摘要：通过利用DeST软件建立规划阶段典型办公建筑模型，并对模拟结果进行准确性分析这一过程，将“正向模拟法”与“数据驱动法”相结合用于获得规划阶段典型建筑负荷，为区域能源规划奠定基础。
关键词：办公建筑；DeST模拟；能源规划
Discussion on verifying accuracy of DeST simulation results in planning stage
Wu Yiwen 1 Liu Qian 2
1.Beijing University of Civil Engineering and Architecture Beijing 100044
2.Beijing Urban Planning and Technology Service Center Beijing 100045
Abstract: By using DeST software to build typical office building model in planning stage，we summarise and analyse the simulation results’ accuracy. We combined “the forward simulation method” and “the data-driven method” to obtain the typical building load in the planning stage,which prepared the ground for regional energy planning .
Key words: Office building； DeST simulation；energy planning
近年来，区域建筑能源规划发展迅速，该规划在控制性详细规划阶段介入，主要有以下五点作用：一是保障能源供应安全；二是在大尺度空间下充分利用自然资源；三是通过对不同类型建筑结合其地理位置进行合理的供能分区以平抑峰值负荷进而降低运行能耗；四是适时推进成熟的节能减排技术在区域供能系统中的应用；五是做好区域能源供应设施用地在空间上的预留。负荷预测作为区域能源规划的基础，其准确性直接影响设备选型、系统运行方案、节能减排效果。本文将以办公建筑为例，探讨在规划阶段采用DeST模拟典型办公建筑负荷结果的准确性及判断方法。
一、负荷模拟方法概述
负荷预测的目的是获得建筑的逐时负荷及负荷指标。[1]在规划阶段建立各类建筑模型，不要求很精确，但一定要考虑多种情景（规划建设规模、建筑使用功能、供能系统运行方式）以及部分负荷下的工况。在情景设置中要参照国家及地方的建筑节能标准，采用常规空调系统形式（风机盘管+新风，制冷剂+锅炉系统），依据当前技术工艺水平，调整模型参数和情景设置使建筑模型能耗接近地区同类型建筑能耗基准。[2]
ASHREA手册将能耗模拟方法分为两大类，一类是“正向模拟法”另一类是“数据驱动法”。正向模拟法由4个模块构成：负荷模块、系统模块、设备模块和经济模块。数据驱动法是利用已有的建筑能耗数据建立模型。[3]DeST软件基于“分段模拟”的理念，实现了建筑物与系统的连接。该软件以自然室温为桥梁，联系了建筑物和控制系统，并将实际设计过程的特点和逻辑纳入，进行分阶段模拟，最后采用理想控制概念处理后续阶段的部件特性及控制效果，从而得到客观的评价结果。[4]DeST软件基于AutoCAD开发，用户界面非常友好，结果以Excel报表形式输出，易于操作与理解。
本文将以办公建筑为例，采用DeST软件建立北京地区典型办公建筑模型，并对模拟结果准确性验证的方法进行探讨。
二、典型办公建筑DeST模型设置
商务办公建筑是目前国内大型城市中最常见的办公建筑之一，商务办公建筑平面图多呈近正方形，建筑设有内区（内区全年供冷），楼层较高，建筑面积可达2万～5万平方米。商务办公建筑一般设有会议室、办公室、卫生间、员工餐厅和地下停车场等配套设施，功能较全面。[5]根据现阶段北京市办公类建筑常见限高要求及容积率取值范围，建立本地区典型办公类建筑。该建筑南北朝向，总建筑面积为15652平方米，其中：地上部分总建筑面积约为13035平方米，地下部分总建筑面积2616平方米，地上15层（6～14层为标准层），地下1层。
北京地区供暖期从每年11月15日至次年3月15日；建筑供冷期设置为每年5月15日到9月15日。空调系统采用风机盘管加新风（空调面积占总建筑面积比例约为0.84；人均办公面积约为12平方米；人均新风量约为17.36立方米/小时）。该办公建筑围护结构热工参数根据《公共建筑节能设计标准》（GB50189-2015）及《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB50736-2012）确定，详见表1。
