上海市建筑科学研究院  张改景  杨建荣

    【摘  要】本文重点研究了区域建筑能源高效利用规划方法，该方法综合考虑了区域建筑能源规划的供需侧因素。利用情景分析方法，得出我国典型城市的可再生能源利用目标与容积率/建筑密度的关系；基于负荷平准化的目标要求，分别研究了办公主导型、酒店主导型、商业主导型的建筑群的功能配比；基于用能控制的目标，对建筑群不同形态的节能潜力进行数值模拟对比研究。该方法对于我国需求侧能源规划具有重要的借鉴意义。

    【关键词】区域建筑能源规划 能效 优化

0 前言

    在建设新型城镇化、应对气候变化的新时期，从规划阶段保障能源的高新利用是当务之急。目前，国内外关于区域建筑群能源高效利用应用规划技术方法的研究，主要集中在三个方面，即建筑能源规划方法的研究^[1-5] 、城市形态与规划节能的研究^[6-10] 、可再生能源资源可利用潜力评估方法的研究^[11-16] 。这些研究各自已有了一定程度的进展，但目前还没有将三者研究成果很好的融合起来，共同指导规划设计阶段区域建筑能效的提升。

    本文重点研究区域建筑能源高效利用规划方法，本规划方法着眼于能源供应侧和需求侧两个角度，其中又以能源需求侧的规划设计方法为主。重点研究的内容包括目标导向的太阳能高效利用规划边界条件、基于负荷平准化的区域建筑功能优化和基于用能控制的建筑形态节能潜力优化的相关内容。研究成果以期为需求侧区域建筑能源规划提供技术参考。

1 目标导向的可再生能源利用规划边界条件优化

    1.1 太阳能资源潜力利用率计算方法

    在相关文献研究基础上^[14] ，构建了区域建筑太阳能光热利用率计算方法，如表1所示。

    1.2 典型城市太阳能资源利用率规划边界条件

    （1）情景设定

    我国地域广阔，各个城市的太阳能资源状况差别较大，海尔滨、北京、上海、广场、重庆和拉萨六大典型城市涵盖了所有气候区和资源分布区，其月总辐射量见图1所示。利用情景分析法开展区域建筑能源资源利用边界条件研究，其情景设点如图2所示。 

    （2）分析结果

    基于区域建筑太阳能光热利用计算方法和情景设定，对我国典型城市的太阳能光热利用规划条件进行了分析，具体分析结果如图3。以上海为例，则在居住建筑群规划设计阶段，如果要实现由可再生能源提供的生活热水比例为50%的目标，在情景1下，其建筑群的容积率/建筑密度的取值要小于等于20；在情景2下，其建筑群的容积率/建筑密度的取值要小于等于26；在情景3下，其建筑群的容积率/建筑密度的取值要小于等于32。

    基于区域建筑太阳能光伏利用计算方法和情景设定，对我国典型城市的太阳能光热利用规划条件进行了分析，具体分析结果见图4。以上海为例，在办公建筑群规划设计阶段，如果要实现由可再生能源提供的电量比例为1%的目标，在情景1下，其建筑群的容积率/建筑密度的取值要小于等于10；在情景2下，其建筑群的容积率/建筑密度的取值要小于等于14；在情景3下，其建筑群的容积率/建筑密度的取值要小于等于18。

    这些分析结果可以有效指导规划设计师来进行居住建筑群的规划设计，为区域规划的相关参数的确定提供数据支撑。

2 基于负荷平准化的区域建筑功能配比优化

    2.1 典型建筑负荷曲线

    通过收集了上海办公、商业和酒店建筑完成一年的电耗数据，分析逐月单位面积电耗与空调能耗，如图5所示。同时利用能耗模拟软件建立典型办公建筑、商业建筑和酒店建筑模型，并通过模拟能耗与实际能耗的对标，保障误差在15%的情况下通过修正得到典型建筑模型，并通过模拟得到典型建筑的负荷曲线，如图5所示。为建筑群负荷平准化的节能潜力研究提供基础。

    2.2 区域建筑负荷平准化的节能潜力

    负荷平准化就是要求负荷稳定、均衡地出现，避免负荷峰、谷、平的大幅度转换，从而保障设备在高效阶段进行运行。通过城区或建筑群的规划配合，布局混合社区，实现负荷平准化是建筑群能源资源高效利用的研究方向之一。本文利用典型建筑负荷曲线的相关研究，针对办公主导型、酒店主导型、商业主导型等区域建筑的功能业态，各建立三种业态配比的情景模型，用于指导规划设计阶段用能定额控制下的功能配比分析。

