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      1. China Heating,Ventilation and Air Conditioning
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        大型辦公建筑能耗特點統計分析

        • 作者:
        • 中國暖通空調網
        • 發布時間:
        • 2021-07-19

        中國建筑科學研究院有限公司  李林濤  陳昭文  魏崢  張世棟

                【摘  要】本文通過對我國24個省市453棟大型辦公建筑基本信息、運行參數以及能耗數據進行調研分析,得出我國大型辦公建筑能耗特點,并對各類能耗影響因素進行分析,為大型辦公建筑能耗評價、診斷與優化運行工作提供一定的指導。

                【關鍵詞】公共建筑  能耗特點  建筑節能  分項電耗

                【基金項目】國家重點研發計劃項目:基于全過程的大數據綠色建筑管理技術研究與示范(2017YFC0704200)
                                    中國建筑科學研究院有限公司青年基金資助項目:基于逆向算法的公共建筑運行總能耗拆分及評價方法研究和工具開發(20180109331030021)

        0  引言

                隨著我國經濟建設的迅速發展,以及民眾對生活品質要求的逐漸提高,我國建筑能耗在社會整體能耗的占比迅速增長。2017年,中國建筑運行的總商品能耗為9.63億噸標準煤,約占全國能源消費總量的21%,其中公共建筑能耗2.93億噸標準煤,占建筑能耗總量的30.4%;城鎮居住建筑能耗2.26億噸標準煤,占比23.5%;農村建筑能耗2.43億噸標準煤,占比25.2%;北方采暖能耗2.01億噸標準煤,占比20.9%[1]。全面、客觀認識大型公共建筑的能耗特征是開展建筑節能工作的基礎,我國各地研究者對一些城市的公共建筑進行了大量的能耗調查與節能分析[2-10]。但目前我國基于建筑實際運行數據大規模調研、分析的研究相對較少。

                本文基于全國453棟辦公建筑能耗調研數據,通過用能現狀、能耗差異及特點分析,客觀描述了我國大型辦公建筑用能水平及能耗特點,從宏觀上認識了我國大型辦公建筑的能耗現狀。

        1  樣本概況

                本文在全國范圍內調研搜集了453棟2631.5萬m2大型辦公建筑相關數據,樣本分布在全國24個省,覆蓋嚴寒、寒冷、溫和、夏熱冬冷、夏熱冬暖五個氣候區,考慮到我國辦公建筑整體分布情況,調研樣本夏熱冬冷、夏熱冬暖及寒冷地區樣本量最大,嚴寒地區和溫和地區樣本量較少,具體占比如圖1所示。


        圖1 調研樣本分布情況

                調研采用問卷形式,分為數據初步調研及數據復核兩個階段。調研內容包括建筑基本信息:建筑所在城市、建筑建成年份、建筑規模、圍護結構、設備信息;用能系統形式:能源類型、空調系統類型;建筑運行情況:運行時長、建筑功能分區、系統運行邏輯、節能措施;各類能源逐月能耗數據。

        2 大型辦公建筑綜合能耗特點分析

                2.1  綜合能耗特點

                大型辦公建筑主要用能系統包括采暖系統、空調系統、照明系統、辦公系統、動力系統、綜合服務系統。對于大型辦公建筑,不同建筑同一系統用能形式不同,如采暖空調系統,除消耗電力之外,還包括燃氣、集中供熱、集中供冷等不同用能形式;同一能源類型也可應用于不同建筑系統中,如電力用于采暖空調、照明、辦公等多個系統。大型辦公建筑能源消耗類型及用能系統供應如圖 2所示。

                調研的辦公建筑能源類型主要包括電力、天然氣、外購熱力三類,其中電力是最主要的能源類型。各類能源在調研的樣本應用情況如表1所示。電力在所有建筑樣本均有使用;有35.98%的樣本有天然氣消耗;10.15%的樣本使用了外購熱力。根據各類能耗數據按當量折算到一次能源,所有建筑年平均總能耗為26130.8萬kgce,單位面積能耗為9.93kgce·m-2,如表2所示。

                樣本建筑單位面積能耗分布如圖 3所示,53.38%建筑能耗水平處于8kgce·m-2以下,其中有45.95%樣本建筑單位面積能耗處于4~8 kgce·m-2之間,單位面積能耗超過14kgce·m-2的建筑約占比16.22%。


