中国建筑科学研究院有限公司  李林涛  陈昭文  魏峥  张世栋

        【摘  要】本文通过对我国24个省市453栋大型办公建筑基本信息、运行参数以及能耗数据进行调研分析，得出我国大型办公建筑能耗特点，并对各类能耗影响因素进行分析，为大型办公建筑能耗评价、诊断与优化运行工作提供一定的指导。

        【关键词】公共建筑  能耗特点  建筑节能  分项电耗

        【基金项目】国家重点研发计划项目：基于全过程的大数据绿色建筑管理技术研究与示范（2017YFC0704200）
                            中国建筑科学研究院有限公司青年基金资助项目：基于逆向算法的公共建筑运行总能耗拆分及评价方法研究和工具开发（20180109331030021）

0  引言

        随着我国经济建设的迅速发展，以及民众对生活品质要求的逐渐提高，我国建筑能耗在社会整体能耗的占比迅速增长。2017年，中国建筑运行的总商品能耗为9.63亿吨标准煤，约占全国能源消费总量的21%，其中公共建筑能耗2.93亿吨标准煤，占建筑能耗总量的30.4%；城镇居住建筑能耗2.26亿吨标准煤，占比23.5%；农村建筑能耗2.43亿吨标准煤，占比25.2%；北方采暖能耗2.01亿吨标准煤，占比20.9%^[1]。全面、客观认识大型公共建筑的能耗特征是开展建筑节能工作的基础，我国各地研究者对一些城市的公共建筑进行了大量的能耗调查与节能分析^[2-10]。但目前我国基于建筑实际运行数据大规模调研、分析的研究相对较少。

        本文基于全国453栋办公建筑能耗调研数据，通过用能现状、能耗差异及特点分析，客观描述了我国大型办公建筑用能水平及能耗特点，从宏观上认识了我国大型办公建筑的能耗现状。

1  样本概况

        本文在全国范围内调研搜集了453栋2631.5万m²大型办公建筑相关数据，样本分布在全国24个省，覆盖严寒、寒冷、温和、夏热冬冷、夏热冬暖五个气候区，考虑到我国办公建筑整体分布情况，调研样本夏热冬冷、夏热冬暖及寒冷地区样本量最大，严寒地区和温和地区样本量较少，具体占比如图1所示。

图1 调研样本分布情况

        调研采用问卷形式，分为数据初步调研及数据复核两个阶段。调研内容包括建筑基本信息：建筑所在城市、建筑建成年份、建筑规模、围护结构、设备信息；用能系统形式：能源类型、空调系统类型；建筑运行情况：运行时长、建筑功能分区、系统运行逻辑、节能措施；各类能源逐月能耗数据。

2 大型办公建筑综合能耗特点分析

        2.1  综合能耗特点

        大型办公建筑主要用能系统包括采暖系统、空调系统、照明系统、办公系统、动力系统、综合服务系统。对于大型办公建筑，不同建筑同一系统用能形式不同，如采暖空调系统，除消耗电力之外，还包括燃气、集中供热、集中供冷等不同用能形式；同一能源类型也可应用于不同建筑系统中，如电力用于采暖空调、照明、办公等多个系统。大型办公建筑能源消耗类型及用能系统供应如图 2所示。

        调研的办公建筑能源类型主要包括电力、天然气、外购热力三类，其中电力是最主要的能源类型。各类能源在调研的样本应用情况如表1所示。电力在所有建筑样本均有使用；有35.98%的样本有天然气消耗；10.15%的样本使用了外购热力。根据各类能耗数据按当量折算到一次能源，所有建筑年平均总能耗为26130.8万kgce，单位面积能耗为9.93kgce·m^-2，如表2所示。

        样本建筑单位面积能耗分布如图 3所示，53.38%建筑能耗水平处于8kgce·m^-2以下，其中有45.95%样本建筑单位面积能耗处于4~8 kgce·m^-2之间，单位面积能耗超过14kgce·m^-2的建筑约占比16.22%。

