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公建节能设计标准修订原则及方法研究
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【能源世界导读】:《公共建筑节能设计标准》是我国第一部针对公共建筑的节能专项标准,建立了从建筑室内热环境到建筑热工性能,再到暖通空调等用能系统的一套相对完整的公共建筑节能设计指标体系,对我国公共建筑节能工作起到了关键的指引作用。

  GB 50189《公共建筑节能设计标准》(以下简称《标准》)是我国第一部针对公共建筑的节能专项标准,建立了从建筑室内热环境到建筑热工性能,再到暖通空调等用能系统的一套相对完整的公共建筑节能设计指标体系,对我国公共建筑节能工作起到了关键的指引作用。该《标准》自2005年实施以来,我国建筑节能工作持续深入,新的建筑材料、新技术、新产品不断涌现,以及我国面临的能源形势,都对《标准》提出了新的要求。 
  全面提升公共建筑的节能设计标准是本次修订的基本要求,实现节能目标的同时还应满足室内环境质量及人们对室内舒适度日益提高的要求。此外,对公共建筑能效的提升还需要充分考虑我国不同气候区的建筑特点、不同类型公共建筑的能耗特征、建筑节能技术的适宜性和经济性以及相关产业的支撑能力。因此,如何兼顾上述要求合理确定修订原则,全面提升公共建筑的节能水平,在经济合理、技术可行的前提下,优化、确定标准修订的节能目标,是本次修订的核心工作内容,对推动公共建筑节能工作及新型城镇化建设的可持续发展具有重要意义。

  2005年版《标准》存在的主要问题
  重点条款分气候区、分建筑规模进行规定 
  我国地域辽阔,气候多样,经济发展不平衡。作为一部可操作的国家标准,应该充分考虑气候差异性和经济发展程度差异性。从北到南供暖能耗在公共建筑全年能耗中所占比例逐渐减小,而公共建筑空调能耗逐渐增加。因此,在不同气候区,围护结构热工性能对于全年建筑能耗的贡献比例不同,空调系统对于全年建筑能耗的贡献比例也有很大差异。2005年版《标准》在围护结构热工性能参数的规定中,分气候区给出差异性规定,很好地诠释了“气候设计”的原则。本次修订应该继续坚持这一思路,在空调系统能源系统性能的要求中同样分气候区进行规定。 
  另一方面,大型公共建筑通常功能复杂,能耗组成复杂,单位面积能耗强度大,能耗总量大;而单体建筑面积较小的公共建筑往往功能单一、用能系统及能耗构成相对简单。对不同体量的公共建筑规定相同的设计方法和设计资料,往往给单体面积小的公共建筑的设计带来大量烦琐的计算。单体面积小的公共建筑总面积比例很小,在全国范围公共建筑总能耗中占比低,因此,对其要求与大型公共建筑相同的设计计算过程意义不大,且影响设计效率;对于临时性建筑更是如此。本次修订应该吸纳“抓大放小”的思想,对公共建筑中的用能大户增加要求,对单体面积小的公共建筑简化要求。增加《标准》的合理性和可操作性。 

  2005年版《标准》的后台计算模型需改进 
  公共建筑种类繁多、功能复杂,单一建筑内存在多种功能,用能特征复杂。2005年版《标准》编制中后台能耗计算的模型主要根据办公建筑模型计算出各限值,应用于办公建筑,准确性和科学性较好,但对于在公共建筑中同样占比大的酒店、商场类建筑,应用中偏差较大。本次修订需要对2005年版《标准》编制的后台计算模型加以改进,一是需要丰富模型中公共建筑的种类,使得《标准》的各项技术指标能够代表更广泛的建筑类别;二是需要通过统计调研明确各类型公共建筑在全国范围内的面积占比情况,使得《标准》的计算模型可以真实反映我国公共建筑的整体情况。 

