國內典型區域建筑能源系統經濟和能耗指標比較分析

孫學鋒，吳 偉，王 昊，殷晶晶（上海中建東孚投資發展有限公司， 上海 200125）

提升人居環境品質是滿足人民日益增長的美好生活需要的必然要求，但高品質人居環境需要相應的能源消耗做支撐。2014～2016年，對中國家庭能源消費研究表明，用于改善人居環境品質的建筑能耗增加最為明顯[1-3]。在建筑能耗總量控制背景下，建筑節能是實現建筑節能總體目標、緩解能源壓力的重要措施。建筑節能技術研究受到廣泛關注。影響建筑能耗的因素有 6 個方面，分別是氣候、建筑圍護結構、建筑設備、運行維護、人行為和室內環境品質高低[4]。近年來學者對綠色生態建筑的設計理論和方法展開了大量的研究工作，不同地區的學者結合當地氣候特征，對當地建筑從選址、布局、建筑設計到環境調控設備選擇等各個環節提出了系統的節能策略。

除了單體建筑節能技術的研究，采用自上而下的方式設定建筑能耗指標，通過政策管控引導措施促動建筑節能也是建筑節能工作的必然要求。目前國內外生態城、生態社區的項目實踐中，廣泛采用的與能源相關的指標主要集中在人均和單位 GDP 能耗指標、可再生能源占比、綠色建筑比重、人均 CO2排放量等幾個方面。此類宏觀指標對于把握建筑節能整體趨勢和方向具有重要意義。但是，建筑能耗主要通過建筑能源系統的日常運行所產生，不同類型的建筑能源系統對于能源消耗有明顯的區別，因此通過對不同氣候區典型城市典型建筑采用常見能源系統時的能耗和經濟指標進行比較分析，彌補了宏觀指標缺乏個體針對性的缺點，有助于企業、政府有針對性地對建筑能源系統設計進行引導，改進和提升建筑節能工作。

本文基于投入產出分析的方法，利用單位建筑面積指標法，結合各類能源公允定價和建筑能源系統價格，將建筑能耗與經濟指標進行量化，對典型城市、典型建筑、典型能源系統能耗指標和經濟指標進行對比分析。研究成果有助于政府部門、開發單位、設計單位、運行單位在相應區域內的建筑能源系統設計獲得一定的數據支撐，輔助建立符合氣候分區、當地政策的針對性能源利用方案。

1 我國典型區域劃分及典型城市選取

我國幅員遼闊，地形復雜，因地理緯度、地勢等條件的不同，故各地氣候懸殊。因此，針對不同的氣候條件，各地建筑的節能設計對應不同的做法。炎熱地區的建筑需要遮陽、隔熱和通風，以防室內過熱；寒冷地區的建筑則要防寒和保溫，讓更多陽光進入室內。為了明確建筑和氣候兩者的科學關系，GB 50352—2005《民用建筑設計通則》將我國劃分為 7 個主氣候區，20 個子氣候區，并對各個子氣候區的建筑設計提出了不同的要求。

具體到建筑熱工設計，建筑圍護體系熱工性能應與地區氣候相適應。GB 50176—1993《民用建筑熱工設計規范》將我國劃分為 5 個建筑熱工設計氣候區域，即嚴寒地區、寒冷地區、夏熱冬冷地區、夏熱冬暖地區和溫和地區。

考慮建筑能源利用，20 世紀 50年代，我國以北緯 33°附近的“秦嶺-隴海線”為界，人為劃分一條分界線。分界線北邊的城市，會由政府統一安裝集中供熱系統，而分界線南邊的城市，就采用家庭分戶采暖的方式，由每家每戶自行安裝采暖系統。

建筑能源系統類型和能耗涉及負荷強度、能源系統形式、供能期及可再生能源資源條件。考慮到北方采暖地區冬季均通過集中供暖的系統形式，城市間的差異主要是寒冷程度差異導致的用能量差異，以及不同城市太陽能資源的利用量，對建筑能源系統形式沒有本質的影響。南方非采暖區域主要是長江流域、珠江流域和西南云貴地區冬夏季能源需求存在較大的差異，對能源系統形式具有較大的影響。如長江流域夏熱冬冷，需要兼顧冬季采暖和夏季供冷，珠江三角洲地區的廣州、深圳等以夏季供冷為主，冬季幾乎沒有采暖需求，云貴地區氣候溫和，冬夏季能量需求均較小。

此外，不同建筑類型的建筑能源系統形式和用能特性差異較大。本文重點針對量大面廣的住宅、辦公和商業建筑進行分析。

綜合氣候分區、可再生能源資源狀況，本研究典型城市和建筑類型的選取如表1 所示。對其住宅和綜合體建筑用能進行分析。其中，非居住的城市綜合體其各類建筑面積比例分別為商業占 30%、酒店占 30%、辦公占 40%。

