寒冷带公共建筑降耗机制研究绪论

　　第 1 章 绪 论

　　1.1 研究背景。

　　1.1.1 世界能源现状。

　　根据国际能源署、日本能源经济研究所和美国能源部能源信息管理局世界三大能源机构的研究结果，随着发达国家的经济发展速度减慢，其能源消耗量增速放缓，但仍呈现微弱增长的态势；新兴发展中国家则由于其高速增长的经济发展，持续推进城市化进程，能源消耗量也随之高速增长；欠发达国家由于其粗放的能源管理方式及效率低下的生产方式，单位面积能耗也难以降低。因此，全世界能源消耗量仍然在不断增长[1]。

　　根据 2016 年国家统计局针对我国全年能耗情况的统计结果，该年度我国总能源消耗量超过全球总能源消耗量的五分之一，为 43.6 亿 tce，但能源利用效率仅能达到发达国家的九成左右，节能减排降耗的道路可谓任重而道远[2]。

　　1.1.2 世界公共建筑能耗分析。

　　由于建筑自身的功能特点，其从开始建造、竣工验收到运营使用的整个生命期中，会产生持续不断的能源消耗，因此建筑能耗在世界能耗总量中的比重约可达到 40%左右，其对世界能源总消耗量有着至关重要的影响。

　　（1）日本。

　　为了改善 20 世纪 70 年代石油危机中脆弱的能源供给与需求结构，日本政府以《节约能源法》为依托，颁布实施了一系列建筑节能政策并进行不断的续订与发展，成功转变为把节约能源作为国家发展方向的发达国家[3]。

　　日本出台实施的《公共建筑节能设计标准》中主要针对设备能源消耗系数和建筑全年负荷系数进行了严格的控制，其中前者的指标用于计算公共建筑能效，分系统对不同子项提出了各自的标准，后者的指标用于衡量外围护结构的传热系数是否满足规定要求[4]。与居住建筑的规定不同，日本针对公共建筑并没有划分气候分区，室外气象参数影响其建筑负荷计算结果的程度要弱于居住建筑[5]。
 

 

　　根据日本的公共建筑能耗基础数据库统计结果，日本的商务办公建筑和政府机关办公建筑能耗均呈现“单峰分布”的特点，即能耗量居于中游的办公建筑数量占了较大比例，而能耗量较高和较低的办公建筑数量均相对较少。近四十年间日本公共建筑的能源消耗水平呈现较为明显的波动变化。在上世纪七十年代初期和九十年代，日本公建能耗水平均呈现迅猛增长的态势；从本世纪初开始至今，从人均能耗水平和单位面积能耗水平两方面的指标来看，近年公建能耗呈逐年下降的趋势[6]，但公共建筑能源消费数量占据日本能源消费总量的比例略有增加[7]。

　　（2）欧盟。

　　欧盟颁布了一系列针对公共建筑节能的相关条令，基于提高生活水平的理念之上开展公共建筑的节能工作，主要包括以下方面：首先制定了公共建筑的能源消费定额，并在每五年内进行定期巡检；其次建立了针对公共建筑项目的能效标识评价体系，并要求所有公共建筑在规定位置公示获得的建筑能效标识证书；同时对建筑内部的各项用能系统进行定期巡检，根据巡检结果提出优化的方案，并通过建筑内部各用户分项结算各类用能费用的方式，利用经济措施促进用户有效的履行行为节能；最终建立逐渐完善的公共建筑节能监督与管理的制度体系。

　　德国为新建公共建筑的项目制定了较为严格的管理规定，在立项、制定方案、设计审查、竣工运行等多个阶段均严格执行相应的节能管理办法，主要措施不仅包括明确的节能目的及节能指标，还包括开放、公平、透明的竞争制度，以及科学准确的模拟计算分析辅助工具，和智能管理、稳定投入运行的建筑能耗监测平台[8]。

　　根据国际能源机构的统计结果，从上世纪 70 年代以来至今，对大部分欧洲国家来说新建办公建筑的项目数量增长很少，新建办公建筑项目的面积之和仅有 0.44 亿平方米[9]。根据欧洲部分典型国家的调研结果，由于新建办公建筑的项目数量限制，加之建筑节能工作开展较早、发展较快，欧洲国家办公建筑的全年能源消费量没有呈现高速增长的态势，而是处于较为平稳波动较小的状态。与欧洲其他国家相比，丹麦和英国的办公建筑全年能源消费量相对偏高[10]。

