淺析珠海某超高層辦公建筑節(jié)能設(shè)計

董紅霞 邱少騰 裴 佩

（1.北京市建筑設(shè)計研究院有限公司，北京 100045；2.深圳市綠大科技有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引言

由于城市發(fā)展用地緊張，越來越多的建筑以超高層的形式出現(xiàn)，超高層建筑的能耗水平一般比普通辦公建筑的高，為了加強對此類建筑能耗的控制，提高能源系統(tǒng)應(yīng)用方案的合理性，需要對其進行專項論證評審。

根據(jù)《公共建筑節(jié)能設(shè)計標準》（GB50189-2015）第 1.0.4條：“當建筑高度超過 150m 或單棟建筑地上面積大于 200000m2 時，除應(yīng)符合本標準的各項規(guī)定外，還應(yīng)組織專家對其節(jié)能設(shè)計進行專項論證?！?該文從項目的建筑形體設(shè)計、設(shè)備機電系統(tǒng)的節(jié)能措施、全年能耗分析等方面進行了闡釋和驗證。

1 項目概況

該項目位于廣東省珠海市珠澳跨境工業(yè)區(qū)，項目總用地面積為8523.67 ㎡，總建筑面積82657.05 ㎡，容積率7.25；建筑高度162m ，項目地下3 層，地上33 層，其中開放式單元式辦公399370.3 ㎡，酒店式辦公17775.90 ㎡，該項目于2018 年10 月通過節(jié)能審查。

2 節(jié)能專項設(shè)計

2.1 建筑形體設(shè)計與室內(nèi)環(huán)境

珠海氣候?qū)傧臒岫貐^(qū)，地理上位于珠江口西岸。該地區(qū)在建筑方案階段應(yīng)充分考慮被動節(jié)能技術(shù)，建筑的朝向考慮日照、采光、通風(fēng)、遮陽等要求，做到盡量合理。坐北朝南是我國許多地區(qū)的合理朝向。體型設(shè)計也是建筑節(jié)能設(shè)計中非常重要的環(huán)節(jié)。但對于夏季炎熱的南方而言，主要考慮的問題是自然通風(fēng)和建筑遮陽，宜采取舒展通透的平面。項目通過方案綜合比選，結(jié)合當?shù)仫L(fēng)貌及建筑風(fēng)格，確定了項目的形體設(shè)計。

2.2 節(jié)能熱工設(shè)計

項目在設(shè)計過程中，外圍護結(jié)構(gòu)的節(jié)能措施包含以下2個方面： 1）在建筑外圍護結(jié)構(gòu)和材料的選用上，建筑外墻砌塊墻采用200mm 加氣混凝土+雙面20mm 砂漿和35mm鋼筋混凝土+100mm 礦棉、巖棉、玻璃棉板+30mm 保溫砂漿；建筑屋頂隔熱采用30mm 擠塑聚苯保溫板，有效隔絕了熱量。 2）建筑的外窗采用8mm 較低透光Low-E+12mm 空氣+8 透明，在保證透光率的同時具有較佳的傳熱系數(shù)和遮陽系數(shù)，有良好的氣密性能和水密性能。

2.3 暖通空調(diào)節(jié)能措施

2.3.1 冷熱源機組選型及方案配置優(yōu)化

該工程根據(jù)根據(jù)業(yè)主后期產(chǎn)權(quán)及使用功能不同進行了系統(tǒng)劃分，其中1 層、21 層、32 層～33 層為業(yè)主自有產(chǎn)權(quán)且自用，需要系統(tǒng)獨立，整棟大樓空調(diào)分為以下系統(tǒng)，見表1。

空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)形式如下。1～4 層末端采用吊頂式空調(diào)處理機組+新風(fēng)機組；5～9 層及21～33 層采用風(fēng)機盤管加新風(fēng)形式，新風(fēng)設(shè)于9 層避難層新風(fēng)機房內(nèi)。

項目計量方式如下。11～20 層及22～23 層按房間設(shè)分戶遠傳計量表，空調(diào)系統(tǒng)主機處設(shè)總計量裝置，冷凍水及冷卻水補水系統(tǒng)設(shè)計量裝置。