表1、典型办公建筑建筑热工性能设定
由表1可知，笔者尽量将该办公建筑的热工性能设定值设置为限值下限，这样做的好处是，使模拟结果更接近该建筑的能耗限值。
照明耗电作为建筑能耗的重要组成部分，同时也是室温的重要热扰之一，应予以重点关注。本文中典型办公建筑照明用电根据《建筑照明设计标准》GB50034-2013设置，详见表2。
表2 办公建筑照明功率密度限值
图1、典型办公建筑模拟示意图
三、热负荷模拟结果及准确性验证
根据武雅琼等人的研究结论可知，对同一幢办公建筑，采用不同的供热运行方式将会影响建筑采暖能耗。[6]本文将分别对间歇供暖与连续供暖，进行办公建筑的动态热负荷模拟。为进一步研究办公建筑的典型日负荷特性，参考供暖室外计算温度定义确定供暖期典型日。供暖室外计算温度采用历年平均不保证5天的日平均温度。由于空调房间的温湿度要求高于供暖房间，因此不保证的时间也应小于供暖温度所对应的时间。同时，由于在规划阶段尚不能确定供暖末端所采用的形式，但考虑到目前可再生能源由于其能源品位较低，供回水温度相对较低这一特性，为便于利用可再生能源，居住建筑最好采用空调末端或地板辐射采暖。且考虑未来随着人们生活水平的提高，对室内环境品质要求的提高，因此，本次参考冬季空调室外计算温度的选取方法选取冬季典型日。冬季空调室外计算温度采用历年平均不保证1天的日平均温度。根据统计结果，确定冬季典型日为1月17日，日平均温度为-8.84℃。
（一）连续供暖运行模拟
供暖期内，该方案采用24小时不间断运行。模拟结果详见图2、3。
图3、办公建筑1月17日热负荷变化情况示意图（连续运行）
（二）间歇供暖运行模拟
供暖期内，该方案采取周一至周五7：00至20:00维持冬季房间室内设计温度18～20℃，其余时间段根据2017年，北京市城市管理委员会关于落实公共建筑供热节能运行管理的通知，按要求采取保温运行。模拟结果详见图4、5。
图5、办公建筑1月17日热负荷变化情况示意图（间歇运行）
通过模拟结果可知，在供暖期典型日，办公建筑供热系统连续运行可以削减间歇运行初始时刻的热负荷峰值，典型日连续运行最大热负荷41.87瓦/平方米，采用间歇运行后，典型日最大热负荷增至75.03瓦/平方米。供暖季连续运行累计耗热量44909.22（瓦·时）/（平方米·年），采用间歇运行后，累计耗热量降至29403.63（瓦·时）/（平方米·年），供热系统供暖季间歇运行总能耗大幅低于连续供暖运行总能耗。
（三）热负荷模拟结果准确性验证
对模拟结果准确性的验证是判断典型建筑建模是否准确的关键。笔者认为“数据驱动法”中的统计回归预测法，可以作为验证模拟结果正确与否的重要标准，情景分析法能够通过研究日负荷的变化趋势，判断其所得结果是否符合实际建筑特性。
在区域能源规划中，典型日负荷情况是设备选型的重要标准，将模拟得到的典型日负荷指标与设计标准进行对比，可以验证模拟设计负荷结果的准确性。根据《市政基础设施专业规划负荷计算标准》（DB11/T1440-2017），办公建筑采暖热指标为45瓦/平方米，扣除5%二次管网热损失，办公建筑采暖热指标为42.7瓦/平方米，与连续供暖典型日高峰时负荷模拟结果41.87瓦/平方米偏差约为2%。间歇供暖在典型日7:00～20:00间平均热负荷为34.46瓦/平方米，与连续供热相比，实际热负荷仅为设计热负荷的0.7～0.8倍，即34瓦/平方米接近，这与调研结果所呈现的规律是一致的。
对比连续供热与间歇供热负荷曲线，发现，两条曲线除夜间段外，趋势趋于一致，连续供暖负荷随室外温度降低而增高，间歇供暖在夜间段由于采取保温运行，因此，所需热量大大降低，这与实际情况相吻合。
根据模拟结果，供暖季连续运行累计热负荷44909.22（瓦?时）/（平方米?年），折0.162吉焦/（平方米?年），供暖季间歇运行累计热负荷29403.63（瓦?时）/（平方米?年），折0.106吉焦/（平方米?年）。根据空调面积占总建筑面积比，对模拟值进行修正，连续运行累计热负荷约为0.19吉焦/（平方米?年），与《民用建筑能耗标准》（GB/T51161-2016）及北京市固定资产投资项目节能评估和审查数据统计结果目标修正值0.197吉焦/（平方米?年）相接近。间歇运行累计热负荷为0.126吉焦/（平方米?年）， 是由于采用间歇运行后，降低了建筑周六日及夜间的热负荷，大大降低了供热系统折满载小时数，根据室内供暖温度与供暖时长折算，连续供暖耗热量约为间歇供暖的2倍。综上所述，DeST模拟办公建筑供暖季热负荷结果准确，该建筑热负荷可以作为典型办公建筑热负荷参考值。