表1 典型城市和建筑類型選取

2 典型建筑全年負荷特性

采用 Dest 能耗模擬軟件，按照 GB 50189—2015《公共建筑節能設計標準》的要求，結合中國建筑集團公司在各地的設計經驗，設定建筑形體和建筑圍護結構構造方法。結合各地建筑使用調研數據，設定建筑使用狀況，包括使用時長、人員密度以及設備啟停管理時間表，得到 3 個城市住宅和綜合體建筑的能耗指標。對負荷強度指標、全年負荷分布特征進行比較分析。

2.1 負荷強度指標

3 個城市典型建筑的設計負荷指標如表2 所示。在能耗模擬時所設定的建筑信息的不同，導致冷熱負荷指標存在一定的差異，但是經過調研數據修正負荷模擬計算的輸入信息，負荷指標處于合理區間范圍內且具有一定的代表性。

表2 典型城市典型建筑設計負荷 W/m2

2.2 全年負荷分布

瞬時負荷指標對于系統容量設計具有重要意義，是滿足建筑需求的保證。但是該值更多體現了負荷的上限，不能體現全年實際供冷供熱量。全年累積冷熱需求及負荷的時間分布對建筑能源系統投入產出指標具有重要影響。

以上述設計負荷為準，3 個典型城市冷熱負荷的負荷率變化分別如圖1、圖2 所示。建筑負荷率分布情況將北京、上海、廣州 3 個城市的氣候特征進行了量化呈現：廣州地區冷負荷較大，且高負荷率時長較長，負荷率下降曲線較為平緩；上海地區次之；北京地區冷負荷率下降較快，即全年冷負荷較大的時段相對較短。

圖1 3 個典型城市綜合體建筑冷負荷負荷率分布的比較

圖2 3 個典型城市綜合體建筑熱負荷負荷率分布的比較

3 典型建筑能源系統及其技術經濟指標比較

3.1 典型建筑冷熱源系統

基于對當前冷熱源系統形式的調研，住宅建筑以分體式空調為主，除市政供熱外較少采用集中式空調冷熱源系統，在分析中僅就電驅動分體式冷暖空調的能耗和技術經濟性進行計算 。綜合體建筑采用的冷熱源形式多樣，本文分析對比 3 種較為典型建筑冷熱源系統。① 變制冷劑流量的多聯機系統。② 水冷冷水機組 + 燃氣鍋爐系統。③ 水冷冷水機組 + 冷熱電三聯產分布式能源系統（CCHP） + 燃氣鍋爐耦合系統。為分析比較，假設北京地區項目未接入市政供熱，而是采用項目自建的冷熱源滿足建筑冷熱需求。

3.2 建筑能源系統運行計算

基于項目逐時負荷，結合當地燃氣和電力價格，利用伯克利開發的 DER-CAM軟件對系統全年逐時運行狀態進行模擬計算，得到全年運行結果。

為便于比較，將供冷、供熱通過冷熱定價的方式作為建筑能源系統產出的收益。經過調研，設定的能源價格信息如表3 所示，各類建筑能源系統設備成本信息如表4 所示。

表3 典型城市能源價格

表4 典型建筑能源系統設備價格

上述 3 種典型建筑能源系統中，包含 CCHP 的建筑能源系統包括多種冷熱生產設備，在全年運行模擬中，其運行調控策略為優先開啟該時刻供能成本最低的設備，不足時選用供能成本次低的設備，直至所有設備均開啟進行供能。

3.3 典型建筑能源系統技術經濟指標比較

基于 3 個典型城市典型建筑逐時負荷、各類能源價格、各類設備價格信息，經過 DER-CAM 對建筑能源系統進行全年逐時運行模擬計算，得到各建筑能源系統技術經濟指標如圖4、圖5 所示。

圖4 綜合體建筑不同能源系統能耗和經濟性比較

從圖3、圖4 可以看出，同樣的建筑能源系統應用于不同城市的同類建筑中，其經濟指標具有較大的差異。總體上，年冷熱需求越大的城市，系統能耗越大，經濟指標越好。

圖3 3 個典型城市住宅建筑能源系統能耗和經濟性比較

4 結 語

利用 Dest 建筑負荷模擬軟件，結合某建筑集團的設計工程實踐，對典型城市典型建筑全年逐時負荷進行模擬計算，得到了典型城市典型建筑全年逐時負荷的強度特征和負荷率分布特征。基于典型建筑的全年逐時負荷值，結合能源價格、各類建筑冷熱源設備價格和能效參數，通過設備全年逐時運行仿真計算，得到了典型城市典型建筑能源系統的年能耗指標和經濟指標，得出如下結論。

（1）除了建筑冷熱負荷設計值之外，建筑全年逐時負荷的負荷率分布也具有重要的意義，負荷率分布可以更準確地反映當地自然氣候特征。

（2）建筑能源系統的經濟性指標與能耗指標在某些情況下是矛盾的，建筑能耗越高，正常情況下建筑能源系統供能量越大，設備投入產出的經濟回報越好。

（3）建筑能源系統經濟性受到眾多因素的影響，特別是能源價格的因素，不同城市不同建筑需要進行有針對的分析，不能基于既有項目經驗簡單借鑒經濟上最適用的系統形式。