上海某辦公建筑能耗影響因素探究以及節能分析

馮 聞 王藝蕾 豆晨昊

上海某辦公建筑能耗影響因素探究以及節能分析

馮 聞1王藝蕾1豆晨昊2

（1.上海建科造價咨詢有限公司 上海 200030；2.上海交通大學船舶海洋與建筑工程學院 上海 200240）

首先分析上海某建筑分項計量系統采集到的能耗數據，總結出照明與插座和HVAC系統的用能特點和能耗影響因素，并結合能耗影響因素以及辦公建筑運營的特點，分別給出降低空調系統和照明與插座系統能耗的方法。空調系統從減輕空調系統負荷和增加對廢熱的回收兩個角度降低能耗，照明與插座系統引入了自然光和分區域管理的方法降低運營成本。建筑運營期間可采取相應的措施達到節能的目的。

空調系統；照明與插座系統；辦公建筑；降低能耗

0 引言

我國的建筑面積逐年增加，建筑能耗一直是高能耗的項目，2008年建筑能耗高于全國用能總量的四分之一[1]。上海市是我國最大的城市，由于其重要的經濟地位，許多國際公司在上海設立辦公地點，辦公建筑面積正在逐年增加，辦公建筑能耗也水漲船高。

上海市建立建筑分項計量能耗監測平臺，該平臺于2018年共覆蓋1687棟建筑。根據統計結果，上海市住房和城鄉建設管理委員會發布《2018年上海市國家機關辦公建筑和大型公共建筑能耗監測及分析報告》[2]（以下簡稱《報告》），《報告》中將一年劃分為3個季度進行統計，分別為供熱季、過渡季和供冷季。分別對應1、2、3、12月份；4、5、10、11月份和6、7、8、9月份。《報告》顯示，參與分項計量能耗監測平臺的公共建筑共計耗能84.4億kWh，其中供熱季用電量為26.6億kWh（34.0kWh/m2），過渡季23.8億kWh（30.4kWh/m2），制冷季為34.0億kWh（43.4kWh/m2）。

分項計量能耗監測平臺包括有辦公建筑、商場建筑、旅游飯店建筑、醫療衛生建筑等建筑類型，不同類型建筑能耗分布占比如圖1所示。

圖1 2018年上海市不同類型建筑年用電量占比

根據建筑類型能耗占比餅狀圖，可得出辦公建筑為能耗最高的建筑類別，占比為28.10%，超過2018年上海市總用電量的四分之一。

分析表可得用電量較大的為照明與插座系統和空調系統，兩者占比總和為81.7%，動力系統占比9.50%，特殊用電系統占比8.80%。由于動力系統和特殊用電包含的用電項目較為復雜，故本文主要從空調系統和照明系統這兩個能耗大項作為主要的節能討論目標。本文首先探究建筑的能耗影響因素，然后提出降低能耗的方法，進而削減建筑運營成本。

進一步分析辦公建筑用能情況，由《報告》中數據得出能耗結構餅狀圖。

圖2 2018年上海市辦公建筑不同用電系統年用電量占比

1 能耗分析

建筑功能不同，能耗結構就會有差異。比如在雙休日，機關辦公建筑與辦公的能耗要比工作日要低；而醫療衛生建筑由于運營的持續性工作日和雙休日用電差異要比辦公建筑小一些。根據《報告》中的統計數據，各種類型建筑的工作日和非工作日用能差異分別取一個自然月，如表1所示。

表1 2018年各主要類型建筑工作日和非工作日用電量差異

不同建筑類型在工作日和非工作日的差別程度根據建筑類型有所不同，辦公建筑和機關辦公建筑差別程度要明顯大于旅游飯店、商場建筑和醫療衛生等建筑。所以，確定研究的建筑類型是節能探討的前提，本文以辦公建筑作為能耗分析對象。考慮到數據處理的數量以及數據與能耗影響因素的顯著性，在運算時除去非工作日的照明與插座和空調能耗數據來探討節能潛力。

1.1 空調能耗系統分析

1.1.1 空調系統能耗影響因素—氣象因素

本文以2018年上海某辦公建筑的分項統計的供冷季的空調系統能耗為例，數據包括制冷季（6、7、8、9月份）工作日每天的空調能耗額以及天氣平均溫度、相對濕度，有時工作日能耗過低產生能耗異常值，這是由于建筑裝修而造成的停工，為保證結果的顯著性和客觀性，數據剔除了非工作日的空調系統能耗以及能耗異常值。