　　（3）美国。

　　美国的专业学者从 20 世纪 80 年代即逐渐开展了针对学校、办公建筑、医疗建筑、酒店建筑等各类公共建筑的能耗情况实地调查研究，积累了大量可用于开展深入研究的能源数据，为美国及早开展办公建筑节能工作提供了坚实的数据基础[11]。为了激励各大能源企业有效采取节能措施，美国政府为电力、煤气、天然气和石油企业提供了相应的减税优惠政策[12]。

　　近年来，美国的办公建筑节能工作进入飞速发展和不断完善的阶段。美国政府颁布并推广实行了《能源战略计划》和《国家能源政策法》等相关条令，旨在依靠优惠政策带动节能工作的科学研究与发展，更好的实现全社会的节能减排目标[13]。针对新建和改造完成的低能耗公共建筑项目，美国政府不但制定了细致严密的相关规定，还建立专项的能源部门管理各自州府管辖范围内公共建筑的节能运营工作，同时制定适合当地实际情况的节能激励政策。

　　美国商业建筑能耗调查数据库根据每四年一次的能耗调研，收录了单栋建筑的基本信息和能耗数据，其数据不仅涵盖了建筑的面积、功能等信息，还包含了建筑中各类设备信息、消费的能源类型及数量、终端使用数据等多类信息[14]。

　　根据办公建筑单位面积电耗数据，办公建筑能源消费数据在美国呈现“单峰分布”

　　的特点，其分布中位数逐年持续增长，能源消费量较少的建筑数量在所有办公建筑中占据比重则逐年降低，能源消费量较高的建筑数量占据比重基本维持稳定，能源消费量中等区间范围内的建筑数量占据比重则逐渐升高[15]。

　　1.1.3 我国公共建筑能耗分析。

　　随着城镇化率在近三十年间增长量超过四分之一[16]，我国的公共建筑面积总量和能源消费总量也大幅增加。从上世纪九十年代中期开始至 2014 年的近二十年间，每年我国位于城镇地区的新建公共建筑项目的面积占所有新建建筑项目总面积的比重接近五分之一[17]，公共建筑竣工面积总量已经超过了 70 亿平方米[18]。根据 2014 年的统计结果，该年度我国建筑能源消耗总量占比接近全国能源消耗总量的五分之一，位居世界次席，为 8.14 亿 tce。这其中公共建筑能耗约占据了五分之二，达到 3.26 亿 tce，其数额接近全国能源消耗总量的十分之一，单位面积能耗远远超过住宅等其他建筑，具有巨大的节能潜力。对我国发展水平较高的城市和地区来说，公共建筑能源消费量占据建筑能源消耗总量的比重更大，以上海为例，前者占后者的比重达到 47.8%[19]；公共建筑单位面积能源消费量多于其他类型建筑的程度更高[20]，同样以上海为例，前者数值可达后者的5 倍之多。与发达国家相比，我国公共建筑的能效较低。

　　作为后工业时代的标志，办公建筑经过 100 多年的发展历程，依托各类企业、政府机关的不断发展，在公共建筑中的各类功能建筑中逐渐占据了主体。我国大型办公建筑数量占据公共建筑总量的比重逐年提高，建筑面积超过 6 亿平方米，在近二十年间增长了约三成，建筑功能的档次和室内舒适度也在不断发展。分析我国办公建筑全年的能耗数据可知，其呈现较为明显的“二元分布”，即全年能耗较高的建筑数量和全年能耗较低的建筑数量占了较大比例，全年能耗位居中游的办公建筑数量相对较少[21]。各地的城市化水平与城市规模不同，办公建筑的能耗水平也各不相同。针对城市化水平较低的中小城市的调研结果显示，其全年能耗较高的办公建筑数量增长速度较快。各类公共建筑能源消费量数值并不相同，将商务办公建筑的能耗水平与政府机关办公建筑的能耗水平进行比较得知，后者的能耗要低于前者[22]，这种差异与建筑的运行时间、使用功能、运营管理水平等因素密切相关。为了满足使用者日益增长的舒适度体验需求，办公建筑的各项配套设施水平不断提升。因此显然在未来相当长的一段时间内，我国新建办公建筑项目的面积规模将持续增长，能源消费总量也将持续增长，如何采取经济可行的运营及优化措施，合理控制办公建筑的全年能耗水平，是完成节能减排目标的重要基础。

　　1.2 降低办公建筑能耗的相关研究。

　　1.2.1 国外现状。

　　基于建筑环境能源分析软件，Flouquet 建立了办公建筑逐时用能的模拟计算方程，其将太阳辐射、室外环境温度等与建筑负荷相关的各项参数考虑在内，并基于该方程进行了进一步的节能优化分析[23]。

