摘要

随着节能、低碳、绿色等理念的发展，国内外建筑行业将超低能耗建筑、零能耗建筑作为向低碳、绿色发展的重要研究方向之一。以上海市某典型办公建筑为载体，从建筑用能需求、建筑能源结构、建筑设备能效等方面，对超低能耗建筑的设计理念及方法进行了研究，并通过数值模拟的方法，对夏热冬冷地区超低能耗建筑的围护结构、空调系统等能耗影响因素进行敏感性分析，同时考虑建筑经济性，确定项目的设计方案。这些研究成果可以为类似建筑的设计提供借鉴。

关键词

超低能耗；能耗模拟；建筑节能；敏感性分析

全球范围内建筑运行能耗占全社会终端能耗的平均比例约30%。相关统计表明，广义的建筑能耗总量约占社会总能耗的50%，同时排放的CO2约占全社会总排放量的50%。建筑能耗的不断增长引起了各国的高度重视，为此许多国家不仅制定了节能法，还专门制定了一系列建筑节能法规和标准[1]。

敏感性分析是指对模型输入参数对模拟结果影响力大小的研究，是作为一种分析自变量变化对目标结果的影响强度的方法，十分适合于分析建筑节能的各因素对建筑能耗的影响，可以在建筑节能设计中很好地指导设计者认清节能设计的主导因素，抓住节能设计重点、避免不必要投资[2]。

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超低能耗建筑设计策略分析

1.1 某典型办公建筑超低能耗设计理念

某典型办公建筑项目以三星级绿色建筑、LEED、BREEAM的高星认证及超低能耗示范为目标，整个设计团队在设计过程中优先采用各项被动节能技术以降低建筑用能需求（如采用下沉广场，将自然风、光、空气引入地下一层，优化地下空间及采光技术），利用可再生能源实现“零能耗”建筑（如采用太阳能光伏系统、太阳能光热系统），充分利用场地的雨水，综合采用多项节材措施，力求将其打造成为可感知的低碳、绿色、健康、智慧建筑，实现健康建筑、三星级绿色建筑运行评价标识的双认证。

1.2 降低建筑冷热负荷

某典型办公建筑项目在节能设计中，对建筑能耗的控制主要体现在两方面，一是降低能量需求，二是努力改变能源结构，提高可再生能源的贡献率。

1.2.1 提高围护结构性能

（1）为保障某典型办公建筑顺利实现绿色三星级认证，其围护结构热工性能指标，需在满足上海市DGJ08-107—2015《公共建筑节能设计标准》指标基础上，达到比国家标准GB50189—2015《公共建筑节能设计标准》要求性指标再提升10%的目标。同时，为满足项目超低能耗示范目标的顺利实现，需进一步提升热工性能指标，在综合全年能耗模拟分析后，权衡判断确定适宜的保温做法。

（2）本项目3层以上部分全部外窗部分均采用了有效的遮阴措施进行了全覆盖，3层以上部分玻璃的遮阳系数可以考虑不做提升，但针对3层以下部分明框外窗中未被垂直绿化所覆盖区域，在选型时有针对性地提升遮阳系数。同时，针对此类透明围护结构内部建议增设可调节高效内遮阳帘（向外太阳辐射反射系数＞60%），作为降低太阳辐射得热负荷的补充及提升室内自然采光舒适度控制不舒适眩光的主要途径。

（3）项目南侧会议培训楼3层东西南立面，采用了南向水平活动外遮阳，东西向垂直活动外遮阳的可调外遮阳方式。如果设计及实施情况允许，可采取合作试验方式，采用将一部分太阳能光伏与可调外遮阳相结合的综合应用形式，如可以随太阳入射角度自动调整位置的遮阳光伏板。

（4）被动+主动设计相结合的方式，提升外窗可开启面积比例，达到外窗＞35%、幕墙＞10%的要求，保障过渡季室内自然通风效果；供暖空调季通过行为引导，降低因开窗导致的冷热量损失；同时，主动利用天然冷源，新风系统采用过渡季增大新风量运行解决部分室内热舒适问题：①为降低屋面太阳辐射得热及降低场地综合热岛效应影响，将屋面及道路等非绿化区域，作为高反射涂层的示范应用区域。②在经济性合理的前提下，尽可能提升围护结构气密性。③项目将作为标准化外挂墙板系统技术的示范楼，在设计及施工过程中，重点注意“热桥”现象的消除，如墙板的接缝、外挑板等部位。

1.2.2 优化室内风环境降低新风负荷

供暖制冷季新风系统采用最小新风量运行，降低新风处理负荷；过渡季加大新风量运行，充分利用天然过渡季室外天然冷源，降低过渡季空调系统能耗。室内设备排热量较大且长时间运行的区域（计算机控制中心等），新风系统排风风管增设保温，避免过度热量传导至室内空调区。风系统设计控制在空调季及采暖季保证微正压（保障室内空气质量的措施之一），避免因建筑内部负压导则新风处理负荷增加的影响；大厅出入口等人员流动量较大区域增加冷热风幕（旋转门），降低侵入新风导则的空调负荷。

