许鹏许鹏 教授教授 博士博士 博导博导 机械工程学院机械工程学院 Peng Xu Professor, PhD, PE, MBA College of Mechanical Engineering 能源规划中的建筑需求侧规划实例能源规划中的建筑需求侧规划实例分析分析 基准能耗分析基准能耗分析 被动节能规划控制被动节能规划控制 负荷叠加消峰负荷叠加消峰 钱颖初钱颖初 绿色建筑咨顾问绿色建筑咨顾问 Head of Sustainability Business, Asia Faithful+Gould 目目 录录 案例一、需求侧能源规划案例一、需求侧能源规划 基准能耗的计算和频谱分析基准能耗的计算和频谱分析 案例二、规划尺度被动式案例二、规划尺度被动式设计设计 整体区域优化设计（风与光）整体区域优化设计（风与光） 单体被动式设计落实单体被动式设计落实 案例三、错峰方式能源需求侧规案例三、错峰方式能源需求侧规 划划 规规 划划 项项 目目 能耗能耗需求需求基准基准预测预测 能源需求优化能源需求优化 进行区域叠加，实现能源进行区域叠加，实现能源 系统消峰系统消峰 被动节能设计：遮阳，采光，通被动节能设计：遮阳，采光，通 风，围护结构优化等风，围护结构优化等 能能 源源 需需 求求 分分 析析 能能 源源 需需 求求 优优 化化 建筑群体建筑群体 单体建筑单体建筑 优化建筑布局，朝向，间优化建筑布局，朝向，间 距，高度等距，高度等 能源规划方案介绍能源规划方案介绍 照明能耗照明能耗 制冷能耗制冷能耗 制热能耗制热能耗 设备能耗设备能耗 炊用能耗炊用能耗 热水热水能耗能耗 规划划分区域规划划分区域2 2 规划划分区域规划划分区域3 3 规划划分区域规划划分区域N N 建建 筑筑 类类 型型 2 2 建建 筑筑 类类 型型 N N 建建 筑筑 类类 型型 1 1 规划划分区域规划划分区域2 2 建建 筑筑 类类 型型 2 2 建建 筑筑 类类 型型 N N 建建 筑筑 类类 型型 1 1 建建 筑筑 类类 型型 2 2 建建 筑筑 类类 型型 N N 建建 筑筑 类类 型型 1 1 建建 筑筑 类类 型型 2 2 建建 筑筑 类类 型型 N N 建建 筑筑 类类 型型 1 1 规划规划区分区区分区 能源规划方案介绍能源规划方案介绍 需求侧规划需求侧规划 方法方法 意义意义 注意事项注意事项 基准能耗预测 运用模拟软件，建立模 型，进行冷热负荷和建 筑能耗模拟计算。 整个规划的进行基础，只 有在这个基础上才能进行 需求侧优化和供应侧方案。 注意模型建立的准 确性。 被动式设计 遮阳，自然采光，自然 通风，围护结构保温， 增强热惰性、气密性等。 给出控制指标，优化建筑 性能，从被动方式上落实 节能手段。 不影响建筑的内外 立面，保持建筑原 有的风格。 负荷叠加消峰 一个区域或者相邻几个 区域的不同类型建筑使 用同一套能源系统。 降低负荷峰值，保持系统 运行高效平稳。 注意叠加范围大小 与投资回收的平衡， 并非范围越大越好。 基准能耗测算与规划案例基准能耗测算与规划案例 规划案例简介规划案例简介 该项目规划范围如右图黄色圈出范围所示。 总项目建设面积约58万平方米，旅游地产。含酒酒店、住宅、旅店、住宅、旅游景区、会场游景区、会场等。 