湖南大學  潘曉 陳毅興 鄧章 陳志華

       【摘  要】本文首先對長沙地區41棟商場建筑的幾何特征、內部功能分區及占比、冬季室內溫度等展開了詳細調研。調研結果顯示商場建筑平均地下有一層為停車場，地上五層，樓層高4.7米，窗墻比0.35，其中服裝配飾占27.2%，中庭走廊占22.3%，停車場占16.5%，餐飲區占13.6%，辦公區域占8.7%，超市占4.9%，兒童個護占3.9%，影城占2.9%，和冬季室內平均溫度在21.5±1.5℃。本文接著根據統計的典型特征參數值，結合相關建筑節能、熱工設計規范與標準，使用SketchUp OpenStudio Plugins和OpenStudio軟件初步搭建了典型商場建筑能耗模型。該模型的運行作息由某一商場建筑的逐時實測數據聚類所得。該模型的單位面積年能耗為170.8kW·h /(m²·a)，與調研的商場平均能耗水平226. 9kW·h /( m²·a)相差較大，但還在可信范圍之類。今后將繼續調研更多的數據，同時改進典型能耗模型。

       【關鍵詞】商場建筑，特征參數調研，典型能耗模型，EnergyPlus動態模擬

1 引言

       我國大型公共建筑的能耗密度為70-300 kWh/(m²·a)，是住宅建筑的10-20倍，是建筑能源消耗的高密度領域^[1]，隨著城市化進程的加速和人民生活質量的提高，建筑能耗仍將持續上升。商場建筑與其他建筑相比往往具有體量較大、空間集中、人流量大，對建筑熱舒適要求較高，供熱、供冷時間長、能耗密度大等特點，是公共建筑中能耗高、易產生能源浪費的一類建筑。我國購物中心總存量近五年平均增速23%，2019年達到4.2億平米^[2]，研究商場建筑的能耗特點對2050年實現“碳中和”具有重要意義。調研既有商場建筑與能耗相關的特征參數，對于搭建商場的典型建筑能耗模型、了解商場建筑的能耗特點十分必要。

       一方面對不同地區的商場建筑進行調研可以了解商場建筑的能耗水平^[3]、節能改造空間^[4]，建立能耗預測模型^[5]、分析商場建筑的能耗影響因素^[6]、提出各種節能改造、優化措施等^[7,8]。另一方面很多研究人員通過調研統計得到的商場建筑特征參數的典型值，作為商場建筑能耗模型的輸入參數，如陳智博等人^[9]參照《公共建筑節能設計標準》、《民用建筑熱工設計規范》等，針對辦公樓、商場、酒店類型建筑進行建模。桂晨曦等人^[10]基于相關規范標準、問卷調研結果、實際采集數據和工程案例構建了一套北京地區的典型建筑模型，有助于相關節能政策的制定、修改和評估。Lv等人^[11]調研統計了珠江三角洲200多座商業建筑的尺寸、形狀、方位、圍護結構參數以及內部空間分布等基本信息，確定最具代表性的值，建立了珠三角地區統一的典型商業建筑模型，從而為建筑性能和室內環境質量的模擬研究提供標準。建筑特征參數調研不僅能夠了解商場建筑的能源利用現狀和特點，而且特征參數的統計分析結果作為建筑能耗模型更真實、準確的輸入，還能得到具有廣泛代表性的典型能耗模型。

       本文首先通過文獻調研、地圖街景調研、實地測量等方式獲取了長沙地區41棟商場建筑的幾何參數（長、寬、樓層高、樓層數等）、主要功能分區占比、窗墻比等建筑能耗相關特征參數。然后提取分析特征參數的典型值，利用SketchUp OpenStudio Plugins和OpenStudio建立一個長沙地區的典型商場建筑能耗模型，為今后城市尺度的建筑群能耗模擬提供模型基礎。

2 研究方法

       圖1為本研究的技術路線圖，通過大量調研收集商場建筑的特征參數信息，提取長沙地區商場類型建筑的能耗水平、幾何特征、內部主要功能分區、室內參數設定等，并根據調研統計所得的典型值、國內建筑節能、熱工設計等相關規范探討搭建EnergyPlus能耗模型的方法。

