【摘 要】本文重點研究了區域建築能源高效利用規劃方法，該方法綜合考慮了區域建築能源規劃的供需側因素。利用情景分析方法，得出我國典型城市的可再生能源利用目標與容積率/建築密度的關係；基於負荷平準化的目標要求，分別研究了辦公主導型、酒店主導型、商業主導型的建築群的功能配比；基於用能控制的目標，對建築群不同形態的節能潛力進行數值模擬對比研究。該方法對於我國需求側能源規劃具有重要的借鑑意義。
【關鍵詞】區域建築能源規劃 能效 優化
0 前言
在建設新型城鎮化、應對氣候變化的新時期，從規劃階段保障能源的高新利用是當務之急。目前，國內外關於區域建築群能源高效利用應用規劃技術方法的研究，主要集中在三個方面，即建築能源規劃方法的研究[1-5] 、城市形態與規劃節能的研究[6-10] 、可再生能源資源可利用潛力評估方法的研究[11-16] 。這些研究各自已有了一定程度的進展，但目前還沒有將三者研究成果很好的融合起來，共同指導規劃設計階段區域建築能效的提升。
本文重點研究區域建築能源高效利用規劃方法，本規劃方法著眼於能源供應側和需求側兩個角度，其中又以能源需求側的規劃設計方法為主。重點研究的內容包括目標導向的太陽能高效利用規劃邊界條件、基於負荷平準化的區域建築功能優化和基於用能控制的建築形態節能潛力優化的相關內容。研究成果以期為需求側區域建築能源規劃提供技術參考。
1 目標導向的可再生能源利用規劃邊界條件優化
1.1 太陽能資源潛力利用率計算方法
在相關文獻研究基礎上[14] ，構建了區域建築太陽能光熱利用率計算方法，如表1所示。
1.2 典型城市太陽能資源利用率規劃邊界條件
（1）情景設定
我國地域廣闊，各個城市的太陽能資源狀況差別較大，海爾濱、北京、上海、廣場、重慶和拉薩六大典型城市涵蓋了所有氣候區和資源分佈區，其月總輻射量見圖1所示。利用情景分析法開展區域建築能源資源利用邊界條件研究，其情景設點如圖2所示。
（2）分析結果
基於區域建築太陽能光熱利用計算方法和情景設定，對我國典型城市的太陽能光熱利用規劃條件進行了分析，具體分析結果如圖3。以上海為例，則在居住建築群規劃設計階段，如果要實現由可再生能源提供的生活熱水比例為50%的目標，在情景1下，其建築群的容積率/建築密度的取值要小於等於20；在情景2下，其建築群的容積率/建築密度的取值要小於等於26；在情景3下，其建築群的容積率/建築密度的取值要小於等於32。
基於區域建築太陽能光伏利用計算方法和情景設定，對我國典型城市的太陽能光熱利用規劃條件進行了分析，具體分析結果見圖4。以上海為例，在辦公建築群規劃設計階段，如果要實現由可再生能源提供的電量比例為1%的目標，在情景1下，其建築群的容積率/建築密度的取值要小於等於10；在情景2下，其建築群的容積率/建築密度的取值要小於等於14；在情景3下，其建築群的容積率/建築密度的取值要小於等於18。
這些分析結果可以有效指導規劃設計師來進行居住建築群的規劃設計，為區域規劃的相關參數的確定提供數據支撐。
2 基於負荷平準化的區域建築功能配比優化
2.1 典型建築負荷曲線
通過收集了上海辦公、商業和酒店建築完成一年的電耗數據，分析逐月單位面積電耗與空調能耗，如圖5所示。同時利用能耗模擬軟件建立典型辦公建築、商業建築和酒店建築模型，並通過模擬能耗與實際能耗的對標，保障誤差在15%的情況下通過修正得到典型建築模型，並通過模擬得到典型建築的負荷曲線，如圖5所示。為建築群負荷平準化的節能潛力研究提供基礎。
2.2 區域建築負荷平準化的節能潛力
負荷平準化就是要求負荷穩定、均衡地出現，避免負荷峰、谷、平的大幅度轉換，從而保障設備在高效階段進行運行。通過城區或建築群的規劃配合，佈局混合社區，實現負荷平準化是建築群能源資源高效利用的研究方向之一。本文利用典型建築負荷曲線的相關研究，針對辦公主導型、酒店主導型、商業主導型等區域建築的功能業態，各建立三種業態配比的情景模型，用於指導規劃設計階段用能定額控制下的功能配比分析。
辦公主導型的建築群的功能配比主要為三種情景，辦公：商業：酒店的比例分別為5:3:2、6:2:3和7:1:2，具體分析如圖7（a）所示；其中以混合3功能配比的負荷峰值最低，即辦公、商業、酒店的面積配比以7:1:2，可以有效降低建築群峰值負荷。商業主導型的建築群的功能配比主要為三種情景，辦公：商業：酒店的比例分別為2:5:3、1:6:3和2:7:1，具體分析如圖7（b）所示；其中以混合1功能配比的負荷峰值最低，即辦公、商業、酒店的面積配比以2:5:3，可以有效降低建築群能耗。酒店主導型的建築群的功能配比主要為三種情景，辦公：商業：酒店的比例分別為3:2:5、2:2:6和2:1:7，具體分析如圖7（c）所示。其中以混合3功能配比的負荷峰值最低，即辦公、商業、酒店的面積配比以2:1:7，可以有效降低建築群能耗。