1.3 提升设备运行效率

合理配置冷热源形式，优化设备运行效率。

（1）优化室内温度设定值，通过人为提升温度控制值，结合利用风扇提升室内风速，有助于冷热风的均匀混合，在不明显影响人员热舒适度的前提下，可有效提高节能效果；室内增加低转速大风量的顶置电风扇，有助于增强过渡季被动式开窗通风的效果，利于空气流通，提高热舒适度，实现节能。

（2）对于设备长时间运行、冷负荷较大区域，如计算机控制中心及经常长时间加班的区域，可综合考虑使用独立冷源，一是保障该类区域的空调运行效果，二是降低对中央空调系统的运行影响。

（3）增加室内CO2监控与新风系统联动变频控制；地下车库CO浓度监控与排风系统联动变频控制，可有效降低风机运行能耗。

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建筑能耗影响因素分析

通过数值分析方法，对超低能耗建筑的能耗的客观影响因素进行分析。

2.1 项目概况

某典型办公建筑项目位于上海市闵行区莘庄科技园区。项目属于公共建筑，建筑总面积为2.3万m2，其中：地上6层，建筑面积为0.9万m2，主要作为办公及产品研发；地下2层，建筑面积为1.4万m2，主要作为地下停车及员工就餐区。根据项目设计说明及相关设计图，利用eQUEST能耗模拟软件建立能耗分析模型，对建筑进行全年8760h能耗进行模拟。模型根据建筑设计图中的墙体外轮廓线进行建立，门窗尺寸根据某典型办公项目平面、立面、剖面施工图设置，未封闭空间未建入模型中。图1为某典型办公建筑项目在eQUEST中的三维模型图。

图 1 某典型办公建筑项目能耗计算建筑模型

2.2 某典型办公项目模拟参数设置

2.2.1 围护结构设置

本项目的围护结构参数根据设计说明设置，各围护结构热工参数经过详细热工计算得到。

2.2.2 室内设计参数

本项目夏、冬季的室内设计温度与湿度，参考了相应的设计文件、上海市DGJ08-107—2015、国家标准GB50189─2015和GB50736─2012《民用建筑供暖通风空气调节设计规范》，建筑室内内扰主要是照明、电气设备、人员密度等因素。

2.2.3 使用时间表

本项目的全年采暖和空调能耗计算时采用的室内照明、设备、人员时间表均按照上海市DGJ08-107─2015附录E设定。

2.3 围护结构对能耗影响的分析

根据本项目相关设计参数的确定，输入上海地区典型气象参数，采用建筑全能耗模拟分析软件eQUEST进行能耗模拟分析，利用单因素敏感性法计算单因素对建筑能耗变化的敏感度进行分析，研究围护结构参数（外墙传热系数、屋面传热系数、外窗传热系数、外窗遮阳系数、外遮阳系数）对建筑总能耗和空调能耗的影响。

为量化外围护结构对总能耗和空调能耗的影响程度，本文引入平均单位面积能耗变化值和平均单位面积能耗变化率的概念，以衡量各个因子对总能耗及空调能耗的敏感性。

单位面积总能耗变化值PAj、单位面积总能耗变化率QAj分别见式（1）、式（2）：

对所有PAj值求和后取平均值，可得到PAj，即为平均单位面积总能耗变化率。对所有QAj值求和后取平均值，可得到QAj，即为平均单位面积总能耗变化率。空调能耗的敏感性评价指标即空调能耗所对应的单位面积变化值和变化率及其对应的平均值。Bj为取单因子输入参数值时的空调能耗，可将单位面积空调能耗变化值设为PBj、单位面积空调能耗变化率设为QBj。

2.3.1 外墙传热系数敏感性及经济性分析

外墙是建筑外围护机构的主体部分之一，其传热系数的大小直接影响建筑室内外环境的传热特性，进而直接影响空调系统能耗和建筑总能耗。根据本项目的低能耗设计理念，选取所建模型的外墙传热系数为0.54W/（m2·K），为了研究其对建筑总电耗和空调电耗的影响，可根据选取不同的外墙传热系数分析其对建筑能耗的敏感性。本文外墙传热系数依次设置为0.48～0.64W/（m2·K）。分析该影响因素时，模型中其他输入参数保持不变，对所建建筑模型进行能耗计算。表2是外墙传热系数对空调能耗敏感性分析结果，表3是不同厚度保温层下外墙的传热系数设置。