圖1 研究技術路線

       2.1 商場特征參數調研

       為了清楚的了解長沙地區商場建筑的能耗現狀，我們通過長沙市能耗監測平臺統計了3 棟商場近3年的平均能耗水平為170 kWh /( m²·a)，通過文獻調研獲取了長沙及其他地區商場建筑的年能耗狀況，如表1所示，這些商場的能耗水平在100 kWh/(m²·K）—300 kWh/( m²·K）之間，2016年長沙地區商場的年平均能耗指標為226. 9kW·h /( m²·a)，商場之間能耗水平差異與商場的規模、內部不同功能分區占比、是否采用節能技術、優化控制策略等有關。

表1 不同地區商場建筑的能耗水平統計

 

       我們對長沙地區40棟典型商場建筑展開了調研，調研數據大致分為三類：建筑的基本幾何參數、室內參數值的設定以及主要的功能分區及占比。通過已經獲得的長沙市GIS建筑矢量數據信息圖2（a）和高德、百度室內地圖圖2（b）確定建筑的樓層面積、長、寬等幾何信息以及功能分區占比，通過實地調研確定建筑的樓層數、層高和窗墻比、并驗證了主要的功能分區及占比信息。

（a）           （b）
圖2 (a)某商場的GIS輪廓 (b) 高德地圖商場內部分區
表2  12棟商場建筑幾何參數及功能分區統計


圖3 商場建筑的典型樓層面積、樓層數、層高統計

       對40棟商場建筑的調研結果進行統計，得到這些商場面積分布在10000m²-210000m²之間，商場層數在1-12層之間，地上樓層數在4-10層之間，地下一般為1-3層，其內部有服裝配飾、餐飲、超市、個人護理、停車場、影城、中庭、培訓機構等主要的功能分區。如圖3所示，對40棟商場建筑的典型樓層面積、樓層數、層高進行進行統計分析，得出長沙地區一個典型的商場建筑地上大概有5層，地下2層，典型樓層高4.7米，樓層面積為16837m²。表2中統計了12棟商場建筑的部分幾何信息和功能分區，商場主要的功能分區有超市、服裝配飾、餐飲、童玩個護、培訓辦公、影院、停車場、走廊中庭等，其中服裝配飾、公共區域以及停車場相對于其他功能區的面積占比往往較大。

       對40棟商場建筑的窗墻比的統計結果顯示，這些商場的窗墻比在0.15-0.7之間，平均水平為0.35，調研過程發現大型商業建筑由于單層面積和面寬,、進深都比較大，更加追求外立面的一體化設計、內部空間的靈活劃分和高效利用，再加上自然采光無法滿足商場中心區域的照明需求，所以幾乎不設窗戶，此類商業建筑的窗墻比往往較小。調研過程中發現冬季商場內部具有明顯的煙囪效應，導致各個樓層之間有溫度差異商場的頂層和底層形成了明顯的溫差，同一功能分區在不同的樓層也會有明顯的溫度差異，我們使用溫濕度和CO₂濃度儀、照度計在商場進行布點，表3統計了12棟商場一月份不同樓層各功能分區的溫濕度、CO₂濃度以及照度的平均值，作為典型建筑能耗模型的冬季室內設定參數。

圖4 商場建筑的窗墻比
表3 冬季商場內部不同功能分區室內參數調研

       2.2 典型數據匯總

       根據調研統計，長沙地區典型商場建筑一般有6層，地上5層，地下1層，典型樓層長185m，寬98m，面積約為17000m²，窗墻比平均在0.35，典型樓層高4.7m，冬季室內設定溫度在20-23℃之間，夏季室內設定參數為25℃，主要有8個功能分區，面積占比如圖5所示；商場的平均能耗水平為226. 9kW·h /( m²·a)。