  减少围护结构热工性能权衡判断规定的漏洞 
  2005年版《标准》中允许当围护结构热工性能参数不能达到限值规定时,通过权衡判断的计算方法判别建筑整体热工性能是否符合标准的要求。这是一种性能化的评价方法,相对于核查围护结构各部位热工性能限值的规定方式,权衡判断通道更加灵活,允许性能薄弱的部位被性能好于标准要求的部位弥补,总体达到要求即算合规,为设计的多样性打开了一条通道。但由于2005年版《标准》条文的规定不够细致,在实施过程中暴露了一些问题,有时甚至成为钻空子的渠道。这些问题集中体现在以下几方面。 
  1)对方法本身和计算参数的理解存在差异。围护结构性能化评价方法对建筑模型各参数的规定不够具体,参数及运行策略如何设置也不明确,导致不同设计人员对建筑参数的理解不同,造成计算结果的差异。同时,2005年版《标准》未对实施围护结构权衡判断的设计项目提出热工性能限值要求的“门槛值”,也就是说任何不满足标准围护结构限值要求的建筑均可能通过权衡判断的计算调整到合规,这显然不合理。 
  2)计算App之间存在差异。2005年版《标准》规定权衡判断以建筑能耗模拟App为计算工具,但未对App的具体功能和类型进行明确要求。App内置参数和用户输入的参数没有规范、统一,造成同一设计项目使用不同App得到的计算结果不一致;甚至同一设计项目使用相同计算App,不同设计人员也可能计算得到不同结果,很大程度上影响了权衡判断的可靠性。 
  3)最终比较的物理量不够明确。2005年版《标准》规定围护结构热工性能的权衡判断最终比较的是参照建筑和实际建筑的供暖和空调能耗,但《标准》中未给出设备效率值,因此实际应用中往往比较的是建筑耗热量和除热量。这种情况下,将建筑冷热负荷的绝对值相加作为比较依据,物理意义不明确,也不合理。 

  2005年版《标准》的覆盖面需完善 
  2005年版《标准》中规定供暖、空调和照明计入建筑能耗的计算范围。但事实上,建筑给排水系统和电气系统的设置也会在很大程度上影响公共建筑的能耗。近年来随着各级政府对可再生能源建筑应用政策引导力度的加大,其对公共建筑节能的作用也应在《标准》中有所体现。 
  另外,2005年版《标准》中分气候区的规定没有将温和地区纳入,近年来公共建筑中多联机应用越来越多,因此在修订过程中需要增补和完善相应条文。 

  强制性指标的确定方法需改进 
  我国建筑节能标准中对重要建筑部品和设备的量化节能性能要求,现有方法主要依靠行业专家经验和已实施工程的数据,由于没有科学系统的分析方法,得出的定量指标缺乏具有说服力的计算依据。因此需要建立一种科学的优化分析方法,作为节能设计标准基本的分析工具,用于节能目标的确定及分解,以提高标准的科学性。 
  (国外建筑节能标准编制的方法及特点详情参看杂志全文) 
  2005年版《标准》受ASHRAE90.1影响较大。 

  修订原则及主要内容 

  修订原则 
  本次《标准》修订的出发点是满足国家对建筑节能的要求,全面提升公共建筑节能设计各项性能指标。《标准》的修编过程中,通过定量计算确定各项量化参数指标。扩展《标准》的覆盖范围,专业技术领域在原有供暖空调、照明能耗规定的基础上,增加对给排水系统和电气系统的用能要求;补充温和地区相关规定,实现《标准》对我国气候区的全面覆盖。对围护结构热工性能权衡判断等操作过程较复杂的技术点,加强操作细节规定,减少由于操编辑理解不同带来的结果差异。 