2.3.2 節(jié)能措施

節(jié)能措施如下：1）該項目的空調(diào)系統(tǒng)的冷源機組能效優(yōu)于國家標準及節(jié)能評價值的要求，集中空調(diào)系統(tǒng)為變流量系統(tǒng)。水系統(tǒng)流速設(shè)計采用經(jīng)濟流速，主管流速控制在1.8m/s～2.4m/s。設(shè)計均選用水阻合理的設(shè)備、閥門，控制系統(tǒng)水阻力，降低水泵能耗?？照{(diào)冷凍水系統(tǒng)耗電輸冷比ECR滿足比《公共建筑節(jié)能設(shè)計標準》GB 50189-2015 的節(jié)能限值降低20%以上。2）空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)和通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)機單位風(fēng)量耗功率滿足節(jié)能標準要求，新風(fēng)機組采用變頻控制。3）水泵、風(fēng)機能效等級滿足《清水離心泵能效限定值及節(jié)能評價值》GB19762、《通風(fēng)機能效限定值及能效等級》GB19761中能效等級2 級的要求。4）供暖空調(diào)系統(tǒng)末端現(xiàn)場可獨立調(diào)節(jié)。地下室設(shè)置與排風(fēng)聯(lián)動的一氧化碳濃度監(jiān)測裝置。

表1 空調(diào)系統(tǒng)冷熱源系統(tǒng)形式

2.4 給排水節(jié)能措施

項目給水水源為城市自來水，提供的城市自來水水壓為0.25MPa。項目合理進行分區(qū)并充分利用市政水壓：-3F～2F為一區(qū)，3F～9F 為二區(qū)，由地下室二區(qū)生活變頻機組加壓供水；10F～15F 為三區(qū)，由地下室三、四區(qū)生活變頻機組加壓后減壓供水；16F～21F 為四區(qū)，由地下室三、四區(qū)生活變頻機組加壓后減壓供水；22F～28F 為五區(qū)，由地下室輸泵及22F 避難層五、六區(qū)生活變頻機組加壓后再減壓供水；29F～屋面為六區(qū)，由地下室輸泵及22F 避難層五、六區(qū)生活變頻機組加壓后再減壓供水。合理設(shè)置減壓閥。供水壓力超過 0.20MPa 時給水支管上設(shè)減壓閥，控制各層用水器具的流出水頭，不僅可節(jié)約用水，也可增加使用舒適感。

采取有效措施避免管網(wǎng)損漏。水池、水箱均設(shè)置報警裝置，防止進水管閥門故障時，水池、水箱長時間溢流排水。項目實行分類、分項用水計量措施，每戶均設(shè)置水表，相對集中設(shè)于公共區(qū)域水表井內(nèi)，方便計量收費。

所有用水點均采用節(jié)水器具，包括水嘴、小便器、坐便器（單檔、雙檔）和大便器均能達到相關(guān)標準規(guī)定的用水效率等級1 級的要求。綠化用水采用微灌形式并設(shè)置單獨用水計量。

該工程11F～20F 的酒店式辦公采用集中熱水系統(tǒng)，最高日生活熱水用水量為67.2 m/d，最高時生活熱水用水量為8.96 m/d，設(shè)計小時耗熱量為461kW?；跐M足熱水需求的情況下提高制冷能效的角度考慮，熱水溫度為45℃/50℃。生活熱水熱源由空氣源熱泵和冷凝熱回收式機組提供，根據(jù)季節(jié)或室外溫度切換熱源供給方式，最大程度上實現(xiàn)了建筑余熱利用。

2.5 電氣節(jié)能措施

變壓器均采用SCB13 以上級別的干式電力變壓器，其變壓器空載損耗、負載損耗均達到《三相配電變壓器能效限定值及能效等級》（GB 20052-2013）中的二級能效要求。在變配電室低壓側(cè)設(shè)置功率因數(shù)集中自動補償裝置，補償后功率因數(shù)不小于0.90，減少配電系統(tǒng)無功損耗。

該項目為超高層建筑，用電系統(tǒng)較為復(fù)雜，因此設(shè)有電力監(jiān)控系統(tǒng)，在低壓系統(tǒng)設(shè)置較為完備的遠傳式智能計量儀表，對照明插座、空調(diào)、動力、特殊用電等各項用電進行分項計量，采集數(shù)據(jù)匯至監(jiān)控中心實現(xiàn)圖形化的用能監(jiān)測及分析，為項目的用電分戶收費、加強節(jié)能管理提供有力保障。