圖5 典型商場主要功能分區及占比
表4 商場建筑典型特征參數匯總

       2.3 典型商場建筑能耗模型搭建

       根據調研所得的商場建筑的室內設定參數、幾何參數、功能分區的典型值作為輸入，使用SketchUp、OpenStudio進行建模,利用EnergyPlus進行模擬計算。該模型總建筑面積為108780m²，地上5層，地下1層，營業時間為10:00-22:00，商場內主要有服裝配飾、餐飲、走廊中庭等公共區域等8個功能分區，面積占比按照圖5設定。

圖6 典型商場建筑能耗模型示意圖

       利用K-means算法對已知部分商場照明、設備的逐時能耗進行聚類分析，通過誤差平方和（Sum of the Squared Errors）、輪廓系數（Silhouette Coefficient）、DB指標（Davies-Bouldin Index）來判斷最佳聚類數K值，以獲取商場照明、設備典型的用能模式如圖7、8所示；圍護結構的熱工參數值按照DBJ 43 003-2017 《湖南省公共建筑節能設計標準》進行選取選擇。

       設定商場為全空氣空調系統，冷源為離心式冷水機組，熱源采用燃氣鍋爐，末端使用風機盤管送風。冬季空調設定參數為21.5℃±1.5℃，夏季室內空調設定參數參考DBJ 43 003-2017 《湖南省公共建筑節能設計標準》，取25℃。 

圖7 照明用電典型負荷曲線

圖8 設備用電典型負荷曲線

3 典型商場能耗模型結果分析

       根據典型商場的EnergyPlus能耗模型計算結果，典型商場建筑年能耗指標為170.8kW·h /(m²·a)，該能耗水平和從長沙數據能耗監測監測平臺獲取的三棟商場近三年年平均能耗水平相差0.4%，能耗水平基本一致。而與文獻調研中長沙地區2016年商場建筑年能耗水平相差較大，但在可信范圍之內，初步預測模型計算結果與調研的平均能耗指標差異可能與設備更新、節能以及優化控制技術的引進等各種因素有關，后面還會搜集其他商場建筑的年平均能耗水平對此進行探討分析。

圖9 典型建筑能耗模型的逐月電耗指標

4 結論

       通過調研，我們統計得到典型商場建筑樓層面積約為17000m²，地上5層，地下1層，層高4.7米，窗墻比平均為0.35，冬季室內設定溫度為21.5±1.5℃，按照GB50189-2015《公共建筑節能設計標準》，夏季室內空調設定參數25℃；功能分區主要有服裝配飾、餐飲等8種類型，其中服裝配飾占27.2%，中庭走廊占22.3%，停車場占16.5%，餐飲區占13.6%，辦公區域占8.7%，超市占4.9%，兒童個護占3.9%，影城占2.9%。據此初步搭建了典型商場建筑的EnergyPlus能耗模型。模擬計算出該典型模型的年能耗指標為170.8KWh/(m²*a)，空調、照明以及設備能耗占比分別為34%、34%、32%，與調研所得長沙地區商場建筑的用能特征一致。

       大量的商場建筑參數信息調研能夠了解商場建筑的幾何特征、能耗特征以及不同功能分區占比情況，通過統計得到這些參數的代表性數值，有助于研究典型商場建筑能耗模型。目前調研統計數據量小，數據不夠全面，僅在長沙地區具有一定參考價值，未來可能建立地區的建筑信息數據庫，統計出地區建筑參數的真實值，使典型建筑研究有更明確的參考標準，使建筑的能耗模擬更加規范、可靠、更具參考價值。

       此外由于商場不分工作日和節假日全年運行，每天運行時段相同，每日逐時分項電耗數據的聚類結果表明在空調運行期間有較為明顯的不同類型的負荷曲線，如果能夠確定產生負荷差異的關鍵因素，如季節、工作日與非工作日等，得到更加優化的作息時間表作為EnergyPlus模型的輸入，會使模擬結果更加準確。

參考文獻

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       備注：本文收錄于《建筑環境與能源》2021年4月刊 總第42期（第二十屆全國暖通空調模擬學術年會論文集）。版權歸論文作者所有，任何形式轉載請聯系作者。