　　Asadi 在 2014 年的针对既有建筑的节能优化研究中，通过 NSGA-II 优化算法对建筑材料进行合理选择。他建立了建筑的基本能耗模型，得出了 950 组能耗数据，并根据所得数据来对 BP 神经网络加以训练，除了建筑能耗和经济成本以外，还将最低的热不舒适小时数同样作为判断依据，对建筑节能优化中围护结构保温性能提升的改善，即屋面、外墙保温材料的类型和外窗类型，以及暖通空调系统类型和太阳集热器类型进行了多方面的优化研究。结果表明，使用训练后 BP 神经网络对各种节能优化方案的节能效果进行计算，可以得到较为准确的预测结果。但生成神经网络的整个过程耗时很长，较难满足实际工程中节能设计工作的效率要求[24]。

　　Muhammet Kavfeci 研究了建筑物外墙的保温厚度对建筑全年能源消费量的影响，不仅在建筑整个生命期内使用了两种计算方法并将计算结果相互对照、研究差异，还确定了经济保温层厚度[25]。

　　Catania E 等人建立了一套可行性较高的节能方案评价体系，用于加拿大地区的办公建筑节能改造，并分别对采用单个节能优化方案和同时采用多个节能优化方案进行分析研究，并进行节能量差异的对比分析[26]。Agis M 等人开展了典型办公建筑应用节能优化措施后的投资效益分析，结合各类能源的实际价格和应用情况[27]，研究不同节能实施方案的节能潜力。

　　S.E. Chidiac 等人也基于建筑模拟软件，对建筑的位置、规模、围护结构保温性能、运行方式、电气和暖通空调系统性能等因素对于建筑节能效果的影响进行了计算分析，同时分析了多个因素对于建筑能耗的交互影响[28]。Imran Iqbal 等人针对沙特阿拉伯一栋建于 1998 年的办公建筑展开了一系列节能优化措施的研究[29]。他们使用建筑能耗模拟软件建立了该栋办公建筑的能耗计算模型，通过改变暖通空调系统的类型和展开行为节能活动，观察其对建筑全年能耗的影响。他们还将行为节能活动细分为两类，一类经济投资成本较低，包括有限度的改善围护结构的保温隔热性能和换用功率较低的照明灯具等；一类基本不需要经济投资，包括适当提高夏季室内空调设置温度、对空调设备进行定期维护等。研究结果表明，两类节能方案都取得了一定的节能效果，且经济效益较好。

　　澳大利亚针对办公建筑运营节能颁布了“绿色之星”评价标准，要求根据建筑运营数据分析被评价的办公建筑对周边环境的不利影响，并因地制宜执行节能优化方案降低建筑的能源消耗。

　　1.2.2 国内现状。

　　天津大学的张欢和由世俊等人调查了天津地区部分办公建筑的全年能耗情况，并进行了较为详尽的分析与研究，其研究团队所采集的全部建筑样本统计得到的 2010 年单位面积平均耗电量为 64.25 kWh/ m2，单体样本建筑的单位面积耗电量最低值为 26.79kWh/ m2，单位面积耗电量最高值为 125.45kWh/m2 [30]。谢真辉则在配合实地调研完成寒冷地区办公建筑的能源消耗计算分析后，从基准线的设定和减排量的计算及评估等全流程分析探讨了适用于办公建筑的能效交易方法[31]。

　　李超等人结合我国及世界各国的绿色建筑评价标准对建筑各项参数及设备系统参数的要求，从优化建筑的结构影响因素、利用可再生能源及先进技术、优化设备系统参数等多角度展开了针对已建成的办公建筑节能降耗、优化改造的研究[32]。

　　湖南大学的李晴使用 DeST 模拟计算软件，建立了长沙地区某商业综合体的基本建筑能耗模型，对各类较为典型的主要功能房间进行详细的负荷特性分析，分析得出了影响负荷的重要因素，并提出了有针对性和实用性的节能措施[33]。

　　哈尔滨工业大学的张文杰针对上海地区建于九十年代的三栋功能分别为商场、宾馆、办公楼的典型公共建筑，建立了基于 eQUEST 能耗模拟软件的建筑基本能耗模型，通过对建筑全年能耗的计算与分析，提出经济可行的节能优化方案，并将使用各项节能措施后的建筑全年能耗与节能前的建筑全年能耗相比较，分析计算各个建筑的节能效益[34]。

　　华北电力大学的刘晓光针对办公建筑节能优化的研究主要基于设备系统和建筑结构两个方面展开[35]，经过计算分析得到建筑结构对建筑全年能源消费量的影响大于系统设备对全年能源消费量的影响，因此认为应首先进行建筑围护结构的热工性能优化，同时配合设备系统的优化可取得较为显着的节能效果。