因此，基於對典型建築模型及負荷曲線的研究，通過情景分析法構建典型建築群的方法來模擬建築群的負荷曲線，通過調整建築群功能配比及建築面積的配比，可以得到不同功能配比下的建築群負荷曲線，以負荷平準化的標準來評判，為規劃設計師進行區域經濟性指標編制時提供技術參考。
3 基於區域能源系統用能總量控制的建築群形態節能潛力優化
3.1 各種建築形態簡化模型
我國上海地區典型區域建築形狀調研，如圖8所示，由各類區域建築形狀統計結果可以看出，建築形狀以矩形建築為主，則下文將以矩形建築為區域建築的基本形狀，建立區域建築形態負荷預測模型。
在給定的用地面積和容積率條件下，建立四類常見的辦公建築、酒店建築的形態簡化模型，簡化建築形態模型如表2和圖9所示，其中設計參數按照《公共建築節能設計標準》的要求來選取參數，其中模擬分區是內部全部按照辦公室和酒店房間的性質來設定，其他參數按照軟件默認參數來設計。
3.2 各種建築形態負荷模擬結果分析
在給定的容積率條件下，對常見的四種辦公建築規劃形態進行冷熱負荷對比，對單位面積冷負荷和熱負荷進行分析（見圖10）。計算結果表明單位面積冷負荷由大到小的排序為： 形態1>形態2>形態3>形態4；單位面積的熱負荷由大到小的排序為：形態2>形態1>形態4>形態3。
在給定的容積率條件下，對常見的四種酒店建築規劃形態進行冷熱負荷對比，對單位面積冷負荷和熱負荷進行分析（見圖11）。計算結果表明單位面積冷負荷由大到小的排序為： 形態1>形態3>形態2>形態4；單位面積的熱負荷由大到小的排序為：形態2>形態1>形態4>形態3。
因此，在夏熱冬冷地區，不論辦公建築還是酒店建築，形態1的全年單位面積累計冷負荷最大，形態4的全年單位面積累計冷負荷最小；形態2的全年單位面積累計熱負荷最大，形態3的全年單位面積累計熱負荷最小。
4 區域建築能效提升規劃設計方法
基於前面的研究，區域建築能源高效利用規劃方法主要包括三大步驟（見圖12），第一是以可再生能源利用為目標，通過目標導向的可再生能源利用規劃邊界條件的研究，得到區域建築適宜的容積與建築密度等相關參數；第二是以功能混合實現負荷平準化為目標，通過基於負荷平準化的區域建築功能配比優化方法的研究，獲得適宜的區域建築功能及比例範圍；第三是以建築形態實現負荷最低為目標，通過基於區域能源系統用能總量控制的建築形態節能潛力優化，得到適宜的區域建築形態及佈局。通過以上分析獲得的適宜的容積率、建築密度、建築功能及配比、建築形態等參數，從而形成具有能源高效利用潛力的區域建築規劃設計方案，為區域建築的規劃提供相關參考。
5 總結
研究了以目標導向的可再生能源利用規劃適宜邊界條件，得到了全國典型城市的太陽能光熱和光伏利用率與容積率和建築密度之比的關係，容積率和建築密度之比越小，越有利於可再生能源利用目標的實現。
研究了基於負荷平準化的建築群功能配比優化，利用情景分析方法分析了不同功能主導下的建築群的負荷曲線圖，以負荷平準化為評估角度給出了適宜的功能配比值，如辦公主導型的建築群的功能配比以辦公、商業、酒店的面積配比以7:1:2，可以有效降低建築群峰值負荷；商業主導型的建築群的功能配比辦公、商業、酒店的面積配比以2:5:3，可以有效降低建築群能耗；酒店主導型的建築群的功能配比辦公、商業、酒店的面積配比以2:1:7，可以有效降低建築群能耗。
研究了建築群形態節能潛力優化，建立的四種建築群形態，利用軟件模擬的方法對其負荷進行了分析，得出在上海地區，圍合類的建築群的綜合負荷率最低。
本文重點研究了區域建築能源高效利用規劃方法，研究形成了區域建築能源高效利用規劃設計方法，為區域建築能源高效利用規劃提供支撐。
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備註：本文收錄於《建築環境與能源》2018年10月刊總第15期（第21屆暖通空調製冷學術年會文集）。
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