图2 大型办公建筑能源类型及用能系统供应关系
表1 能源使用情况统计

表2 样本总电耗概况


图3 建筑单位面积能耗频率分布图（kgce·m^-2）

        2.2  建筑固有特点与能耗相关分析

        2.2.1  不同地区建筑能耗分析

        不同省份建筑能耗统计结果如图4所示，浙江、上海、北京等经济发达区域城市能耗较高。同一城市不同建筑全年能耗总量、单位面积平均能耗均差别较大，同一城市样本建筑能耗总量最大值与最小值之间最大相差可达到十几倍。分析原因，主要是由建筑规模、能耗设备数量差异巨大，同时建筑提供的服务量、服务水平也差别迥异，这导致了整体能耗的差距。

图4 不同省份样本单位面积能耗统计

        比较五个气候分区的建筑能耗的整体水平，对样本建筑统计如表3所示，可以看出，能耗水平最高的是严寒地区，单位平米能耗为12.1kgce·m^-2，能耗水平最低的是温和地区，单位平米能耗为7.2kgce·m^-2，夏热冬冷地区与寒冷地区差异不大。

表3 不同气候区样本建筑能耗水平统计

        2.2.2  不同年份建筑能耗分析

        如图 5所示，37.1%的样本建筑建成年份主要为2011到2015年，占比最高，其次是2006到2010年，1990年以前及2016年以后样本较少。对不同建成年份的建筑总能耗进行统计， 2001-2010年建成的建筑能耗较高，年平均单位面积能耗在10.9 kgce·m^-2左右，中位值能耗水平为10.6kgce·m^-2。

图5 不同建成年份建筑总能耗统计

        2.2.3  不同围护结构建筑能耗分析

        1）外墙材料

        调研样本的外墙主要包括加气混凝土块、灰砂砖等6类材料，能耗对比结果如图 6-a所示，其中实心黏土砖类型建筑平均能耗最低，为9.0kgce·m^-2，其他外墙类型主要为无明确外墙材料的建筑，其围护结构信息不明确，其平均能耗为10.3kgce·m^-2。

        2）外墙保温形式

        不同保温形式建筑能耗对比结果如图6-b所示，无保温建筑能耗水平明显高于内保温建筑，外保温建筑能耗密度最低，内保温与外保温建筑能耗差别不大。无保温建筑平均能耗为10.7kgce·m^-2，最大能耗为23.4kgce·m^-2。

        3）外窗类型

        不同外窗类型建筑能耗水平如图6-c所示，对于单层玻璃建筑和中空双/三层玻璃建筑，其能耗水平接近，其平均值均为9.7kgce·m^-2，其他外窗类型建筑样本能耗最高，能耗均值为12.3kgce·m^-2，这是由个别样本能耗较高导致的，主要原因为这部分样本为高档办公建筑，服务水平较高，建筑能耗相对较高。

        4）遮阳形式

        不同遮阳形式建筑能耗结果如图6-d所示，其中无遮阳措施建筑能耗水平普遍较高，平均能耗为10.0kgce·m^-2,中位值能耗为9.0kgce·m^-2，相较于内/外遮阳较高。

        5）外窗玻璃类型

        不同玻璃类型建筑能耗情况如图6-e所示，不同类型玻璃建筑能耗水平接近，其平均能耗为10.0kgce·m^-2左右。其中，普通玻璃类型建筑样本中位值能耗最高，为8.9kgce·m^-2。根据对比不同类型玻璃建筑能耗，其能耗水平差异并不明显。

图6 不同围护结构建筑能耗统计

        2.3  建筑运行特点与能耗相关性分析

        2.3.1  不同功能类型建筑能耗分析

        样本建筑按照具体功能可分为一般办公、金融、IT、媒体、混合及其他功能办公6类，按照金融/IT/媒体、一般办公、混合功能及其他类型进行能耗统计，结果如图 7所示。一般办公、混合及其他功能办公建筑能耗较低，中位值分别为8.3kgce·m^-2、7.7kgce·m^-2；金融/IT/媒体类建筑能耗最高，中位值8.6kgce·m^-2，最大值26.5kgce·m^-2，平均值11.2kgce·m^-2。一般办公能耗数据相对集中，其它办公建筑能耗差异明显。建筑功能是影响建筑能耗水平的主要因素之一。

