北京工業大學 綠色建筑環境與節能技術北京市重點實驗室  齊澤偉  逄秀鋒  王  丹  王  偉

       【摘 要】對建筑實際性能的評估，需要一個“設計預期”作為參考。目前，設計預期的產生，普遍采用能耗模擬的方法：根據設計資料建立該建筑能耗模型，使用標準氣象年的氣象數據，進行全年能耗模擬，將模擬結果作為“設計預期”。然而，建筑施工過程中的變更，建筑投入使用后實際的人員密度、使用時間、室內設備（照明、辦公設備等）負荷、室外氣象條件等都對設計預期有顯著影響。現有的方法由于沒有考慮上述一系列變量的影響，對建筑實際性能的評估分析結論必然是片面的，甚至是錯誤的。本文以現有方法為基礎，提出了合理的“設計預期”的計算方法。以兩棟建筑為例，闡述了該新方法的計算過程，并對這兩棟建筑實際性能與設計預期進行了對比分析。

       【關鍵詞】建筑實際性能、設計預期、能耗模擬、EnergyPlus、差異分析

       【基金項目】 國家重點研發計劃子課題（No.2016YFC0700100）、國家自然科學基金項目（No.51628801）

Abstract:The evaluation of the actual performance of the building requires a "design expectation" as a reference. At present, the design expectations, generally adopt the method of energy consumption simulation: the building energy consumption model is established according to the design data, using the standard meteorological years of meteorological data to get the annual energy consumption simulation, and the simulation results as expected "design expectation". However, changes in the course of construction, the actual personnel density, using time, indoor equipment (lighting, office equipment, etc.) of the building, and outdoor weather conditions are expected to have a significant impact to the design expectation. Because the existing methods do not take into account the influence of the above series of variables, the conclusion of evaluation and analysis on the actual performance of buildings must be one-sided or even wrong. Based on the existing methods, a reasonable calculation method of design expectation is proposed in this paper. Taking two buildings as an example, the calculation process of the new method is described, and the actual performance and design expectation of the two buildings are compared and analyzed.

0 引言

       近年來，國內綠色建筑呈現蓬勃發展的趨勢。統計顯示，截止到2016年9月底，綠色建筑評價標識項目達到4515個，累計建筑面積達到5.23億平方米。節能作為綠色建筑的重要特征之一，在設計階段有著很好的體現，但由于施工以及后期建筑的運營與設計的差異，如施工監管不到位、施工質量差等，綠色建筑技術不能很好的發揮作用，導致其實際節能效果并沒有設計預期般節能。兩者間的差異，亟需研究。

       對于綠色建筑投入使用后其實際性能的研究，國外學者Turner等人^[1]研究分析了121棟LEED建筑的能源消耗情況，并比較了其實際能耗與模擬結果，見圖1。他們的成果是目前較為全面的揭示綠色建筑實際能耗與設計能耗差異的研究。Accame等人^[2]選擇了四棟綠色建筑，發現其實際能耗高達設計預期的180%。Menezes等人^[3]研究了倫敦市中心一幢辦公樓的設計預期和實際能耗之間的差距，研究結果表明其實際能耗超過預期的93%。Herrando等人^[4]對寫字樓的能源性能進行了評估，其報告指出建筑實際能源消耗高于設計預期，平均偏差為30%。Daly等人^[5]、Korjenic和Bednar^[6]、Ahmad等人^[7]的報告指出，辦公室的實際能耗要比設計預期的高出30%。然而，目前這些研究普遍存在一個不足，就是對“設計預期”的設定。其“設計預期”計算采用的能耗模型，或來自于業主申請LEED認證時上交的能耗模型，或根據設計文檔建立，并使用標準氣象年的氣象數據做模擬，而沒有考慮建筑實際運行條件與設計的差異。用這一方法計算得出的“設計預期”參考值，我們稱之為靜態設計預期參考值。

       本文作者改進了“設計預期”的計算方法：1）根據設計文檔建立目標建筑的基本能耗模型；2）根據目標建筑建設過程中的設計變更、投入使用后的實際人員密度、設備負荷以及使用時間，修改相應的模型輸入參數，得到修正后的能耗模型；3）采用實際氣象數據進行能耗模擬，得到目標建筑的動態設計預期參考值。

       本文以某兩棟辦公類綠色建筑為例，采用EnergyPlus能耗模擬軟件，闡述了建筑動態設計預期參考值的計算方法與過程。并根據動態設計預期參考值，對這兩棟建筑的實際性能進行了初步分析。

1 建筑基本情況

       1.1 建筑概況

       建筑A位于上海市，2015年竣工，為辦公類型建筑，綠色建筑設計一星。總建筑面積為45320.71 m²，地上34012.72 m²，地下11307.99 m²。該建筑共有25層，地上23層，地下2層，高度為88.6m。地上功能空間有：辦公室、商業、餐飲等；地下1層和2層主要是停車場。