    办公主导型的建筑群的功能配比主要为三种情景，办公：商业：酒店的比例分别为5:3:2、6:2:3和7:1:2，具体分析如图7（a）所示；其中以混合3功能配比的负荷峰值最低，即办公、商业、酒店的面积配比以7:1:2，可以有效降低建筑群峰值负荷。商业主导型的建筑群的功能配比主要为三种情景，办公：商业：酒店的比例分别为2:5:3、1:6:3和2:7:1，具体分析如图7（b）所示；其中以混合1功能配比的负荷峰值最低，即办公、商业、酒店的面积配比以2:5:3，可以有效降低建筑群能耗。酒店主导型的建筑群的功能配比主要为三种情景，办公：商业：酒店的比例分别为3:2:5、2:2:6和2:1:7，具体分析如图7（c）所示。其中以混合3功能配比的负荷峰值最低，即办公、商业、酒店的面积配比以2:1:7，可以有效降低建筑群能耗。

    因此，基于对典型建筑模型及负荷曲线的研究，通过情景分析法构建典型建筑群的方法来模拟建筑群的负荷曲线，通过调整建筑群功能配比及建筑面积的配比，可以得到不同功能配比下的建筑群负荷曲线，以负荷平准化的标准来评判，为规划设计师进行区域经济性指标编制时提供技术参考。

3 基于区域能源系统用能总量控制的建筑群形态节能潜力优化

    3.1 各种建筑形态简化模型

    我国上海地区典型区域建筑形状调研，如图8所示，由各类区域建筑形状统计结果可以看出，建筑形状以矩形建筑为主，则下文将以矩形建筑为区域建筑的基本形状，建立区域建筑形态负荷预测模型。

    在给定的用地面积和容积率条件下，建立四类常见的办公建筑、酒店建筑的形态简化模型，简化建筑形态模型如表2和图9所示，其中设计参数按照《公共建筑节能设计标准》的要求来选取参数，其中模拟分区是内部全部按照办公室和酒店房间的性质来设定，其他参数按照软件默认参数来设计。

    3.2 各种建筑形态负荷模拟结果分析

    在给定的容积率条件下，对常见的四种办公建筑规划形态进行冷热负荷对比，对单位面积冷负荷和热负荷进行分析（见图10）。计算结果表明单位面积冷负荷由大到小的排序为： 形态1>形态2>形态3>形态4；单位面积的热负荷由大到小的排序为：形态2>形态1>形态4>形态3。

    在给定的容积率条件下，对常见的四种酒店建筑规划形态进行冷热负荷对比，对单位面积冷负荷和热负荷进行分析（见图11）。计算结果表明单位面积冷负荷由大到小的排序为： 形态1>形态3>形态2>形态4；单位面积的热负荷由大到小的排序为：形态2>形态1>形态4>形态3。

    因此，在夏热冬冷地区，不论办公建筑还是酒店建筑，形态1的全年单位面积累计冷负荷最大，形态4的全年单位面积累计冷负荷最小；形态2的全年单位面积累计热负荷最大，形态3的全年单位面积累计热负荷最小。

4 区域建筑能效提升规划设计方法

     基于前面的研究，区域建筑能源高效利用规划方法主要包括三大步骤（见图12），第一是以可再生能源利用为目标，通过目标导向的可再生能源利用规划边界条件的研究，得到区域建筑适宜的容积与建筑密度等相关参数；第二是以功能混合实现负荷平准化为目标，通过基于负荷平准化的区域建筑功能配比优化方法的研究，获得适宜的区域建筑功能及比例范围；第三是以建筑形态实现负荷最低为目标，通过基于区域能源系统用能总量控制的建筑形态节能潜力优化，得到适宜的区域建筑形态及布局。通过以上分析获得的适宜的容积率、建筑密度、建筑功能及配比、建筑形态等参数，从而形成具有能源高效利用潜力的区域建筑规划设计方案，为区域建筑的规划提供相关参考。

5 总结

    研究了以目标导向的可再生能源利用规划适宜边界条件，得到了全国典型城市的太阳能光热和光伏利用率与容积率和建筑密度之比的关系，容积率和建筑密度之比越小，越有利于可再生能源利用目标的实现。

    研究了基于负荷平准化的建筑群功能配比优化，利用情景分析方法分析了不同功能主导下的建筑群的负荷曲线图，以负荷平准化为评估角度给出了适宜的功能配比值，如办公主导型的建筑群的功能配比以办公、商业、酒店的面积配比以7:1:2，可以有效降低建筑群峰值负荷；商业主导型的建筑群的功能配比办公、商业、酒店的面积配比以2:5:3，可以有效降低建筑群能耗；酒店主导型的建筑群的功能配比办公、商业、酒店的面积配比以2:1:7，可以有效降低建筑群能耗。

    研究了建筑群形态节能潜力优化，建立的四种建筑群形态，利用软件模拟的方法对其负荷进行了分析，得出在上海地区，围合类的建筑群的综合负荷率最低。

    本文重点研究了区域建筑能源高效利用规划方法，研究形成了区域建筑能源高效利用规划设计方法，为区域建筑能源高效利用规划提供支撑。

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    备注：本文收录于《建筑环境与能源》2018年10月刊总第15期（第21届暖通空调制冷学术年会文集）。
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