四、冷负荷模拟结果及准确性验证
（一）冷负荷模拟结果
供冷方案采取，供冷期内周一至周五7:00至20:00连续供冷，夏季房间室内设计温度26～28℃，人均新风量14～30立方米/（人?小时）。供冷期按5月15日到9月15日，共计2976小时。夏季空调室外计算干球温度采用历年平均不保证50小时的干球温度。根据统计结果，50个不保证小时出现在16天，出现较多不保证小时数的天数在5天左右，因此，参照夏季空调室外计算日平均温度历年平均不保证5天的日平均温度的选取办法，确定6月21日为供冷季典型日。冷负荷模拟结果详见图6、7。
图7、办公建筑6月21日冷负荷变化情况示意图
（二）冷负荷模拟结果准确性验证
根据《城镇供暖管网设计规范》（CJJ34—2010），办公建筑冷负荷指标为80～110瓦/平方米，该负荷指标为瞬时指标，结合空调面积占总建筑面积百分比，室内空调设备同时使用系数0.8～0.9，得到修正后的办公建筑冷负荷指标为53.76瓦/平方米～83.16瓦/平方米。根据模拟结果可知，8月2日15:00为供冷季冷负荷最大小时，冷负荷为71.81瓦/平方米；供冷季典型日6月21日15:00为当天冷负荷最大小时，冷负荷为40.5瓦/平方米。模拟供冷季典型日结果与建筑设计单位常用冷负荷指标低限相差24%，但供冷季最大冷负荷模拟结果位于建筑设计单位常用冷负荷指标范围内，这与实际工程中，设计指标取值偏大的现实情况一致，因此，笔者认为模拟结果比较接近建筑真实情况。
目前，在能耗统计中，将建筑供冷季耗冷量体现在建筑供冷耗电量中，因此，本文将通过研究模拟得到的空调耗电量进而判断供冷季耗冷量模拟结果是否准确。
五、电负荷模拟结果及准确性验证
（一）电负荷模拟结果
根据相关规范及样本以及DeST提供的ES（Eneryg System）系统，对电梯、插座、水泵等设备进行协助选型。电负荷模拟结果详见图8、9。
图9、8月1日办公建筑逐时电负荷示意图
（二）电负荷模拟结果准确性验证
通过对模拟空调用电结果与模拟冷热负荷结果的研究，该空调系统冬季COP约在2.82下运行，夏季EER约在3.18下运行。8月1日高时用电负荷为779.50 千瓦时，折50瓦/平方米，根据《市政基础设施专业规划负荷计算标准》（DB11/T1440-2017），模拟结果在公共管理与公共服务用地指标36～60瓦/平方米范围内。通过对模拟结果与实际统计数据的对比，可以看出不论从单位建筑面积指标对比，还是从人均能耗方面进行对比，模拟结果与统计结果均相近。按面积指标对比结果偏差均小于15%，按人均指标对比结果偏差均小于30%，这是由于统计值为按照人均面积10平方米计算，而模拟办公建筑人均面积约12平方米，因此，导致模拟的人均能耗较模拟的单位面积建筑能耗，分别相对其统计值偏差有所增加。
表3、典型办公建筑能耗模拟与统计值对比表
六、结论与展望
本文利用DeST软件建立了规划阶段的典型办公建筑模型，并根据相关规范及统计数据，同时辅以情景分析法，对模拟的峰值负荷及建筑能耗进行了准确性验证，提供了将“正向模拟法”与“数据驱动法”相结合建模的思想。根据这一方法，可以在规划阶段较好的建立各类型典型建筑，为区域能源规划的负荷预测迈出扎实的一步。
未来，根据这类模拟结果，可以进一步合理划分区域能源供能分区，对不同类型建筑间进行负荷平抑，提高供能系统技术经济性，实现节能减排目标。
参考文献：
[1]刘海静.区域建筑群负荷预测及其平准化分析.[J].暖通空调,2017年,第47卷（第4期）.14～18页
[2]龙惟定.城区需求侧能源规划中的几个关键问题.[J].暖通空调,2017年,第47卷（第4期）.2～9页
[3]建筑能耗模拟及eQUEST&DeST.天津生态城绿色建筑研究院.中国建筑工业出版社，2014年
[4]建筑环境系统模拟分析方法—DeST.清华大学DeST开发组.中国建筑工业出版社，2006年
[5]徐伟.基于建筑特性的冷热电动态负荷预测方法研究.[J].暖通空调,2016年,第46卷（第9期）.64～69页
[6]武雅琼.办公建筑间歇采暖热负荷简化计算研究.[J].建筑热能通风空调,2016年,第35卷（第6期）.1～5页
论文作者:武亦文1,刘倩2
论文发表刊物:《防护工程》2018年第27期
论文发表时间:2018/12/25
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