       建筑B位于河北省秦皇島市，2012年竣工，為辦公類型建筑，綠色建筑設計二星，運營二星。總建筑面積為46496.32 m²，地上43093.35 m²，地下3402.97 m²。該建筑共有16層，地上15層，地下1層，高度為66 m。地上功能空間有：辦公區、會議室、休息廳、多功能廳、接待廳等；地下1層主要是停車場及設備機房。

       兩棟綠色建筑的圍護結構具體參數如下表1所示。

       1.2 空調系統

       建筑A采用變制冷劑流量多聯式空調系統（Variable Refrigerant Volume，VRV）。每層設置兩個空調室外機，每間空調房間設有一處集中遙控器，對室內機組或空調器進行集中或分區控制。不同房間可根據各自情形對室溫進行獨立控制。該建筑1-3層每層設有兩臺全熱交換器，4-23層每層設有一臺全熱交換器，空調新風直接從室外引入，在全熱交換器內換熱后，直接送入房間。本建筑詳細設備參數見下表2。

       建筑B采用風機盤管加新風空調系統，其水系統如圖2所示。空調冷源為螺桿式地源熱泵機組；空調熱源為市政熱力。空調水系統采用異程式，冷凍水系統采用變頻調速變流量系統，冷水機組冷卻水采用地埋管換熱系統。冬夏季風機盤管末端根據各自所在區域室溫三速調節風量及電動兩通閥的開關以控制各區域室溫。該建筑每層設有熱回收型新風機組，為每層提供新風。本建筑詳細設備參數見下表3。

2 建筑模型的建立

       2.1 建模工具簡介

       本論文中應用的建模和模擬工具是OpenStudio和EnergyPlus。OpenStudio是由美國能源部開發的集成EnergyPlus和Radiance的建筑能耗模擬軟件，既能進行能耗分析，也可以進行采光分析。EnergyPlus是由美國能源部和勞倫斯伯克利國家實驗室共同開發的一款建筑能耗模擬軟件，其既能夠進行建筑冷熱負荷計算，也能進行建筑全年動態能耗計算。

       2.2 建立建筑模型

       首先建立建筑基本能耗模型，以兩棟綠色建筑的CAD施工圖紙為基礎，應用OpenStudio建立建筑幾何模型，建筑外觀如圖3所示。之后將建筑模型導入能耗模擬軟件EnergyPlus中，在能耗模擬軟件EnergyPlus中進行參數設置時，各類參數與每棟建筑提供的設計文檔相關參數保持一致。以此得到每棟建筑的基本能耗模型。

       2.3 模型修正

       前文已經提到，應用上文得到的建筑基本能耗模型，采用標準氣象年的氣象數據模擬得出的建筑能耗“設計預期”參考值，稱之為靜態設計預期參考值。但若是以此參考值作為建筑能耗的設計預期顯然是存在問題的。因為這種方法沒有考慮到建筑施工過程中某些變量的變更，因此無法代表設計預期在實際運行邊界條件下的能耗。在此種情況下，本文作者提出需要對建筑基本能耗模型進行必要的修正。

       本文作者在調查這兩棟綠色建筑中發現，兩棟綠色建筑的實際人員密度、照明功率密度、設備功率密度與設計階段相比，存在著明顯的差異，因此將實際密度輸入能耗模型以進行修正，并根據BA系統記錄的逐時運行數據，編寫人員占用時間表，照明和設備的使用時間表。其主要空間設計參數如表4所示。

3 能耗模擬及對比分析

       3.1 設計預期能耗模擬

       在得到修正后的建筑能耗模型后，需要將兩棟綠色建筑所在地區的實際氣象數據輸入能耗模擬軟件EnergyPlus中，本文所采用的實際氣象參數通過當地氣象站獲取，主要包含的數據有室外干球溫度、露點溫度、相對濕度、地面水平輻射、太陽直射輻射、太陽散射輻射、室外風向和風速。將實際氣象參數輸入EnergyPlus中并進行模擬，得到的模擬數值即為建筑的動態設計預期參考值。圖4給出了建筑A從2017年1月到12月共12個月的動態設計預期與實際能耗的對比。圖5給出了建筑B從2016年1月到12月共12個月的動態設計預期與實際能耗的對比。