        圖2 大型辦公建筑能源類型及用能系統供應關系
        表1 能源使用情況統計

        表2 樣本總電耗概況


        圖3 建筑單位面積能耗頻率分布圖(kgce·m-2

                2.2  建筑固有特點與能耗相關分析

                2.2.1  不同地區建筑能耗分析

                不同省份建筑能耗統計結果如圖4所示,浙江、上海、北京等經濟發達區域城市能耗較高。同一城市不同建筑全年能耗總量、單位面積平均能耗均差別較大,同一城市樣本建筑能耗總量最大值與最小值之間最大相差可達到十幾倍。分析原因,主要是由建筑規模、能耗設備數量差異巨大,同時建筑提供的服務量、服務水平也差別迥異,這導致了整體能耗的差距。


        圖4 不同省份樣本單位面積能耗統計

                比較五個氣候分區的建筑能耗的整體水平,對樣本建筑統計如表3所示,可以看出,能耗水平最高的是嚴寒地區,單位平米能耗為12.1kgce·m-2,能耗水平最低的是溫和地區,單位平米能耗為7.2kgce·m-2,夏熱冬冷地區與寒冷地區差異不大。

        表3 不同氣候區樣本建筑能耗水平統計

                2.2.2  不同年份建筑能耗分析

                如圖 5所示,37.1%的樣本建筑建成年份主要為2011到2015年,占比最高,其次是2006到2010年,1990年以前及2016年以后樣本較少。對不同建成年份的建筑總能耗進行統計, 2001-2010年建成的建筑能耗較高,年平均單位面積能耗在10.9 kgce·m-2左右,中位值能耗水平為10.6kgce·m-2。


        圖5 不同建成年份建筑總能耗統計

                2.2.3  不同圍護結構建筑能耗分析

                1)外墻材料

                調研樣本的外墻主要包括加氣混凝土塊、灰砂磚等6類材料,能耗對比結果如圖 6-a所示,其中實心黏土磚類型建筑平均能耗最低,為9.0kgce·m-2,其他外墻類型主要為無明確外墻材料的建筑,其圍護結構信息不明確,其平均能耗為10.3kgce·m-2。

                2)外墻保溫形式

                不同保溫形式建筑能耗對比結果如圖6-b所示,無保溫建筑能耗水平明顯高于內保溫建筑,外保溫建筑能耗密度最低,內保溫與外保溫建筑能耗差別不大。無保溫建筑平均能耗為10.7kgce·m-2,最大能耗為23.4kgce·m-2。

                3)外窗類型

                不同外窗類型建筑能耗水平如圖6-c所示,對于單層玻璃建筑和中空雙/三層玻璃建筑,其能耗水平接近,其平均值均為9.7kgce·m-2,其他外窗類型建筑樣本能耗最高,能耗均值為12.3kgce·m-2,這是由個別樣本能耗較高導致的,主要原因為這部分樣本為高檔辦公建筑,服務水平較高,建筑能耗相對較高。

                4)遮陽形式

                不同遮陽形式建筑能耗結果如圖6-d所示,其中無遮陽措施建筑能耗水平普遍較高,平均能耗為10.0kgce·m-2,中位值能耗為9.0kgce·m-2,相較于內/外遮陽較高。

                5)外窗玻璃類型

                不同玻璃類型建筑能耗情況如圖6-e所示,不同類型玻璃建筑能耗水平接近,其平均能耗為10.0kgce·m-2左右。其中,普通玻璃類型建筑樣本中位值能耗最高,為8.9kgce·m-2。根據對比不同類型玻璃建筑能耗,其能耗水平差異并不明顯。


        圖6 不同圍護結構建筑能耗統計

                2.3  建筑運行特點與能耗相關性分析

                2.3.1  不同功能類型建筑能耗分析

                樣本建筑按照具體功能可分為一般辦公、金融、IT、媒體、混合及其他功能辦公6類,按照金融/IT/媒體、一般辦公、混合功能及其他類型進行能耗統計,結果如圖 7所示。一般辦公、混合及其他功能辦公建筑能耗較低,中位值分別為8.3kgce·m-2、7.7kgce·m-2;金融/IT/媒體類建筑能耗最高,中位值8.6kgce·m-2,最大值26.5kgce·m-2,平均值11.2kgce·m-2。一般辦公能耗數據相對集中,其它辦公建筑能耗差異明顯。建筑功能是影響建筑能耗水平的主要因素之一。