（1）利用SPSS軟件分析空調系統用電量和溫度之間的相關性，并繪制散點圖。

圖3 溫度和用電量之間的散點圖

表2 溫度與空調能耗之間的相關性分析結果

注：**.相關性在0.01層上顯著（雙尾）。

結果分析：

①分析散點圖，可得溫度與用電量有明顯的相關性。

②維碼由相關性分析結果來看，溫度與空調能耗之間的相關性很強，溫度屬于空調能耗的顯著影響因素。

（2）利用SPSS軟件分析濕度和空調能耗數據，并研究濕度和空調能耗之間相關性，繪制散點圖。

圖4 溫度和用電量之間的散點圖

表3 濕度與空調能耗之間的相關性分析結果

結果分析：

①分析散點圖，可得濕度與用電量不具有明顯相關性；

②由相關性分析結果，可得濕度與空調能耗之間的相關性不強，不是空調能耗的顯著影響因素。

1.1.2 空調系統能耗影響因素—行為因素

（1）使用時間

此處截取建筑制冷季一周的用電情況以討論空調每周用電情況。

表4 上海某辦公建筑一周的空調的能耗情況

從表中的數據可以得出，工作日和非工作日用能差別較大，非工作日空調系統并非處于全負荷工作狀態，相比于工作日空調能耗降低顯著。并且周日比周六用能多，但相比于周內仍然顯著降低，這是由于一些建筑周日加班導致能耗增加。

（2）管理制度

根據《關于上海市深入開展全民節能行動的通知》（以下簡稱《通知》）中規定，公共建筑夏季室內空調溫度不得低于26℃，冬季室內空調溫度不得高于20℃。劉如意[4]等人模擬了室內溫度與空調能耗之間關系，得出：在夏季時，室內人員一般將空調溫度設定為26℃以下，這樣增加了空調系統的能耗，同時也未必能達到室內的舒適度。

針對于這種情況，有些建筑運營管理者組建節能工作組，結合《通知》中的標準要求以及根據建筑本身的用能特點制定了節能規章。若建筑管理人員切實執行節能規章，則可以規范室內使用人員的用能行為，并降低能耗的浪費。

1.2 照明系統能耗分析

（1）照明系統的影響因素——季節因素

考慮到各個季節白天日照時間長短以及白天工作作息時間的不同，本文以供冷季（6、7、8、9月份）、過渡季（4、5、10、11月份）、供熱季（1、2、3、12月份）為單位，由分項計量系統能耗監測平臺統計的數據計算本辦公建筑的照明與插座系統每個季度的月平均能耗，并將每個月的照明與插座系統能耗繪制為柱形圖。

圖5 上海某辦公建筑照明與插座系統每月平均用電量

注：在計算2月、5月、10月份時，剔除春節、五一長假、十一長假等特殊概況。

圖中為上海某辦公建筑照明與插座系統每月平均用電量，從圖中可以看出，照明與插座系統用電量并未出現明顯的季節性規律。另外，進一步計算供冷季、過渡季、供熱季平均用電量：供熱季每月平均用電量為324.6kWh，過渡季每月平均用電量為289.2kWh，制冷季每月平均用電量為300.5kWh。由計算結果可以得出供冷季照明與插座系統最高，主要系在1、2、3、12月份本建筑冬季上班時間為上午9:30，下班時間為下午5:30，而白天光照時間短導致照明系統用電增加。

（2）照明系統的影響因素——行為因素

照明與插座系統是受使用人員行為影響較大的用電系統，工作實際中，使用人員下班會關閉辦公區域的照明燈具，照明系統的用電量從而會呈現出階段性的規律。此處截取正常工作日一天24小時照明與插座系統能耗監測數據來分析此規律。

表5 上海某辦公建筑工作日某天24小時用電情況

本建筑分為室內照明插座和公共區域照明插座兩個子系統分別統計照明與插座用電量。通過觀察數據可得：

（1）室內照明插座系統能耗：在8:30上班之前，每個小時的能耗額比較穩定，并且明顯低于上班期間的用電量。且上班期間上午照明與插座系統用電量比下午用電量多，這是由于中午太陽輻射強度最大，此期間照明系統用電相對較少。

