《上海市城市总体规划(2017—2035年)》提出上海市碳排放总量与人均碳排放量预计于2025年前达到峰值,至2035年控制碳排放总量较峰值减少5%左右。由上海市统计年鉴数据可以看到 ^[1],2017年上海市社会总能耗为11 858.96万t标准煤,建筑能耗占全社会总能耗的20%以上,其中,公共建筑能耗占建筑总能耗的60%以上。随着人们舒适需求的提高及建筑面积的逐年增加,公共建筑能耗仍呈现出较明显的增长趋势。为了实现能耗增速减缓,超低能耗建筑技术体系是未来发展的主要路径,需要建立适宜的超低能耗建筑技术体系。

　　 上海位于夏热冬冷地区,夏季炎热、冬季寒冷,有较长的梅雨季节,建筑节能技术体系需要同时考虑冬季保温、夏季隔热及春、秋过渡季节的通风问题 ^[2],居民有开窗通风习惯,用能特征以供冷为主,兼顾供暖 ^[3]。超低能耗建筑技术体系的建立需要结合气候特征和用能习惯,根据GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技术标准》 ^[4],超低能耗建筑的能耗水平应较国家标准GB 50189—2015《公共建筑节能设计标准》降低50%以上。以此为目标,建立充分适应气候特征和场地条件的超低能耗建筑技术体系,实现通过围护结构性能提升的被动式建筑设计,最大幅度降低建筑供暖、空调、照明需求,以及通过能源设备和系统效率提升的主动技术,最大幅度降低终端能耗。

　　 本研究以办公建筑为对象,采用正交设计开展多工况的能耗模拟和优化,选取最佳参数水平,建立适应本地气候特征的超低能耗建筑围护结构技术指标体系,并应用于示范工程,通过全年温湿度和能耗实测来验证该技术体系的实际效果。

　　 研究发现,与建筑能耗相关的主要参数有朝向、体形系数、窗墙面积比、传热系数、遮阳系数、新风量(换气次数)等 ^[5],而建筑热损失主要包括围护结构和通风热损失。围护结构热损失包括地下室顶板、外墙、屋面和窗户的散热 ^[6]。朝向、体形系数和窗墙面积比虽然对能耗影响显著,但属于建筑构造特征,并非热工性能参数。本文技术体系研究选取的指标对象是以外墙传热系数、外窗传热系数、遮阳系数和换气次数为代表的建筑围护结构性能参数。

　　 采用L9(3⁴)正交表来设计模拟工况,其中L是正交表的代号,9表示试验次数,4表示最多可安排4个因子,3表示主体有3个水平。如果采用全因素模拟,则需要3⁴=81次模拟,正交设计则可以在保证科学性的同时提高模拟效率。4个因子为外墙传热系数、外窗传热系数、遮阳系数和换气次数,各参数水平在DGJ 08-107—2015《公共建筑节能设计标准》 ^[7]基础上进行提升。

　　 极差R表示该因素在其取值范围内试验指标变化的幅度:极差大表明该因子对指标的影响大,称为主要因子;极差小表明该因子对指标的影响小,称为次要因子。某列因素水平所对应的试验指标值为K_i,在级别里试验指标最低(高)时即为该因子最佳水平。各因子的最佳取值组合即为最优组合,本研究中,级别里最小能耗数据对应的性能参数即为最佳水平。

　　 $R=\max {\rm K}{}_i-\min {\rm K}{}_i(1)$

　　 在试验指标中,有正向指标(指标值越大越好)和负向指标(指标值越小越好)。对于第i个正向(或负向)指标Y_i,第t次试验(t为试验号)测得的指标值记为Y_ti(t=1,2,3,…,n)(n为试验总次数),其中最小值记为Y_i(min),最大值记为Y_i(max),则指标Y_i的测量值Y_ti的极差化值Y′_ti可用下式计算:

　　 正向指标

　　 $Y^{\prime }{}_{ti}=\frac{Y{}_{ti}-Y{}_{i(\min )}}{R}=\frac{Y{}_{ti}-Y{}_{i(\min )}}{Y{}_{i(\max )}-Y{}_{i(\min )}}(2)$