        圖7 不同功能類型建筑能耗統計

                2.3.2  不同運行情況建筑能耗分析

                1)建筑每天運行時長

                建筑運行方式是影響建筑功能效果的重要因素之一,工作運行時長是體現建筑不同運行方式的重要指標。樣本建筑由于具體功能、服務對象的不同,其每日工作時長也存在差異,如錯誤!未找到引用源。所示,大多數建筑工作時長為8~10h,占比40.2%,其次為工作時長小于8h,占比32.5%,部分建筑工作時長超過12h,例如部分大型辦公建筑采用24小時工作制,該部分建筑數量占比17.2%。不同工作時長建筑單位面積能耗如圖 8所示,建筑單位面積能耗隨工作時長增加而增加。


        圖8 每日工作時長與能耗相關性

                2)使用率

                建筑使用率反映了建筑的整體使用情況。對于大型辦公建筑,使用率80%~100%的建筑數量占比73.4%,其次為60%~80%的建筑,數量占比11.4%。不同出租率建筑單位面積能耗如圖 9所示,隨出租率增加,建筑單位面積能耗逐漸增加。


        圖9 樣本建筑使用率(%)與能耗相關性分析

                3)常駐辦公人數

                常駐辦公人數反映了建筑的規模,辦公人數與建筑能耗水平密切相關。不同辦公人數建筑單位面積能耗如圖 10所示,辦公人數與能耗整體呈現正相關關系,隨著辦公人數的增加,單位面積能耗逐漸增加。結合樣本建筑特點,辦公人數越多的建筑,建筑規模越大,通常為服務量大,服務質量高的高檔辦公建筑,其單位面積能耗相對小型辦公建筑較高。


        圖10 樣本建筑辦公人數與能耗相關性分析

                2.3.3  不同HVAC系統建筑能耗分析

                暖通空調系統為建筑最主要系統之一,其系統形式及運行方式,密切影響了建筑整體能耗水平。對于建筑HVAC系統的調研內容主要包括建筑暖通空調形式、系統相關參數設定和控制方式、系統調試情況和節能措施等,通過調研不同系統及運行方式下的建筑能耗,分析HVAC系統與建筑能耗的關系。

                根據調研結果,目前我國辦公建筑主要的空調形式主要是定風量系統、變風量系統、風機盤管+新風系統、多聯機系統、分體空調等,如圖 11和表 所示,其中風盤+新風系統占比最高,達到32.9%,其次是分體空調和多聯機系統,分別占21.6%、19.6%。另外,統計樣本中91.3%的建筑均為兩管制,四管制只有8.7%,只有較高檔的寫字樓才可能安裝四管制。


        圖11 樣本建筑各類空調系統占比
        表4 樣本建筑空調系統形式統計

                不同空調形式的樣本建筑能耗如圖 12所示,定風量系統平均能耗水平為7.6 kgce·m-2,最高能耗為16.1kgce·m-2,變風量系統平均能耗水平為8.4 kgce·m-2,略高于定風量系統,其最高能耗為13.9 kgce·m-2,低于定風量系統。


        圖12 不同風系統形式建筑能耗統計

                對樣本建筑主要空調形式的建筑能耗進行統計,部分建筑同時使用多種形式的空調系統,結合建筑具體情況,按照其最主要系統形式進行歸類,能耗統計結果如圖 13所示。風機盤管+新風形式系統建筑平均能耗為7.7kgce·m-2,分體空調建筑平均能耗為7.3kgce·m-2,多聯機系統建筑平均能耗為8.6kgce·m-2。


        圖13 不同空調系統形式建筑能耗統計

                2.3.4  不同照明設備建筑能耗分析

                1)照明系統控制

                根據調研結果,大型辦公建筑樣本中78.2%的建筑有照明控制系統,是否有照明控制系統統計結果如圖 14所示。同時,對典型房間照度的測試,是照明系統控制調試的基礎,根據調研,80.8%的建筑并未進行典型房間照度測試。


        圖14 建筑是否有照明控制系統

                照明能耗是建筑總能耗的重要組成部分,燈具的控制是影響照明能耗的主要因素,從而一定程度上影響建筑總能耗,對有/無照明控制的樣本建筑能耗進行統計,如圖 15所示,無照明控制建筑能耗略高于有照明控制建筑,無控制建筑平均能耗為8.0 kgce·m-2,有照明控制建筑平均能耗為7.7 kgce·m-2。


        圖15 不同照明控制建筑能耗統計

                2)燈具類型

                燈具類型主要包括白熾燈、普通熒光燈、細管型熒光燈、緊湊型熒光燈、低壓鈉燈、高壓汞燈、高壓鈉燈、金屬鹵化物燈、LED燈、T-5、T-8以及其他類型,燈具類型比例如圖 16所示,可見大多數建筑都使用LED燈具,其次是T-5、T-8、普通熒光燈。


