夏熱冬冷地區辦公建筑能耗指標特征研究

敬麗君 王 軍

（四川大學建筑與環境學院 成都 610065）

0 前言

目前，我國建筑能耗占全社會總能耗的27.4%，其中公共建筑總面積僅占建筑面積的5%～6%，但其單位面積年耗電量達到70～300kWh，是普通居民住宅的10～20 倍[1]，因此公共建筑具有巨大的節能潛力，而對公共建筑能耗影響因素的研究是實現公共建筑節能的基礎工作。

近年來，諸多學者開展了對公共建筑能耗影響因素的研究，管玲俐[2]和賀杰[3]采用DeST 軟件模擬以全年累計熱負荷指標與累計冷負荷指標為能耗指標，對影響辦公建筑能耗的因素進行了逐一的分析研究。但軟件模擬所得到的建筑能耗并沒有考慮到行為因素的影響，因此并不能全面的分析建筑能耗的影響因素。劉菁[4]基于建筑的實際能耗信息，從外部氣象條件、建筑自身情況和建筑使用情況三個方面分析了辦公建筑能耗。那威[5]從建筑形態、建筑圍護結構熱工性能、建筑用能設備、建筑外形尺寸、氣象參數、建筑人員使用六個主成分分析了公共建筑能耗。但以上的研究建筑是全國范圍內的公共建筑，我國幅員遼闊，公共建筑能耗指標存在顯著的地域差異，從而導致對公共建筑能耗指標現狀和規律在認識上的不全面，使得公共建筑節能改造和管理不能精準的開展。談雪[6]從建筑類型、季節、用能行為角度對夏熱冬冷地區文化教育類建筑能耗影響因素進行了分析，夏麟[7]從空調和供暖實際運行能耗和室內熱舒適度兩方面評估研究了上海某辦公建筑能耗，馮聞[8]重點總結了辦公建筑照明與插座和空調系統的用能特點和能耗影響因素。可以看到，已有的關于夏熱冬冷地區公共建筑能耗研究僅聚焦于某一個城市，但其實即使是同一氣候區不同城市能耗也存在明顯的差異，導致特征影響因素考慮并不全面。

為此，本文將通過對上海、長沙、成都的多棟辦公建筑能耗數據進行詳細的調研與統計，并基于指標體系以及夏熱冬冷地區氣候特點對辦公類建筑年度能耗情況、逐月能耗情況、能耗拆分情況進行分析，由此獲得季節因素、人為因素對辦公類建筑能耗指標特征的影響。并在此基礎上，從建筑能耗管理、能耗設備、人員行為三個方面提出辦公建筑的節能策略建議。

1 研究對象

1.1 研究區域概況

夏熱冬冷地區主要是指長江中下游及其周圍地區，該地區的范圍大致為隴海線以南，南嶺以北，四川盆地以東。上海、長沙、成都是中國夏熱冬冷地區的典型城市。夏熱冬冷氣候具有夏季悶熱、冬季濕冷，氣溫日較差小；年降水量大；日照偏少等特點[9]。

1.2 數據統計

公共建筑能耗數據統計的主要內容包括公共建筑的基本信息以及建筑在使用過程中的能源消耗量。本文首先綜合行政主管部門、物業管理部門、檔案管理部門等多方面的資料對長沙、成都、上海地區辦公類建筑的基本信息進行了調查，包括建筑物詳細名稱、建筑詳細地址、竣工時間、建筑類型、建筑功能、建筑層數、建筑面積、能源系統形式。然后與上海相關建筑物業管理部門溝通，獲取了整棟建筑逐月、逐時電耗、抄總表獲得整棟樣本建筑的能耗數據，篩選夏熱冬冷地區范圍內部分地市上報至住建部民用建筑能耗統計報表中辦公類公共建筑能耗數據，從已發表的報告與文獻中獲取了成都、長沙的辦公類建筑的能耗數據。

2 典型因素影響下的能耗指標特征

2.1 能耗分析

辦公建筑能耗種類主要有電、天然氣、柴油等，具體的用能設施有空調、照明、設備、電梯和特殊系統用能。本文調研的上海、長沙、成都多棟辦公建筑能耗如表1所示，建筑面積耗電量范圍為50.09-107.74kWh/(m ·a)，建筑單位面積年耗電量為75.57kWh/(m ·a)。最大建筑單位面積年平均耗電量是最小耗電量的2.2 倍。《民用建筑能耗標準》GB/T51161-2016 規定，辦公室非供暖能耗指標約束值為80kWh/(m ·a)，本次調研中有7 棟樣本建筑能耗高于規定值，8 棟樣本建筑低于規定值，說明該類建筑節能潛力有待進一步挖掘。