　　2007 年我国发布了《关于加强国家机关办公建筑和大型公共建筑节能管理工作的实施意见》，设立了在我国建立不断发展、持续完善的上述类型办公建筑节能监管体系的远大目标与明晰路线，并拨款利用专项资金引导、鼓励上述类型公共建筑精细设立建筑能耗分项计量仪表并进行数据输出及联网分析[36]，旨在全国建立分项细致、统计科学的建筑能耗监测系统，有效促进上述类型公共建筑节能工作的发展，并取得了一定的进展[37]。各典型城市的建筑用能监测平台发展较快，北京市早在 2013 年就第一个搭建完成了公共建筑用电大数据的基础平台，并开始记录各栋建筑的运行用电数据，截止 2015年数据库中已经录入了数量超过13000 栋北京市建筑面积超过3000 平方米的大型公共建筑。继上海市 2009 年出台涉及建筑用能监测系统的相关规范之后，该系统从设计、施工开始，经过检测、验收后乃至进入运行维护阶段的整个周期均需要严格按照规范设置执行，在这一背景下，上海市已针对 1400 栋公共建筑实现了用能计量数据的采集，并根据记录数据进行分析研究及评定后，完成定额标示的工作[38]，初步建立了整合整个地区的建筑用能检测系统。从 2011 年深圳市基本建立覆盖整个区域的公共建筑用能监测系统后，利用该系统采集的大型公建用能数据，深圳市开始加快推进已建成的大型公建节能优化改造进程，准确分析各建筑用能特点，有针对性的制定经济合理的优化方案[39]。

　　但是针对相当多的城市而言，建筑用能监测系统仍在处在建立完善的进程中，很多较早建成的大型办公建筑没有实现用能的分项计量与统计，很多建筑的用能监测系统运行仍存在一定问题需进行调试优化，我国建立全地区覆盖的全面建筑用能监测系统依然任重而道远。

　　1.3 课题的提出及研究意义。

　　1.3.1 课题的提出。

　　作为控制公共建筑能耗的重要手段之一，建立公共建筑的能源监测系统成为我国逐步展开公共建筑节能工作的关键步骤。国家相关部委以北京等重点城市为示范，通过第一批大型公共建筑和国家机关办公建筑节能示范城市的模范效应，影响、引导我国公共建筑节能工作的开展，以及建立起标准化的能耗监控平台，最终实现全国联网统计。但是各类能耗监控平台在推广使用的过程中存在着诸多问题，很多系统只实现了“能耗监控”中的监测部分，也无法对监测的能耗数据进行合理有效的分析处理，大量的数据无法有效发挥作用；对于建成年代较早的既有公共建筑来说，整个建筑没有实现能耗分项计量，往往只有一块总电表，无法对能耗进行分项的统计、分析，继而难以有针对性的提出节能优化方案。这部分没有实现建筑用能分项计量、用能监测平台尚在准备搭建之中、建筑单位面积用能水平较高的办公建筑如何根据现有情况因地制宜，有针对性、有较为准确的数据依据、可操作实施性强、有较好经济效益的开展节能优化工作，尚待展开深入的研究。

　　在针对已建成的办公建筑实施节能优化方案时，在进行实地调研收集整理建筑各设备的运行数据后，往往采取“头疼医头、脚疼医脚”的方式提出节能优化方案，根据空调制冷及采暖时间简单估算节约能耗量的数值，除了难以准确计量实际采取各项节能优化措施后的节能效果，也无法准确的定量分析各项优化节能方案节能量的比重，难以在实际更换设备时进行最为经济合理的选择。

　　虽然欧洲、美国、日本等发达国家很早就开始了针对公共建筑尤其是办公建筑的节能优化研究，有效降低了建筑全年单位面积能源消费水平，但其与我国之间存在着自然气候的地域差别、人文经济的社会差别，因此我国在开展办公建筑节能优化工作时可以一定程度的借鉴发达国家的先进经验，但需要依据我国实际情况进行具体深入的分析研究。在我国已经进行的办公建筑节能减排相关领域的探索与研究中，建筑所处地区气候划分类型大多为夏热冬暖、和夏热冬冷，针对寒冷地区开展的研究相对较少。不同气候分区之间存在的自然环境差别使得各地区建筑的冷热负荷存在较大差别，不同季节的建筑用能分布特点也存在较大差别。各类已经开展的相关研究表明，提高建筑围护结构保温性能具有较好的节能效果，但寒冷地区的气候特点和办公建筑的功能特点，导致夏季晚间办公建筑内空调系统停止运行时，室内温度高于室外温度，建筑内部通过围护结构向外传递热量，围护结构的保温性能对这个散热过程起到阻碍作用，这部分能量的计算较少考虑在内。各项建筑节能方案的确定依据大多集中在节能量的比重衡量，经济性回收期的计算少有涉及，难以结合实际情况在工程中加以推广应用。如何全面细致的进行影响寒冷地区办公建筑全年用能影响因素的数据分析，结合实际操作的可行性及经济成本的考量，选择节能效果较为显着、经济投资相对较低的节能优化方案，对于实际工程中有效开展寒冷地区办公建筑的节能减排工作，具有重要的意义。