        圖16 不同類型燈具使用比例

                是否采用節能燈具是影響照明能耗的最主要因素之一,通過統計分析是否使用LED節能燈具的建筑,比較其能耗水平,如圖 17所示,未使用節能燈具的建筑能耗水平整體明顯高于使用節能燈的建筑,個別使用節能燈的建筑能耗較高,導致平均能耗相差不大,未使用節能燈具建筑平均能耗為7.9 kgce·m-2,使用節能燈建筑能耗7.8kgce·m-2。


        圖17 不同燈具類型建筑能耗統計

        3 建筑耗電量分析

                3.1  總電耗分析

                在大型辦公類建筑中,電力是最主要的能源形式,通過對調研機構電耗統計結果圖 18和圖 19進行分析,大型辦公建筑電力消耗比較集中,主要分布在15kWh·m-2~152kWh·m-2,平均值為74.87kWh·m-2。


        圖18 大型辦公建筑單位面積電耗分布(kWh·m-2

        圖19 大型辦公建筑電耗累積分布(kWh·m-2

                3.2  分項電耗分析

                深入調研大型辦公分項電耗情況,通過對各分項電耗數據統計分析,暖通空調系統能耗比重最高,占總電耗的41.9%,其次是照明電耗,占總電耗26.4%,然后是動力系統能耗,占總電耗的18.3%,特殊電耗占比13.4%,各類分項占比如圖 20所示。

                從四分位圖可以看出,對于采暖空調電耗來講,不同機構消耗占比差異明顯,樣本建筑空調能耗主要占比28%~55%,個別樣本采暖空調電耗比例高達81%,該差異主要與建筑空調采暖系統形式及運行方式有關;照明系統電耗比例主要為12%到38%,造成該差異的原因主要為照明設備的節能性以及運行策略的合理性;動力系統電耗、特殊電耗比例的差異相對較小,該部分耗電設備種類較為固定,且本身能耗占比較小??梢钥闯?,空調采暖系統以及照明系統為大型辦公建筑主要能耗組成部分,是節能工作的重點。

                各分項能耗密度如圖 21所示,對于大型辦公建筑來說,暖通空調系統能耗是最高的,均值為24.15kWh·m-2;照明插座次之,均值為17.87kWh·m-2;動力系統能耗密度較低約為9.10 kWh·m-2;特殊用電系統因不同建筑差異較大,個別樣本能耗密度較分散。


        圖20 大型辦公建筑分項電耗占比

        圖21 大型辦公建筑各分項電耗密度

        4 結  語

                大型辦公建筑是公共建筑的主要建筑類型之一,分析大型辦公建筑能耗特點及其影響因素是全面深入了解我國公共建筑能耗情況的重要手段。本文通過全國453棟綜合大型辦公建筑能耗及影響因素統計分析,得出我國大型辦公建筑能耗現狀及能耗特點。

                我國大型辦公建筑年均單位面積能耗為9.93kgce·m-2,59.86%樣本建筑能耗水平處于4~10kgce·m-2之間,代表大多數大型辦公建筑能耗水平,部分高能耗建筑年均單位面積能耗超過14kgce·m-2,占總樣本數量的16.33%。

                我國大型辦公建筑電力消耗主要分布在15~152kWh·m-2,平均值為74.87kWh·m-2。對于辦公建筑分項電耗,采暖空調耗電量明顯高于照明插座耗電量,高于動力系統,特殊電耗占比最低,采暖空調節能潛力最高。

                辦公建筑能耗除受圍護結構、氣候區等因素影響外,不同地區經濟因素、建筑運行狀態、服務功能等對建筑能耗影響也很明顯。由于辦公建筑用能系統較復雜、運行工況差異明顯、能耗影響因素眾多,再加上在設計、施工、使用及運行維護等環節的粗放式管理因素的不利影響,使得大型辦公建筑的節能工作成為了一個系統的復雜工程,需針對具體建筑的使用特點,科學地進行能耗分析與節能診斷,合理選擇低成本的節能改造方案,有效降低節能改造的風險、提高大型辦公建筑節能改造的經濟與社會效益。

        參考文獻:

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                備注:本文收錄于《建筑環境與能源》2020年10月刊 總第37期(第22屆全國暖通空調制冷學術年會文集)。版權歸論文作者所有,任何形式轉載請聯系作者。

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