一些不足之處.由于商場工作日和節假日均在運行，每天營業時間達12 h以上，內部熱擾對空調年能耗影響巨大.本研究中設備、照明的作息時間表僅根據長沙某商場逐時分項電耗數據聚類得到，不具有典型性，未來還需收集更多商場的實測能耗數據.在得到照明和設備的作息聚類結果后，本文作者首先使用了決策樹分析，想建立起每類作息與天氣參數、工作日/休息日、季節等因素的關系，但未能得到較好的結果，因此采用了較為簡單的方式建立了每周作息.本文人員作息的輸入信息采用了夏熱冬暖地區的數據，氣候差異可能會影響人員活動時間.今后需要針對夏熱冬冷地區的商場進行詳細的人員作息調研，以獲取更為準確的人員密度及作息信息.