項目采用LED 光源及其他節(jié)能型燈具，顯色指數(shù)Ra ≥80，色溫在3300K～5300K。各房間場所照度、照明功率密度、一般顯色指數(shù)、統(tǒng)一眩光值等設(shè)計參數(shù)均按《建筑照明設(shè)計標準》（GB50034-2013）規(guī)定進行設(shè)計，其中照明功率密度均不高于目標值。公共區(qū)域根據(jù)房間功能、使用時間的差異，選擇合理、節(jié)能的照明控制措施。地下車庫、公共走道、大堂、電梯廳、環(huán)境照明、泛光照明等設(shè)置智能照明控制系統(tǒng)，相應(yīng)照明配電箱預(yù)留智能照明模塊，可根據(jù)照明使用需求，靈活采用；樓梯間、前室及電梯廳采用紅外感應(yīng)開關(guān)控制，做到人走燈滅；其余物業(yè)用房、設(shè)備房等均采用就地照明開關(guān)控制。

3 模擬優(yōu)化分析

為了考察項目的實際節(jié)能效果及室內(nèi)環(huán)境效果，進行了全年能耗模擬及自然通風(fēng)節(jié)能潛力分析，進而論證項目可行性及室內(nèi)環(huán)境效果。

3.1 全年能耗模擬分析

3.1.1 模擬軟件及參數(shù)

采用建筑全年能耗模擬軟件eQUEST 3-65 作為項目的能源分析工具。選用珠海典型氣象年8760h 氣象參數(shù)，同時根據(jù)《公共建筑節(jié)能設(shè)計標準》GB50189-2015 建立參照模型。通過對設(shè)計模型與參照模型的分析和比較，評價設(shè)計模型的能耗水平，建筑能耗模型信息詳見圖1。

圖1 項目能耗模型圖（北側(cè)面）

3.1.2 模擬設(shè)置

設(shè)計模型是根據(jù)項目設(shè)計圖紙建立。設(shè)計模型的輸入?yún)?shù)（包括建筑分區(qū)、圍護結(jié)構(gòu)性能、暖通空調(diào)系統(tǒng)性能、燈光及設(shè)備負荷、系統(tǒng)控制模式、運行時間等）均按照現(xiàn)行設(shè)計的規(guī)定。其中節(jié)能策略包括高性能圍護結(jié)構(gòu)、高效冷水機組、變頻水系統(tǒng)、高效率風(fēng)機、水泵、高效率照明、利用自然通風(fēng)等方面。

參照模型以《公共建筑節(jié)能設(shè)計標準》GB50189-2015 為指導(dǎo)建立。參照模型的外墻、屋頂、外窗的熱工性能參數(shù)均按照《公共建筑節(jié)能設(shè)計標準》GB50189-2015 限值，內(nèi)熱源參數(shù)（人員、照明、設(shè)備等）均與設(shè)計建筑保持一致，空調(diào)系統(tǒng)類型均與設(shè)計建筑保持一致，冷熱源性能系數(shù)按照《公共建筑節(jié)能設(shè)計標準》GB50189-2015 限值，輸配系統(tǒng)不考慮變頻節(jié)能措施，水泵、風(fēng)機功率信息根據(jù)《公共建筑節(jié)能設(shè)計標準》GB50189-2015 要求設(shè)定。設(shè)計建筑與參照建筑的熱工性能參數(shù)見表2，空調(diào)系統(tǒng)形式設(shè)定參數(shù)見表3。

3.1.3 模擬結(jié)果

經(jīng)過能耗模擬分析計算本項目設(shè)計建筑全年能耗為6221.265mWh，單位建筑能耗為75.27 kW·h/㎡，其中地上部分單位建筑能耗73.19 kW·h/㎡，地下車庫面積為19506.81 ㎡，通過模擬計算地下車庫設(shè)計建筑的能耗為171.51mWh，單位面積建筑能耗為8.79 kW·h/㎡ 參照建筑能耗為217.159 mWh，單位面積建筑能為11.13kW·h/㎡，設(shè)計建筑與參照建筑年耗電量及單項能耗節(jié)能率分析對比見表4，計算分析可知，其水泵及風(fēng)機節(jié)能率較高，設(shè)計建筑各組成部分的分項能耗占比構(gòu)成詳見圖2，其中制冷能耗為31%，照明能耗為22%，對應(yīng)節(jié)能率分別為14.29%及8.34%。設(shè)計建筑與參照建筑單位面積能耗指標詳見圖3，圖中可見，除電梯及辦公設(shè)備能耗一致外，其余各能耗指標設(shè)計建筑均比參照建筑有所降低。