图7 不同功能类型建筑能耗统计

        2.3.2  不同运行情况建筑能耗分析

        1）建筑每天运行时长

        建筑运行方式是影响建筑功能效果的重要因素之一，工作运行时长是体现建筑不同运行方式的重要指标。样本建筑由于具体功能、服务对象的不同，其每日工作时长也存在差异，如错误!未找到引用源。所示，大多数建筑工作时长为8~10h，占比40.2%，其次为工作时长小于8h，占比32.5%，部分建筑工作时长超过12h，例如部分大型办公建筑采用24小时工作制，该部分建筑数量占比17.2%。不同工作时长建筑单位面积能耗如图 8所示，建筑单位面积能耗随工作时长增加而增加。

图8 每日工作时长与能耗相关性

        2）使用率

        建筑使用率反映了建筑的整体使用情况。对于大型办公建筑，使用率80%~100%的建筑数量占比73.4%，其次为60%~80%的建筑，数量占比11.4%。不同出租率建筑单位面积能耗如图 9所示，随出租率增加，建筑单位面积能耗逐渐增加。

图9 样本建筑使用率（%）与能耗相关性分析

        3）常驻办公人数

        常驻办公人数反映了建筑的规模，办公人数与建筑能耗水平密切相关。不同办公人数建筑单位面积能耗如图 10所示，办公人数与能耗整体呈现正相关关系，随着办公人数的增加，单位面积能耗逐渐增加。结合样本建筑特点，办公人数越多的建筑，建筑规模越大，通常为服务量大，服务质量高的高档办公建筑，其单位面积能耗相对小型办公建筑较高。

图10 样本建筑办公人数与能耗相关性分析

        2.3.3  不同HVAC系统建筑能耗分析

        暖通空调系统为建筑最主要系统之一，其系统形式及运行方式，密切影响了建筑整体能耗水平。对于建筑HVAC系统的调研内容主要包括建筑暖通空调形式、系统相关参数设定和控制方式、系统调试情况和节能措施等，通过调研不同系统及运行方式下的建筑能耗，分析HVAC系统与建筑能耗的关系。

        根据调研结果，目前我国办公建筑主要的空调形式主要是定风量系统、变风量系统、风机盘管+新风系统、多联机系统、分体空调等，如图 11和表 所示，其中风盘+新风系统占比最高，达到32.9%，其次是分体空调和多联机系统，分别占21.6%、19.6%。另外，统计样本中91.3%的建筑均为两管制，四管制只有8.7%，只有较高档的写字楼才可能安装四管制。

图11 样本建筑各类空调系统占比
表4 样本建筑空调系统形式统计

        不同空调形式的样本建筑能耗如图 12所示，定风量系统平均能耗水平为7.6 kgce·m^-2，最高能耗为16.1kgce·m^-2，变风量系统平均能耗水平为8.4 kgce·m^-2，略高于定风量系统，其最高能耗为13.9 kgce·m^-2，低于定风量系统。

图12 不同风系统形式建筑能耗统计

        对样本建筑主要空调形式的建筑能耗进行统计，部分建筑同时使用多种形式的空调系统，结合建筑具体情况，按照其最主要系统形式进行归类，能耗统计结果如图 13所示。风机盘管+新风形式系统建筑平均能耗为7.7kgce·m^-2，分体空调建筑平均能耗为7.3kgce·m^-2，多联机系统建筑平均能耗为8.6kgce·m^-2。

图13 不同空调系统形式建筑能耗统计

        2.3.4  不同照明设备建筑能耗分析

        1）照明系统控制

        根据调研结果，大型办公建筑样本中78.2%的建筑有照明控制系统，是否有照明控制系统统计结果如图 14所示。同时，对典型房间照度的测试，是照明系统控制调试的基础，根据调研，80.8%的建筑并未进行典型房间照度测试。

图14 建筑是否有照明控制系统

        照明能耗是建筑总能耗的重要组成部分，灯具的控制是影响照明能耗的主要因素，从而一定程度上影响建筑总能耗，对有/无照明控制的样本建筑能耗进行统计，如图 15所示，无照明控制建筑能耗略高于有照明控制建筑，无控制建筑平均能耗为8.0 kgce·m^-2，有照明控制建筑平均能耗为7.7 kgce·m^-2。

图15 不同照明控制建筑能耗统计

        2）灯具类型

        灯具类型主要包括白炽灯、普通荧光灯、细管型荧光灯、紧凑型荧光灯、低压钠灯、高压汞灯、高压钠灯、金属卤化物灯、LED灯、T-5、T-8以及其他类型，灯具类型比例如图 16所示，可见大多数建筑都使用LED灯具，其次是T-5、T-8、普通荧光灯。