（2）公共區域照明和應急照明系統能耗：公共區域照明呈現出上班期間大于下班期間的特點，并且在下班期間的能耗額比較平穩，且相比于上班期間的照明要低約80%左右。

2 節能探討與建議

2.1 空調節能措施

本文根據空調系統的工作機制，從緩解空調系統負荷以及增加對廢熱的回收這兩個角度尋找降低空調系統能耗的方法。

2.1.1 緩解空調系統負荷

為減輕空調系統的工作負荷采用空調系統輔助工具，本文討論建設期已安裝的蓄冷系統和冷卻塔等在運營期間的成本控制方法。

（1）蓄冷系統

冰蓄冷空調工作原理：夜間是一天中的用電低谷時段，利用此時段的電量制冰并貯存在蓄冰裝置中，在白天時將儲存的冷量釋放出來，從而減少白天用電高峰時段空調系統的用電負荷[4]。劉娜[5]等人集中探討了冰蓄冷空調使用特點：冰蓄冷空調體積較小，安裝方便，可以根據需求靈活使用。

由冰蓄冷空調的工作原理可知冰蓄冷可以實現24小時工作，在晚上時可以利用電網低峰制冰并儲存，在白天空調主機工作時釋放儲存的冷量，降低空調系統主機的工作負荷。且晚上用電低峰段電費相比白天更低，降低了運營費用。

（2）日常清洗養護

黃大漢[6]等人研究了空調機組清洗前后的效果，清洗后的空調機組能有效降低空調能耗。日常對空調進行清洗養護可以減少空調的送風阻力，并可以降低空調能耗。建筑管理人員可以根據運營實際情況，定期清洗空調系統。

在日常清洗養護工作中應定期清理冷卻塔，冷卻塔是空調系統的重要組成部分。清洗養護時應保證零件正常工作。冷卻塔的集水箱應保持箱內清潔，塔中管壁的水垢會影響到冷卻塔的工作效率，降低冷卻效果進而增加能耗。

日常的保養工作可提高設備的工作效率，延長設備的壽命，并節約運營成本。建筑的運營管理者應制定相應的定期清理方案并嚴格執行。

2.1.2 增加對廢熱的回收

熱回收裝置指回收建筑物內外的余熱（冷）或廢熱（冷），并將回收的熱（冷）量作為供熱（冷）或其它加熱設備的熱源而加以利用的系統[7]。從末端風系統回收廢能，然后對室外新風進行預處理，進而實現室內廢熱回收，降低空調系統運營成本。

（1）輪轉式熱回收技術

輪轉式熱回收機組工作原理：以冬季為例，室內與室外進行氣體交換的時候，室內的熱風通過輪轉式熱回收機組排出室外，但是排出的空氣中包含有一定的熱量，此時輪轉式熱回收機組引入室外的新風，并同時將排出空氣中的熱量通過機組中的吸熱材料回收，預熱引入室內的新風，從而達到了換氣并回收熱量的功能。此舉不僅可以持續為室內提供新鮮的空氣，

并同時回收舊風中的熱能，以預熱新風，降低空調機組的能耗，達到節能的效果。

輪轉式熱回收機組的特點：機組可以適用于不同條件下的空氣條件，回收熱量效率高，并且使用較為方便。但是機組設備體積較大，造價較高并且本身機組運作時也要消耗能量。通過討論優缺點，輪轉式熱回收機組適合于輔助大型建筑空調機組的運營。

圖6 輪轉式熱回收機組工作原理

（2）熱管式換熱器

熱管式換熱器工作原理：熱管式熱回收裝置是在管內借助介質進行熱交換并吸收水蒸氣的熱回收裝置，在熱管內進行熱交換并為室內持續交換氣體。

圖7 熱管式換熱器工作原理

熱管式換熱器的特點：安裝簡便靈活，占據空間很小；且可以避免交叉污染的現象，保證置換空氣清潔；缺點是傳熱效率較低，由于長時間工作，管壁容易堆積灰垢，降低傳熱效率，需要額外定期及時清理。

以上是不同空調廢熱熱回收系統，建筑運營管理者根據建筑的特點，合理選擇廢熱回收的種類。

2.2 照明系統

2.2.1 充分利用自然光

研究表明，在自然光的環境下，人們工作的視覺功效較人工照明要高出5%~20%[8]。充分利用自然光可以降低電量消耗，并營造一個良好的工作環境。現在用的比較多的方法式利用導光系統作為室內照明的輔助工具，減少照明系統的用電量。導光系統由集光器、導光筒和漫射器組成。集光器收集室外的自然光，然后進入導光筒對光源進行重分配，然后利用漫射器進入室內。