表1 辦公建筑能耗調研結果Table 1 Survey results of energy consumption of office buildings

辦公建筑用電主要是由空調、照明、辦公、動力設備用電和特殊系統用電構成，為進一步分析辦公建筑能耗構成，進一步調研了其中10 棟辦公建筑的分項電耗，將電耗拆分為空調系統、照明插座、綜合服務系統三類，如圖1所示。從圖可見，空調與照明插座電耗在辦公建筑中占總能耗的83%～97%，其中照明插座電耗比重26%～60%，空調系統電耗比重25%～58%，綜合服務系統電耗比重僅4%～17%。辦公類建筑除了照明要求之外，辦公設備插座用電也較多，因此照明插座電耗比重較大，而其中位于長沙的CSBGL 空調系統電耗占比高于照明插座占比，這與長沙當地的氣候特點有關，長沙夏季平均最高溫可達到32℃，上海夏季平均最高溫為31℃，成都夏季平均最高溫為30℃。相比其他夏熱冬冷地區，長沙夏季更熱，因此空調電耗占比更高。

圖1 夏熱冬冷地區辦公建筑分項電耗Fig.1 Power consumption of office buildings in hot summer and cold winter

2.2 季節因素

夏熱冬冷地區夏季悶熱、冬季濕冷，有明顯的空調季與供暖季，本次調研的15 棟辦公建筑全年單位建筑面積空調系統電耗范圍為10.84～51.98kWh/(m ·a)，其平均值為25.77kWh/(m ·a)，最大建筑單位面積空調系統耗電量是最小耗電量的4.8 倍。為進一步分析辦公建筑空調系統能耗是否受季節因素影響，調研了其中10 棟辦公建筑的逐月空調電耗，整理如圖2所示。夏熱冬冷地區空調季劃分[10]見表2。由圖可見空調電耗具有明顯的季節性特征，用電高峰期出現在1、2、7、8、12月份，即供暖季與空調季期間，空調采暖與制冷負荷需求增大，導致用電量增加。

圖2 夏熱冬冷地區辦公建筑空調系統逐月電耗Fig.2 Monthly power consumption of office building air conditioning system in hot summer and cold winter

表2 夏熱冬冷地區空調季劃分Table 2 Seasonal division of air conditioning in hot summer and cold winter areas

選取三棟各個城市典型城市的單位建筑面積空調電耗如圖3所示，進一步分析空調電耗在夏熱冬冷地區不同城市的空調電耗是否有差別。由圖可見，三座城市在通風過渡季節空調電耗都有明顯的減少。進一步計算出不同季節三棟建筑該分項用電量平均值，供暖季三棟建筑單位建筑面積空調電耗分別為3.22kWh/m，4.41kWh/m，1.57kWh/m，過渡季該分項建筑單位建筑面積電耗分別為1.15kWh/m，1.41kWh/m，1.03kWh/m，空調季該分項建筑單位建筑面積電耗分別為4.53kWh/m，9.2kWh/m，5.07kWh/m，由此可見夏熱冬冷地區辦公建筑空調供冷季系統電耗高于供暖季該分項電耗。其中長沙地區空調季電耗相較其余兩個地區更高，這是因為長沙的氣候條件相較于另兩個地區，夏季更炎熱一點，因此空調季的單位建筑面積電耗更高，而成都的冬季相較于另兩個地區更暖和一點，因此供暖季成都的單位建筑面積電耗較低。

圖3 不同城市辦公建筑空調系統逐月電耗Fig.3 Monthly power consumption of office building air-conditioning system in different cities

相比空調電耗明顯的季節性特征，同樣三棟建筑的照明與插座設備用電量如圖4所示，進一步計算出不同季節三棟建筑該分項用電量平均值，供暖季三棟建筑單位建筑面積照明插座電耗分別為4.50kWh/m，3.54kWh/m，1.76kWh/m，過渡季該分項建筑單位建筑面積電耗分別為4.08kWh/m，3.18kWh/m，1.57kWh/m，空調季該分項建筑單位建筑面積電耗分別為5.02kWh/m，3.55kWh/m，1.57kWh/m，排除2月與10月節假日因素影響，照明與插座系統用電分項在供暖季、制冷季及過度季節用電量波動不大，說明照明與插座系統用電隨季節變化的特征不顯著。其中上海照明插座電耗相較另外兩個城市較高，而成都該項電耗相對較低。

圖4 三棟辦公樓照明插座系統逐月電耗Fig.4 Monthly power consumption of lighting socket system in three office buildings

2.3 行為因素

建筑能耗與用戶行為息息相關，相較于其他類型公共建筑，辦公建筑人流量較為穩定，有較固定的運行時間，照明插座電耗沒有明顯的季節性特征，但在2月與10月會有明顯的降低，為進一步分析影響照明插座電耗的因素，將所調研的辦公建筑照明插座系統逐月電耗整理如圖5，本次調研的辦公建筑全年單位建筑面積照明插座系統電耗范圍為 20.82～75.35kWh/(m ·a)， 其平均值為40.01kWh/(m ·a)，最大建筑單位面積空調系統耗電量是最小耗電量的3.6 倍。由圖可見，無論是哪個城市的辦公建筑電耗月分布沒有明顯特征，但在2月與10月都有不同幅度的降低，這是因為2月處于春節假期，用電設備大多不開啟，同樣因為10月份有國慶小長假用能人數顯著減少從而導致這兩個月照明插座電耗降低。