       3.2 能耗差異分析

       通常，一個仔細建立的建筑能耗模型，其月能耗模擬誤差在5%以內。因此，若目標建筑月實際能耗與動態設計預期值的差異在5%以內，就認為該建筑達到了設計預期。

       在綠色建筑A中，全年實際能耗比設計預期高出7.2%，其各月能耗差異見圖6。從圖中可以看出，除了6月以外，其他月份的差異均在5%以上。最大的差異出現在12月，高達39%；其次是2月，為21%。由于該建筑沒有安裝分項計量，因此無法根據模擬的分項能耗數據與實際分項能耗的對比來分析造成差異的原因。根據現場了解的情況，初步分析可能是由于其全熱交換器設計控制策略為上班時間開啟，下班關閉。但是由于這兩個月室外氣溫較低，為了維持樓內一定的溫度，空調系統全天開啟或者提前開啟延時關閉，使得全熱交換器沒有固定的運行策略，導致實際能耗遠高于模擬能耗。1月和3月室外氣溫同樣較低，但差異分別為10%和15%，這可能是由于1月存在春節假期，全熱交換器期間停止運行；3月室外溫度回升，全熱交換器開啟時間與12月和2月相比較短，這使得1月和3月的實際能耗與模擬能耗的差異沒有12月和2月明顯。7月、8月和9月，差異分別為12%、13%和10%，這可能是由于這三個月室外溫度較高，為了保證室內舒適度，其全熱交換器未按設計控制策略運行，而是提前開啟，使得運行時間較長，導致實際能耗高于模擬能耗。

       在4月、5月和10月，模擬能耗要比實際能耗高出12%、26%和19%。這可能是由于其全熱交換器設計控制策略為上班時間開啟，下班關閉。但在實際運行中，其全熱交換器沒有固定的運行策略，因為這三個月處于過渡季階段，外界環境空氣不需要經過全熱交換器進行換熱，可以直接引入室內，所以其全熱交換器一直處于關閉狀態，因而模擬能耗要高于實際能耗。

       在綠色建筑B中，全年實際能耗比設計預期高出30%，其各月能耗差異見圖7。從圖中可以看出，在5、6、8三個月中，實際能耗與動態設計預期的差異在5%以下，因此可認為這三個月的運行是達到設計預期的。

       在采暖季11月、12月、1月和2月，實際能耗遠高于動態設計預期，分別達到了90%、98%、75%和38%，其原因在于設計階段空調熱源為一級市政，但是在實際運行時，該建筑采用地源熱泵作為熱源。3月同樣處于采暖季，但由于只有半個月的供暖時間以及室外溫度的回暖，使得3月模擬能耗雖然仍然低于實際能耗，但差別不如前三個月顯著，為11%。因為模擬的是供暖季的差異，所以其余月份兩者差異較小，這也可以證明修正后的建筑能耗模型能較好的反映設計參數在實際邊界條件下的性能。

4 結論

       本文對評估建筑實際性能的參考值“設計預期”提出了一個合理的計算方法，改進了當前基于靜態設計預期參考值對建筑實際性能評估的研究，使設計預期更能真實地反映設計在實際邊界條件下的性能。文中以兩棟綠色建筑為例，闡述了這一方法的計算過程，并且使用能耗模擬軟件EnergyPlus模擬了兩棟綠色建筑的能耗情況，對兩棟綠色建筑實際性能與設計預期進行了對比分析。同時可以得出綠色建筑實際性能與設計預期之間的差異。在綠色建筑A中，由于全熱交換器運行控制策略不當，導致全年實際能耗比設計預期高出7.2%。從各月能耗差異來看，只有6月的差異在5%以下，達到了設計預期；最大的差異出現在12月，高達39%；其次是2月，為21%；1月和3月差異分別為10%和15%；7月、8月和9月，差異分別為12%、13%和10%；而在4月、5月和10月，模擬能耗要比實際能耗高出12%、26%和19%。在綠色建筑B中，由于空調熱源未采用一級市政，導致全年實際能耗比設計預期高出30%。從各月能耗差異來看，5、6、8三個月的實際能耗與動態設計預期的差異在5%以下，達到了設計預期；在采暖季11月、12月、1月和2月，實際能耗遠高于動態設計預期，分別達到了90%、98%、75%和38%；由于3月只有半個月的供暖時間以及室外溫度的回暖，使得3月模擬能耗雖然仍然低于實際能耗，但差別不如前三個月顯著，為11%。

參考文獻

       [1] Turner C, Frankel M. Energy performance of LEED for new construction buildings. New Buildings Institute, 2008, 4: 1-42.
       [2] Accame F, Cesare J, Chen Y, et al. Green buildings in the US and China: Bridging the Energy Performance Gap. US Green Building, 2012.
       [3] Menezes A C, Cripps A, Bouchlaghem D, et al. Predicted vs. actual energy performance of non-domestic buildings: Using post-occupancy evaluation data to reduce the performance gap. Applied Energy, 2012, 97(3):355–364.
       [4] Herrando M, Cambra D, Navarro M, et al. Energy Performance Certification of Faculty Buildings in Spain: The gap between estimated and real energy consumption. Energy Conversion and Management, 2016, 125:141-153.
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       [6] Korjenic A, Bednar T. Validation and evaluation of total energy use in office buildings: A case study. Automation in Construction, 2012, 23(5):64-70.
       [7] Mushtaq Ahmad, Charles H. Culp. Uncalibrated Building Energy Simulation Modeling Results. HVAC & R Research, 2006, 12(4):1141-1155.

       備注：本文收錄于第21屆暖通空調制冷學術年會（2018年10月23～27日，中國·三門峽）論文集。版權歸論文作者所有,任何形式轉載請聯系作者。