圖2 設(shè)計建筑能耗占比分析圖

3.2 自然通風(fēng)節(jié)能潛力分析

采用eQuest3-65 能耗計算軟件內(nèi)置通風(fēng)模塊Sherman-Grimsrud 方式進行通風(fēng)節(jié)能潛力計算，該方式將基于室內(nèi)外溫差、風(fēng)速進行自然通風(fēng)節(jié)能計算。

與無自然通風(fēng)情況下的建筑制冷能耗相比，自然通風(fēng)條件下，建筑的制冷能耗在1 月份和2 月份降低幅度最大，達到了100%。3、4、11、12 月為51%～60%，5 月和10 月降低幅度不大，分別約為11%和15%，6 月至9 月降低幅度較小，約0%～7%左右。

由以上分析可以看出，自然通風(fēng)對于降低建筑制冷能耗效果顯著。其中在除夏季外的過渡季節(jié)效果尤為明顯，而對于降低夏季空調(diào)制冷能耗的效果并不大，基本小于7%。這是因為珠海地區(qū)夏季室外空氣溫度較高、濕度大、太陽輻射強，夏季主要依靠空調(diào)系統(tǒng)達到室內(nèi)的舒適度，能利用自然通風(fēng)的時間很短。而對于其他月份，室外空氣溫度適宜，氣候良好，這時對建筑進行自然通風(fēng)，就能改善室內(nèi)的熱環(huán)境，降低室內(nèi)空氣溫度，在獲得良好的室內(nèi)熱舒適性的前提下，降低空調(diào)的制冷能耗。

圖3 設(shè)計建筑與參照建筑單位面積能耗指標對比圖

綜上所述，在室內(nèi)有效的自然通風(fēng)條件下，建筑的制冷能耗比在無自然通風(fēng)情況下，降低了601.2 mWh，下降幅度為21.60%。與無自然通風(fēng)的建筑總能耗相比，降低的制冷能耗約占建筑總能耗的10.3%，因此合理采用自然通風(fēng)可有效縮短全年的空調(diào)系統(tǒng)運行時間，有良好的節(jié)能潛力。

表2 設(shè)計建筑與參照建筑熱工參數(shù)

表3 空調(diào)系統(tǒng)形式

表4 設(shè)計建筑與參照建筑模擬能耗模擬結(jié)果

3.3 結(jié)果分析

將這次設(shè)計建筑能耗模擬計算結(jié)果與《民用建筑能耗標準》GB/T51161-2016 中夏熱冬暖地區(qū)的約束值進行對比，對比結(jié)果見表5。根據(jù)《民用建筑能耗標準》GB/T51161-2016 的基本規(guī)定，不同建筑類型的建筑能耗指標應(yīng)小于其所屬氣候區(qū)所對應(yīng)的建筑能耗指標約束值。通過模擬計算，得到設(shè)計建筑總能耗約為參照建筑總能耗的88 %，且滿足《民用建筑能耗標準》GB/T 51161-2016 約束值要求。

4 結(jié)論

該項目的主要結(jié)論如下。項目總平面規(guī)劃和建筑方案充分考慮氣候環(huán)境、地塊特性、建筑功能需求等因素進行合理布局設(shè)計，圍護結(jié)構(gòu)采用熱工性能良好的材料構(gòu)造。通過能耗模擬軟件，分別模擬了項目塔樓在無自然通風(fēng)和有自然通風(fēng)情況下的建筑綜合能耗。相對無自然通風(fēng)的建筑總能耗，有自然通風(fēng)時降低的制冷能耗約占建筑總能耗的 10.3%，具有良好的自然通風(fēng)節(jié)能潛力。暖通空調(diào)系統(tǒng)綜合采用高效冷水機組、水泵變頻、電氣系統(tǒng)采用高效燈具，智能控制等措施。 模擬后各功能區(qū)域均滿足《民用建筑能耗標準》GB/T 51161-2016 的相關(guān)能耗指標要求，且比參照建筑綜合能耗指標降低12%。 目前《建筑節(jié)能與可再生能源利用通用規(guī)范》GB 55015-2021于2022 年4 月1 日開始執(zhí)行，該規(guī)范對建筑熱工、機組能效及可再生能源應(yīng)用等方面均有了相應(yīng)的提升和要求，該項目為該規(guī)范執(zhí)行前的設(shè)計項目，與目前規(guī)范要求還有一定的差異，建議今后超高層項目需執(zhí)行通用規(guī)范要求，并結(jié)合項目情況合理進行可再生能源設(shè)計，并進一步提升熱工及能效等方面要求。

表5 模擬計算結(jié)果與約束值的對比結(jié)果