　　 负向指标

　　 $Y^{\prime }{}_{ti}=\frac{Y{}_{i(\max )}-Y{}_{ti}}{R}=\frac{Y{}_{i(\max )}-Y{}_{ti}}{Y{}_{i(\max )}-Y{}_{i(\min )}}(3)$

　　 确定每个指标的权重,记为W_i,各指标的权重和为1。每次试验各指标的加权极差化值Y_t为

　　 $Y{}_t={\displaystyle \sum W}{}_i{Y}^{\prime }{}_{ti}(4)$

　　 依据计算得到的加权极差化值,采用单指标分析方法选取最优水平组合及进行因子重要性排序。

　　 办公建筑模型如图1所示,计算空调面积为8 521 m²,整体窗墙面积比为0.31,东、南、西、北立面的窗墙面积比分别为0.29,0.38,0.24,0.28。采用DesignBuilder软件计算建筑能耗值,模拟工况见表1,用能时间为07:00—19:00,人员密度为40人/楼层,人均新风量为30 m³/h。外墙、屋面、内墙传热系数分别为0.8,0.4,1.8 W/(m²·K)时的围护结构构造如表2所示,外墙通过调整聚苯板厚度、保温砂浆厚度来实现传热系数不同水平,外窗传热系数和遮阳系数的不同水平通过更改外窗构造得到,换气次数的不同水平通过在软件中设置通风换气次数实现。

　　 9个工况的负荷计算结果如表3所示,累计冷负荷、热负荷和全年负荷的极差计算结果如表4～6所示。极差值由各参数不同水平对应负荷的最大值减去最小值计算得到,极差的大小代表参数的影响力,对应最小负荷值的参数水平即为最佳参数水平,其组合即为在当前指标水平范围内的最优参数组合。由表4可以看出,外墙传热系数、外窗传热系数、遮阳系数、换气次数分别为1.0 W/(m²·K),2.0 W/(m²·K),0.3,1.2 h^-1时累计冷负荷最低,对累计冷负荷的影响排序为遮阳系数、换气次数、外墙传热系数和外窗传热系数。需要注意的是,由于本研究选取的换气次数水平相互差异较小,冷负荷计算结果表现出遮阳系数敏感性高于换气次数的现象,将来可补充研究在换气次数变化范围较大时对能耗的敏感性分析。由表5可以看出,外墙传热系数、外窗传热系数、遮阳系数、换气次数分别为0.6 W/(m²·K),1.6 W/(m²·K),0.5,0.4 h^-1时累计热负荷最低,其中换气次数影响最大,其次是遮阳系数、外墙传热系数和外窗传热系数。由表6可以看出,全年负荷的影响因子排序为换气次数、遮阳系数、外窗传热系数和外墙传热系数,外墙传热系数、外窗传热系数、遮阳系数、换气次数分别为0.8 W/(m²·K),1.6 W/(m²·K),0.3,0.4 h^-1时累计全年负荷最低,但是3个水平的外墙传热系数下全年负荷差异不明显,考虑到冬季保温、夏季隔热的需求,外墙传热系数应≤0.8 W/(m²·K)。冷负荷、热负荷和全年负荷的性能指标需求如表7所示。

　　 由表4～6可看出不同参数下负荷计算结果的变化趋势。夏季累计冷负荷随着围护结构保温效果的增强而升高,随着遮阳系数的减小而降低,原因是保温效果增强会影响夏季室内热量散发,增大建筑蓄热,冷负荷升高,遮阳系数降低意味着进入室内的太阳辐射减少,冷负荷降低;换气次数增大时,室内外换热增强,室内热量堆积减少,冷负荷降低。冬季累计热负荷随着围护结构保温效果的增强、遮阳系数的升高、换气次数的减小而降低。由此可看出,为了实现较低的热负荷,建筑需要更好的保温性能、更多的太阳得热和更高的气密性。由于冬、夏季的建筑保温需求相反,全年负荷随着外墙和外窗的保温性能变化不明显,遮阳系数和换气次数越小对全年负荷的降低越有利。

　　 结合正交优化得到的全年最佳围护结构指标方案,采用软件模拟计算得到全年供暖空调能耗为18.33 kW·h/m²,比GB 50189—2015《公共建筑节能设计标准》的计算值降低50%以上,满足超低能耗建筑指标要求 ^[4],因此将该组合作为实际工程围护结构性能的指标限值,为实现超低能耗提供技术支撑。