圖8 導光系統組成示意圖

2.2.2 分區域管理

（1）公共區域

公共區域一般照明時間較長，人流量大，可以引入導光系統進行補充照明。在節假日人員數量少的時候，可以適當關閉一些燈具。

（2）辦公區域

辦公區域是人員集中區域，照度要達到國家標準（300 lx），并且要考慮到節能。根據上面提到的方法，可以使用遮陽棚加光源采集器的方法，利用自然光對燈具進行照度補充。另外可安裝光照度傳感器來調節燈具的工作狀態，使得燈具可以在根據環境的變化而調整輸出功率，避免持續的高輸出狀態，從而延長使用壽命。

（3）會議室

會議室根據不同的需要，調節不同亮度的燈光。例如在閑置時關閉燈源，使用時開啟，并根據需要適當調低亮度。

（4）休息室

休息室并非是人員長期聚集場所，應根據人流來控制照明。在休息室安裝人體傳感器，檢測到人員進入時開啟燈具，當人員離開時照明燈具自動關閉。

3 總結

（1）利用SPSS軟件分析上海某辦公建筑空調系統能耗額以及上海天氣歷史數據，溫度是顯著影響因素，而濕度從數值分析的角度來看弱于溫度，屬于不顯著影響因素。

（2）辦公建筑照明系統能耗受使用人員活動因素影響較為顯著，本文分析了工作日室內照明插座和公共區域照明插座系統的24小時每小時的能耗額，上班期間的能耗額明顯大于下班的時的能耗額。

（3）針對于空調能耗控制方法，本文從緩解空調系統負荷以及增加對廢熱的回收這兩個角度降低空調系統運營成本。而針對于照明系統采用的是引進自然光和分區域管理的辦法來降低照明系統的能耗額。

[1] 清華大學建筑節能研究中心.2011中國建筑節能年度發展研究報告[M].北京:中國建筑工業出版社,2011:2-3.

[2] 2018年上海市國家機關辦公建筑和大型公共建筑能耗監測及分析報告[R].上海:上海市住房和城鄉建設管理委員會,2018.

[3] 劉如意,王艷新.行為因素對辦公建筑空調能耗的影響分析[J].制冷與空調,2012,26(1):93-96.

[4] 劉軍.暖通空調系統節能技術要點分析[J].建筑工程技術與設計,2018,(32):3724.

[5] 劉娜.分析冰蓄冷空調在商業寫字樓中的節能應用[J].中國房地產業,2016,(1):164.

[6] 黃大漢,宋小涵.空調通風系統清洗對空調運行能耗影響研究[J].中國科技縱橫,2010,(7):139,286.

[7] 郭書鋒.熱回收技術在空調工程中的應用研究[J].建筑工程技術與設計,2016,(29):208-209.

[8] 劉博.關于建筑電氣照明節能的探討[J].中國室內裝飾裝修天地,2018, (21):30.

Observing Influence Factors of Energy Consumption and Energy-Saving Strategies of Certain Office Building in Shanghai

Feng Wen1Wang Yilei1Dou Chenhao2

( 1.Shanghai Jianke Cost Consulting Co., Ltd, Shanghai, 200030;2.School of Naval Architecture, Ocean & Civil Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai, 200240 )

Compared with commercial buildings, the energy-consumption structure of office buildings tend to be more regular. At first, this paper analyses the data collected from data gathering system to clarify the characteristics of HAVC and Lighting and socket system energy consumption and then put up with energy-saving strategies respectively. Cutting down load of HAVC system and recycling waste heat will be adopted to reduce the operation cost of HAVC system. As for lighting and socket system, adoption of natural light and regionally arrangement of lighting system will be put in this paper. Managers of operation can choose suitable methodologies to decrease operation cost of building by taking consideration of factual operation factors.

HAVC; Lighting and socket system; office building; reduce energy consumption

TU831

B

1671-6612（2021）01-088-07

國家重點研發計劃資助——基于BIM的綠色建筑運營優化關鍵技術研發（項目編號2018YFC0705900）

馮 聞（1977-），男，高級工程師，E-mail：feng_wen2001@126.com

豆晨昊（1995-），男，在讀碩士研究生，E-mail：douchenhao1995@163.com

2020-07-11