表 2 外墙性能对空调能耗敏感性

表 3 不同传热系数下的外墙参数设置

由表2、表3可知，随着外墙传热系数的增大，总电耗和空调系统电耗都有所增加。这是由于上海地区属夏热冬冷地区，外墙传热系数的增大会加剧建筑物与环境的传热量，使得夏季建筑得热量增加，冬季建筑失热量增加，空调负荷增加。由具体数字分析可知：平均单位面积总电耗变化值达到0.12，即当外墙传热系数变为1.00W/（m2·K）时，平均单位面积总电耗变化0.12W/（m2·K），平均变化率为0.47%；平均单位面积空调电耗变化值为0.44，即当外墙传热系数变化1.00W/（m2·K）时，平均单位面积空调电耗变化0.44W/（m2·K），平均变化率为2.29%。通过统计软件进行数据回归处理可知，外墙传热系数的大小可以解释97.8%空调系统能耗差异性，外墙传热系数大小与空调能耗线性相关显著。图2是外墙传热系数变化对空调单位面积能耗的影响，图3是经济成本与外墙保温厚度曲线关系。

图 2 单位面积空调能耗随外墙传热系数变化曲线

图 3 经济成本与外墙保温厚度曲线关系

由图2可知，在外墙传热系数较小情况下，再降低外墙传热系数，其虽会降低总电耗和空调系统电耗，但降低幅度不大，对总电耗及空调能耗的影响不够明显。由图3可知，外墙保温系统随着外墙保温层厚度的增加，经济成本逐渐增长。当保温层厚度在40～60mm时，经济成本增长速度较快，人工费和材料费将会大幅度提升。而且本项目外墙是轻质墙体，受轻质墙体厚度限制，项目选择40mm挤塑聚苯板厚度，此时外墙传热系数达到0.54W/（m2·K），不建议外墙传热系数再降低。

2.3.2 屋面传热系数敏感性及经济性分析

屋面同样对室内负荷造成影响，其传热系数的大小直接影响建筑室内外环境的传热特性，进而直接影响空调系统能耗和建筑总能耗。根据本项目的低能耗设计文件，选取建筑的屋面传热系数为0.36W/（m2·K），为了研究其对建筑总电耗和空调电耗的影响，可通过选取不同的屋面传热系数分析其对建筑能耗的敏感性，本文将屋面传热系数依次设置为0.45、0.40、0.35、0.3W/（m2·K），模型中其他输入参数设置保持不变，运行模型进行能耗计算。表4是屋面传热系数对空调能耗敏感性分析。图4是建筑单位面积空调能耗随屋面传热系数变化曲线。

表 4 屋面性能对空调能耗敏感性

图 4 建筑单位面积空调能耗随屋面传热系数变化曲线

由表4和图4可知，随着屋面传热系数K的增大，总电耗和空调系统电耗都有所增加。与外墙性能一样，屋面传热系数的增大也会加剧建筑物与环境的传热量，使得夏季建筑得热量增加，冬季建筑失热量增加，空调负荷增加。具体数字分析可以看出，平均单位面积总电耗变化值达到0.16，即当屋面传热系数变化1W/（m2·K）时，平均单位面积总电耗变化0.16W/（m2·K），平均变化率为0.63%；平均单位面积空调电耗变化值为0.72，即当屋面传热系数变化1W/（m2·K）时，平均单位面积空调电耗变化0.72W/（m2·K），平均变化率为3.78%。

屋面与外墙的保温材料都是挤塑聚苯板，其保温系统随着屋面保温层厚度的增加，经济成本逐渐增长。当保温层厚度在40～60mm时，经济成本增长速度较快，而当保温层厚度在60~80mm时，经济成本增幅趋于平缓，故考虑屋面载荷、经济成本等因素，本项目选择65mm挤塑聚苯板厚度。此时屋面传热系数为0.36W/（m2·K），且该点为屋面传热系数拐点，即在屋面传热系数＜0.36W/（m2·K）时，再降低其对建筑总电耗及空调能耗的影响不够明显，不建议在此基础上再降低屋面的传热系数。

2.3.3 其他围护结构因子敏感性

参照以上单因子敏感性分析方法，对外遮阳系数、外窗传热系数、外窗遮阳系数值分别取不同数值，所选各因子参数均以低能耗设计文件的上限为参照，建模计算并对各因子与其对应的空调能耗进行回归分析。表5、表6是外遮阳系数、外窗传热系数、外窗遮阳系数各因子对建筑总能耗及空调能耗敏感性分析。表7是不同类型外窗传热系数及遮阳系数值。