图16 不同类型灯具使用比例

        是否采用节能灯具是影响照明能耗的最主要因素之一，通过统计分析是否使用LED节能灯具的建筑，比较其能耗水平，如图 17所示，未使用节能灯具的建筑能耗水平整体明显高于使用节能灯的建筑，个别使用节能灯的建筑能耗较高，导致平均能耗相差不大，未使用节能灯具建筑平均能耗为7.9 kgce·m^-2，使用节能灯建筑能耗7.8kgce·m^-2。

图17 不同灯具类型建筑能耗统计

3 建筑耗电量分析

        3.1  总电耗分析

        在大型办公类建筑中，电力是最主要的能源形式，通过对调研机构电耗统计结果图 18和图 19进行分析，大型办公建筑电力消耗比较集中，主要分布在15kWh·m^-2~152kWh·m^-2，平均值为74.87kWh·m^-2。

图18 大型办公建筑单位面积电耗分布（kWh·m^-2）

图19 大型办公建筑电耗累积分布（kWh·m^-2）

        3.2  分项电耗分析

        深入调研大型办公分项电耗情况，通过对各分项电耗数据统计分析，暖通空调系统能耗比重最高，占总电耗的41.9%，其次是照明电耗，占总电耗26.4%，然后是动力系统能耗，占总电耗的18.3%，特殊电耗占比13.4%，各类分项占比如图 20所示。

        从四分位图可以看出，对于采暖空调电耗来讲，不同机构消耗占比差异明显，样本建筑空调能耗主要占比28%~55%，个别样本采暖空调电耗比例高达81%，该差异主要与建筑空调采暖系统形式及运行方式有关；照明系统电耗比例主要为12%到38%，造成该差异的原因主要为照明设备的节能性以及运行策略的合理性；动力系统电耗、特殊电耗比例的差异相对较小，该部分耗电设备种类较为固定，且本身能耗占比较小。可以看出，空调采暖系统以及照明系统为大型办公建筑主要能耗组成部分，是节能工作的重点。

        各分项能耗密度如图 21所示，对于大型办公建筑来说，暖通空调系统能耗是最高的，均值为24.15kWh·m^-2；照明插座次之，均值为17.87kWh·m^-2；动力系统能耗密度较低约为9.10 kWh·m^-2；特殊用电系统因不同建筑差异较大，个别样本能耗密度较分散。

图20 大型办公建筑分项电耗占比

图21 大型办公建筑各分项电耗密度

4 结  语

        大型办公建筑是公共建筑的主要建筑类型之一，分析大型办公建筑能耗特点及其影响因素是全面深入了解我国公共建筑能耗情况的重要手段。本文通过全国453栋综合大型办公建筑能耗及影响因素统计分析，得出我国大型办公建筑能耗现状及能耗特点。

        我国大型办公建筑年均单位面积能耗为9.93kgce·m^-2，59.86%样本建筑能耗水平处于4~10kgce·m^-2之间，代表大多数大型办公建筑能耗水平，部分高能耗建筑年均单位面积能耗超过14kgce·m^-2，占总样本数量的16.33%。

        我国大型办公建筑电力消耗主要分布在15~152kWh·m^-2，平均值为74.87kWh·m^-2。对于办公建筑分项电耗，采暖空调耗电量明显高于照明插座耗电量，高于动力系统，特殊电耗占比最低，采暖空调节能潜力最高。

        办公建筑能耗除受围护结构、气候区等因素影响外，不同地区经济因素、建筑运行状态、服务功能等对建筑能耗影响也很明显。由于办公建筑用能系统较复杂、运行工况差异明显、能耗影响因素众多，再加上在设计、施工、使用及运行维护等环节的粗放式管理因素的不利影响，使得大型办公建筑的节能工作成为了一个系统的复杂工程，需针对具体建筑的使用特点，科学地进行能耗分析与节能诊断，合理选择低成本的节能改造方案，有效降低节能改造的风险、提高大型办公建筑节能改造的经济与社会效益。

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        备注：本文收录于《建筑环境与能源》2020年10月刊 总第37期（第22届全国暖通空调制冷学术年会文集）。版权归论文作者所有，任何形式转载请联系作者。