圖5 夏熱冬冷地區辦公建筑照明插座系統逐月電耗Fig.5 Monthly power consumption of office building lighting socket system in hot summer and cold winter area

除了節假日期間外，辦公類建筑人員周一到周五為正常的工作日，周六周日雙休，為進一步分析建筑用戶行為對建筑能耗的影響，從工作日與非工作日角度出發，取夏季典型工作日與非工作日電耗數據繪制逐日能耗如圖6所示。從圖中可看出，星期一到星期五為工作日，相應的電耗較高，星期六與星期天電耗值較低。而在周末，因為辦公建筑存在雙休日人員加班的不定因素導致有設備運行，再加上機房不斷電運行，使得非工作日仍然有電耗。

圖6 夏熱冬冷地區辦公建筑夏季典型周逐日電耗Fig.6 Hot summer cold winter typical weekly daily power consumption of office buildings in summer

辦公建筑用戶有著固定的工作時間與下班時間，進一步選取典型工作日電耗數據繪制逐時電耗如圖7所示。由圖7可見，6:00-9:00 陸續有人上班，這個階段用戶逐漸到達辦公樓，設備、空調投入使用，電耗逐漸增加。9:00-17:00 為穩定的工作時間，用戶人數穩定，電耗也基本趨于穩定。17:00-22:00 為陸續下班時間，用戶逐漸離開公司，能耗在此階段逐漸下降。22:00-6:00 為夜間時段，基本沒有用戶活動，電耗穩定在一個較低的狀態。

圖7 夏熱冬冷地區某辦公建筑夏季工作日逐時電耗Fig.7 Hourly power consumption of an office building in summer working days in hot summer and cold winter area

2.4 節能策略討論

通過對夏熱冬冷地區辦公建筑能耗調研，分析了該氣候區辦公建筑能耗特征，由此挖掘其節能潛力，并從建筑能耗管理、能耗設備、人員行為三個方面得到節能策略。

（1）加強設備管理與維護。如今既有和新建辦公建筑普遍配備了BA 控制系統，BA 系統對建筑能耗都有較為完整的運行記錄，可以通過該記錄從而獲得能耗指標。但在調研中發現BA 系統的運行水平并不高，甚至有些建筑的BA 系統沒有投入使用。程大章[11]發現只有30%的BA系統部分運行，50%的BA 系統沒有投入使用，運行良好的僅有20%。因此加強對設備的維護與管理是辦公建筑節能的關鍵之一，加強能耗監測，做好能耗審計工作，定期維護空調、照明等能耗系統。

（2）采取合理的節能技術。照明插座系統與空調系統能耗在辦公建筑能耗中占比最大，空調系統能耗有極明顯的季節性特征，應根據夏熱冬冷地區氣候特點，對空調系統進行節能改造，合理利用太陽能、地熱能等可再生能源。而對于像成都太陽能資源欠豐富地區可以增加對廢熱的回收。對于照明系統的節能，應充分利用自然采光，在公共區域引入導光系統，不僅能降低照明分項能耗，還能營造更良好的光環境。同時，可以采用分區分時照明、在節假日關閉一些燈具。對于必須要滿足照度的辦公區域，可以采用節能燈具。

（3）提高用戶行為節能意識。辦公建筑中用戶行為對能耗的影響巨大。在調研中發現，存在空調和門窗同時打開、人走不關燈、辦公設備持續開啟的情況。因此，應加強用戶節能意識普及，培養行為節能習慣。

3 結論

本文通過對夏熱冬冷地區辦公類建筑能耗調研和指標特征分析，可以得到以下結論：

（1）本次調研的夏熱冬冷地區十五棟辦公建筑筑面積耗電量范圍為50.09～120.62kWh/(m ·a)，建筑單位面積年平均耗電量為76.93kWh/(m ·a)；全年單位建筑面積空調系統電耗范圍為10.84～51.98kWh/(m ·a)，其平均值為25.77kWh/(m ·a)；全年單位建筑面積照明插座系統電耗范圍為20.82～ 75.35kWh/(m ·a)，其平均值為40.01kWh/(m ·a)。

（2）夏熱冬冷地區的辦公建筑能耗主要由空調能耗、照明插座能耗、綜合服務系統能耗組成，其中空調能耗和照明插座能耗占比高達83%～97%，其中成都與上海照明插座系統能耗占比最大，而長沙空調系統能耗占比最大。

（3）夏熱冬冷地區辦公建筑空調系統能耗有明顯的季節性特征，夏熱冬冷地區夏季供冷季能耗略高于冬季供暖季，長沙空調季單位建筑面積空調系統能耗最高，成都供暖季該分項單位建筑面積能耗最低。

（4）照明插座系統能耗在不同季節基本不變，但受用戶行為因素影響較大。