　　 项目位于上海市闵行区,主要功能设置为办公、员工就餐、地下停车,总建筑面积23 265.03 m²,其中地上部分6层,建筑面积9 127.92 m²。该示范项目在建设过程中,结合使用功能、结构形式、施工工艺和材料性能,在前面研究得到的围护结构性能指标基础上进行了优化调整,同时为了实现全年能耗的降低,采用了高性能多联机空调系统。围护结构和空调设备相关参数分别如表8,9所示,室内新风需求由机械通风和自然通风的混合通风方式提供。

　　 针对室内环境和空调能耗开展逐时监测,主要参数包括:室外温湿度、太阳辐射、室内温度、室内空气质量、室内机面板处回风温度、空调耗电量等,在线监测起始时间为2019年7月。通过安装气象站获取室外气象参数,监测时间间隔为15 min,多联机用电量监测时间间隔为30 s,室内温度监测时间间隔为15 min。逐时能耗监测数据如图2所示。

　　 选取2019年7月1日至2020年1月31日的监测数据进行分析。建筑中间层夏、冬季典型月的室内外温度实时监测数据如图3,4所示,夏季典型日和冬季典型日的数据如图5,6所示。可以看出,室内温度总体处于较舒适的水平。上班期间,夏季室内温度为24～26 ℃,冬季室内温度为20～25 ℃。下班空调关闭后,人员离开房间,电气设备关闭,无明显的散热散湿源,夏季室内外换热量较小,室内的冷量散失不明显,又无内热源,由于围护结构隔热性能较好,室内温度上升缓慢,下班后较长一段时间内仍处于较舒适的状态;而冬季虽然围护结构保温效果较好,但由于室内无其他散热源,随着时间的推移,室内温度逐渐下降,但总体在舒适范围内。

　　 由空调系统监测数据计算得到夏季、冬季典型月的单位面积电耗,如图7所示。典型月的累计供暖空调电耗为17.99 kW·h/m²,其中夏季典型月电耗为8.18 kW·h/m²,冬季典型月电耗为9.81 kW·h/m²。由于2020年2月未开启空调,无电耗数据,如果按照12月用能模式下的能耗5.77 kW·h/m²估算,全年供暖空调能耗为23.76 kW·h/m²,高于模拟计算值,同时能耗的季节分布和预期不完全相同,主要是由于实际用能模式和设计模式存在差异,体现在:1) 夏季尚未正式入住,空调按照热舒适需求开启制冷,室内无人员散热散湿和电器设备散热,实际负荷低于计算负荷。2) 11月正式入住后,冬季空调开启时,开窗通风现象比较普遍,为满足室内热舒适需求,需要适当提高空调设定温度,对冬季能耗影响较大。另外,由空调系统实测制冷/热量除以实测用电量分别得到夏、冬季空调性能水平,夏季EER为3.33,冬季COP为3.50,较高的性能参数对能耗的控制也起到了一定的支撑作用。为了进一步验证围护结构性能提升后的实际效果和技术的适应性,下一阶段需要研究从实际工况、实际用能模式推导出标准工况、标准用能模式下的电耗数据的回归计算方法。

　　 1) 在本文选取的参数水平范围内,围护结构性能指标对冷负荷的敏感性排序为:遮阳系数>换气次数>外墙传热系数>外窗传热系数;对热负荷的敏感性排序为:换气次数>遮阳系数>外墙传热系数>外窗传热系数;对全年负荷的敏感性排序为:换气次数>遮阳系数>外窗传热系数>外墙传热系数。

　　 2) 正交优化得到了围护结构全年能耗最优组合:换气次数0.4 h^-1、遮阳系数0.3、外窗传热系数1.6 W/(m²·K)、外墙传热系数0.8 W/(m²·K),实际工程中可根据需求对各参数水平进行权衡调节。

　　 3) 优化指标体系用于示范工程后,室内温湿度和能耗实测结果显示,冬、夏季达到室内热舒适时,7,8,9,12,1月的供暖空调耗电量总计为17.99 kW·h/m²,由于2月空调未开启,如果按照12月能耗水平类比,可估算全年供暖空调能耗为23.76 kW·h/m²,显著低于上海市办公建筑能耗平均水平,表明该技术体系节能效果显著,具有一定的可推广性。