表 5 其他围护结构对典型建筑电耗敏感性分析数据一

表 6 其他围护结构对典型建筑电耗敏感性分析数据二

表 7 不同类型外窗相关参数

图5~图7为建筑单位面积空调能耗随外遮阳系数、外窗传热系数、外窗遮阳系数变化的曲线变化。图8为经济成本与不同类型外窗的关系曲线。

图 5 单位面积空调能耗随外遮阳系数变化曲线

图 6 单位面积空调能耗随外窗遮阳系数变化曲线

图 7 单位面积空调能耗随外窗传热系数变化曲线

图 8 经济成本与不同类型外窗的曲线关系

由表5、表6、图5、图6可知，外遮阳系数、外窗遮阳系数越大，空调系统能耗越大，且其对应的单位面积总能耗变化值、单位面积总能耗变化率影响最大。这是由于遮阳系数越大，透过外窗的太阳辐射越多，因而使得建筑辐射的热量越大。虽然冬季采暖期有利于减少空调系统的热负荷，却增加了夏季空调的冷负荷，夏季空调制冷主机占空调系统能耗50%左右，使得全年空调系统能耗增大。项目按照超低能耗设计，其固定外遮阳系数、外窗遮阳分别选取0.75、0.52，该设计值单位面积空调能耗增幅较小，且遮阳技术、外窗类型容易满足。

由图7、图8可知，随着外窗传热系数增大，且其对应的单位面积空调能耗也相应增加，但当外窗的传热系数为1.8W/（m2·K）时，单位面积空调能耗增幅最小。从经济性及低碳建设目标考虑，建议项目外窗的传热系数采用1.8W/（m2·K）。

2.4 空调系统对建筑能耗的影响

空调系统因子有室内设计温度、新风量、送风温度、制冷机组COP、风机效率和水泵效率。本项目以获得健康建筑、三星级绿色建筑运行评价标识认证为目标进行设计，在分析上述围护结构各因素对建筑能耗影响时，项目的空调系统均为多联机系统，其相关详细参数均采用默认值。为分析空调系统对建筑能耗的影响，根据本项目设计图纸，对其空调系统进行详细模拟分析。现将项目的空调系统调整为多联机+新风系统，控制中心采用分体式空调，参照建筑空调系统相关参数根据上海市DGJ08-107─2015选取。表8为保持外围护结构、窗墙比等各因子全部相同，仅考虑空调系统的模拟结果。

表 8 空调系统模拟结果对比

由表8可知，设计建筑风机能耗比参照建筑风机能耗高，主要由于两个方面：①设计建筑在人员密度较高的大开敞办公空间设置CO2质量监控系统，采用CO2浓度控制指标，实时监测大开敞办公区域CO2浓度并与通风系统联动，保证室内的新风量需求和室内空气质量；②采用多联机+新风系统的区域，在过渡季节采用高挡运行，加大新风量，满足过渡季新风要求。

但从表8中建筑空调总能耗可知，参照建筑全年空调能耗为144388kWh，综合考虑空调系统设计，采用高能效冷热源机组、变频风机、高效热回收等节能措施，设计建筑全年空调系统的能耗为103920kWh，全年节约能耗约为40468kWh，节能率为32.96%。

本项目总空调区域面积约为4505m2，设计建筑单位面积一次能源消耗为23.07kWh/m2，参照建筑单位面积一次能源消耗为32.05kWh/m2。

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结 语

本文采用数值模拟软件建立建筑能耗模型，从围护结构参数、空调系统等方面选取多个对应输入参数进行了单因子敏感性分析，通过动态能耗模拟分析结果，并同时考虑建筑载荷、建筑经济性等方面，所得结论如下。

（1）本项目外墙设置40mm挤塑聚苯板，此时外墙传热系数值为0.54W/（m2˙K），不建议外墙传热系数再降低。项目屋面设置65mm挤塑聚苯板，此时屋面传热系数值为0.36W/（m2˙K），且该点为屋面传热系数拐点，不建议在此基础上再降低屋面的传热系数。

（2）本项目固定外遮阳系数、外窗遮阳系数分别为0.75、0.52，较合理。该设计条件下项目单位面积空调能耗增幅较小，而且外遮阳技术、外窗类型容易满足。

（3）通过数值模拟，并同时考虑低碳建筑及经济性等因素，建议本项目外窗传热系数值选择1.8W/（m2˙K）。

（4）本项目空调系统采用高能效冷热源机组、变频风机、高效热回收等节能措施，设计建筑单位面积一次能源消耗为23.07kWh/m2，全年节约能耗约40468kWh，节能率为32.96%。

上述研究结果所得围护结构各参数、空调系统节能措施，均从能耗、经济性等方面进行对比分析，具有一定实用性，可对超低能耗设计提供一定借鉴。

参考文献

[1]伍小亭.超低能耗绿色建筑设计方法思考与案例分析——以中新天津生态城公屋展示中心为例[J].建设科技.2014(22):58~65.

[2]闫利.建筑节能设计的敏感性分析方法[J].制冷与空调,2010,24(4):49-52.