  修订的主要内容 
  1)实现建筑节能专业领域和我国气候区的全覆盖。专业领域涵盖建筑与建筑热工、供暖通风与空气调节、给水排水、电气、可再生能源应用,实现了建筑节能专业领域的全覆盖。增加了对温和地区建筑围护结构热工性能的规定。 
  2)建立典型公共建筑模型及数据库。 
  根据建筑业企业房屋建筑竣工面积数据(2009—2011年),整理得到8种类型建筑在我国不同气候区的分布权重。2005年版《标准》修订中对公共建筑围护结构热工性能和冷热源的能效等定量规定的计算均基于以上公共建筑不同类别、不同气候区分布的二维权重因子加权得出,更加科学合理,符合我国目前公共建筑的实际需求。 
  3)以动态基准评价法衡量节能量提升。以2005年版《标准》的节能水平为基准,结合不同气候区、不同类型建筑的分布情况,明确了本次修订后我国公共建筑整体节能量的提升水平。这种基于动态基准的节能率评价方法也符合目前国际习惯做法。 
  4)采用年收益投资比SIR(saving to investment ratio),SIR为使用某项建筑节能措施后产生的年节能量(折合成标准煤,单位为kg/a)与采用该项节能措施所增加的初投资的比值,SIR值即单位投资所获得的年节能量(单位为kg/a(元•a)))组合优化筛选法(简称SIR优选法)确定了本次修订的节能目标。SIR优选法是基于单项节能措施的优劣排序,构建最优建筑节能方案的系统性分析方法。本次修订首次采用犛犐犚优选法对节能目标进行了计算和分解,提高了指标的科学性。 
  5)全面提升围护结构热工性能强制性指标要求。与2005年版《标准》相比,由于围护结构性能提升,供暖、通风及空调能耗将降低4%~6%。对温和地区,增加了围护结构的限值要求。本次修订补充了窗墙面积比大于0.7情况下的围护结构热工性能限值,减少了因窗墙面积比超限而进行围护结构热工性能权衡判断的情况。 
  6)全面提高冷源设备及系统的能效强制性要求且分气候区进行规定。本次修订与2005年版《标准》相比,由于供暖、通风空调和照明等用能设备能效的提高可带来14%~19%的节能量。首次分气候区规定了冷源设备及系统的能效限值,增强了《标准》的地区适应性,提高了节能设计的可操作性。 
  7)改进冷水机组IPLV计算公式。为更好地反映我国冷水机组的实际使用条件,在大量调查和数据分析基础上,对冷水机组IPLV公式进行了更新。 
  8)增加建筑分类规定,抓大放小。将建筑分为甲、乙两类,简化单体建筑面积小的乙类建筑的设计程序,提高可操作性。对建筑高度超过150 m或单栋建筑地上建筑面积大于200 000 m2的大型公共建筑,增加专家论证的要求。 
  9)完善了围护结构热工性能权衡判断的相关规定。针对围护结构热工性能权衡判断在2005年版《标准》实施中暴露的问题,本次修订从2个方面入手:一是扩大限值规定覆盖的范围,补充了窗墙面积比大于0.7的情况,同时乙类建筑不再允许采用权衡判断;二是完善了权衡计算所需基础参数,统一了输入、输出参数格式,明确了权衡计算App的功能要求,明确以全年供暖和空调能耗之和作为判断标准并给出简化计算方法。此外,增设了权衡判断的“门槛”,即规定了各项参数必须达到的最低要求,保证了使用权衡判断的建筑的热工设计不至于存在太差的“短板”。 
  10)引入太阳得热系数SHGC替代原遮阳系数Sc作为衡量透光围护结构的性能参数,并给出了SHGC的限值。太阳得热系数和遮阳系数2个物理量存在线性换算关系。 

  《标准》节能目标的确定和分解 
  本次修订参考了发达国家建筑节能标准编制的经验,建立了代表我国公共建筑使用特点和分布特征的典型公共建筑模型数据库,并在此基础上开发了建筑能耗分析模型及节能技术经济分析模型;根据各项节能措施的技术可行性,以单一节能措施的年收益投资比SIR为分析指标,确定不同节能措施选用的优先级,将不同节能措施组合成多种节能方案;以节能方案的全寿命周期净现值NPV大于零为指标对节能方案进行筛选分析,进而确定各类公共建筑模型在既定条件下的最优投资与收益关系曲线,在此基础上,确定最优节能方案。根据最优节能方案中各项节能措施的SIR值,确定《标准》对围护结构、供暖空调系统以及照明系统各相关指标的要求。图1为节能目标及分解技术路线图。 
 
  节能目标及分解技术路线图 
  本次修订采用SIR优选法,根据我国实际情况,通过技术经济综合分析,确定了我国不同气候区典型城市不同类型公共建筑的最优建筑节能设计方案,进而确定了我国现有条件下公共建筑技术经济合理的节能目标,并将节能目标逐项分解到建筑围护结构、供暖空调等系统,最终确定了本次《标准》修订的相关节能指标要求。 
  SIR优选法的引入使得《标准》的制定迈入科学分析阶段,使《标准》对技术经济性的考量更充分,提升目标更加科学合理。

  结语 
  自2005年版《标准》颁布实施,2015年版《标准》的实际修订周期为10 a。因此,应缩短节能标准的修订周期,才能适应我国建筑节能飞速发展的现状以及建筑业节能减排任务的要求。同时,需要借鉴国外标准编制的成功经验,加强我国标准编制基础性研究工作。

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