　　因此本文旨在针对寒冷地区一栋建成年代相对较早的办公建筑，基于 eQUEST 建筑全年能耗模拟计算软件建立起建筑全年用电基本模型，并通过与建筑全年用电量的实际数据相比对，完成对该模型可靠性的合理验证。然后结合现场实地调研采集的该栋办公建筑实际运行数据，有针对性的设置建筑围护结构、暖通空调系统各项参数，对各项节能优化方案对建筑全年用电量的节能效果进行数据量化分析，并结合经济性回收期的计算分析，最终针对该建筑的实际情况，提出经济合理的节能优化方案。

　　1.3.2 课题的研究意义。

　　根据世界各大能源机构的统计结果，办公建筑用能量数值在所有类型建筑用能总量中占据相当的比例，因此寻求办公建筑降低用能总量的优化研究分析，对于降低建筑用能总量、乃至降低全球能源总需求有着十分关键的意义。

　　针对寒冷地区办公建筑的节能优化能耗分析，可以结合寒冷地区的气候特征和办公建筑的功能特点，总结该地区办公建筑在一年中不同季节、一天中不同时段的负荷特征和用能特点，全面多角度分析出办公建筑全年用电的关键影响因素，计算各项节能优化方案的实际经济成本和回收期，得到经济造价较低、节能效果较好的节能优化方案。本课题的研究结果不仅可为被研究的办公建筑提供合理经济的节能优化方案，还以为寒冷地区早期建成、没有完善详细的分项能耗数据的一批相同情况办公建筑的节能优化提供数据依据。本项目的研究成果可以有效降低该地区办公建筑的单位面积平均用能水平；鉴于办公建筑在公共建筑中占据的主体地位，建筑用能在能源消耗总量中占据的重要比例，也有利于降低该地区的总体用能水平，为加快推进全社会的节能减排工作，实现构建绿色社会的高级目标，达成和谐健康的经济发展提供支持，具有良好的环境效益和经济效益。

　　1.4 论文架构。

　　结合国内外研究现状及不足，本文提出以下研究方法。

　　第一章 绪论，全世界能源消耗量仍然在不断增长，我国能源利用效率提升潜力很大，节能减排降耗的道路依然任重而道远。本文统计了公共建筑能耗现状，并针对其中办公建筑的能耗特点及现有研究工作中未涉及的角度和存在不足的研究结果，提出了本课题，并深入阐述了课题的意义。

　　第二章 寒冷地区某办公建筑全年用电模型的建立，鉴于前文提出的课题研究意义，本文选取了位于寒冷地区一栋已建成的办公建筑，具体展开本课题的研究。笔者对该栋办公建筑进行了基本情况、能耗数据等多个方面的现场实地调研，收集整理了该栋办公建筑 2017 年全年的电耗数据、风冷热泵机组运行能效及水泵运行效率，提出可能的节能优化能耗研究方向。以该建筑实际电耗为依据，建立了用于优化分析的能耗模型，并对照实际数据验证了模型的准确性，可以用来开展后续研究。

　　第三章 建筑节能优化方案分析，结合实地调研中发现的保温性能差、室内人员长期开空调，以及风冷热泵能效衰减严重、水泵运行效率较低等现状，本文提出了相应的节能优化方案，并在建筑能耗模型中通过修改可能的各项参数数值，定量研究节能优化方案的可节约耗电量和节能率，定量分析各项优化方案的节能效果。

　　第四章 经济效益分析，针对各项节能方案的效果分析，结合建筑内各类设备的运行时间及使用频率，基于降低初投资、保证运行节能效果的考量，对各项节能方案进行经济性回收期计算，最终确定经济合理的节能方案给运营方使用。

　　第五章 对上述研究的结果进行总结，并对寒冷地区办公建筑节能优化能耗研究的后续深入提出了建议与展望。