规划区规划区 规规 划划 区区 规划简介规划简介 住宅和小商铺：建筑 面积约21万，主 要包括酒店、民宿、 餐饮、休闲娱乐、接 待、会议、办公等业 态。 会议中心：建筑面积6 万平方米，包含厅堂、 宴会厅、大学堂、剧场 等；堂建筑面积2万平 方，主要包含会议室和 宴会厅等。 办公区域：建筑面积 15万，主要为1-2 层，局部三层。承载 各种教育和文化体验 等功能。 配套服务区：建筑 面积约8万，主 要包括景区次入口， 服务配套设施、后 勤管理用房等，建 筑层数以1-2层为 主，局部为3层。 区域一： 建筑面积 约5万。 为旅游区 样板示范 区，包括 主题酒店、 高档餐饮、 休闲娱乐 等。 基准能耗预测分析基准能耗预测分析 基准能耗预测基准能耗预测 根据上图，可以看出，休闲娱乐场所能耗密度最大，约160kWh/年，其次为酒店客房区，能耗密度最小的为民宿建筑，仅为55Wh/年。 该案例使用EnergyPlus对不同功能的建筑进行能耗模拟计算。模型建筑形状和建筑尺寸完全依照建筑设计施工图建立，屋顶、墙体和门窗的材料也是按照实际建筑材料选取，并且我们对屋顶、墙体和门窗的传热系数、外窗的透光率、外门的气密性等进行了现场样板房实测。所有模型尽量做到真实可靠地反应真实建筑的冷热负荷和能耗水平。 基准能耗预测基准能耗预测 基准能耗预测基准能耗预测 基准能耗预测基准能耗预测 热水能耗：热水能耗：以电能为供应能源，效率按照100%计算；以燃气为供应能源，效率按照85%计算，宿舍的热水能耗密度最大，其次为餐厅和康体中心。酒店公共区、儒宫和展厅没有热水需求。 供暖能耗供暖能耗：康体中心采暖能耗很高，约78kWh/ 年，因为康体中心中有游泳馆，需要常年保持水温。 制冷制冷能耗：能耗：食堂和康体中心制冷能耗最高，超过40kWh/ 年。 照明能耗照明能耗：会议中心照明能耗最高，约20kWh/ 年，其次为酒店公共区、会议室、展厅等，民宿照明能耗最低，仅为12kWh/ 年。 设备能耗：设备能耗：康体中心的设备能耗最高，超过20kWh/ 年，食堂的设备能耗最低，约为12kWh/ 年。 基准能耗预测基准能耗预测逐时负荷分布逐时负荷分布 基准能耗预测基准能耗预测逐时负荷分布逐时负荷分布 根据这组冷热负荷逐时分布图片，我们可以看出： 1、全年冷热负荷分布起伏趋势明显，冷负荷峰值基本上出现在五一、十一等节假日和夏季的周末，热负荷分布也受节假日和周末的影响，但是没有冷负荷明显，说明热负荷更大程度上来自于围护结构传热。 2、五一、十一两个旅游高峰期负荷并没有形成明显峰值，故我们可以消除旅游高峰期负荷峰值飞升的疑虑。 基准能耗预测基准能耗预测负荷频率分布负荷频率分布 基准能耗预测基准能耗预测负荷频率分布负荷频率分布 从该组负荷频率分布图片可以看出，除酒店公共区、办公建筑和展厅外，全年至少有90% 的时间负荷值小于峰值负荷的一半，所以按照峰值负荷配置机组，机组长时间不在最佳工况范围内运行。 基准能耗预测基准能耗预测逐逐时能耗分布时能耗分布 基准能耗预测基准能耗预测逐逐时能耗分布时能耗分布 从该组图片可以看出，冬季能耗明显高于夏季，造成这种现象的根本原因就是空调系统能耗（餐厅、食堂和宿舍建筑除外，因为餐厅、食堂和宿舍内热大，故制冷能耗较高，采暖能耗低），可见故冬季采暖是规划的重点。 基准能耗预测基准能耗预测总结总结 基准能耗分析三部分：全年总能耗、峰值分析、频谱分析基准能耗分析三部分：全年总能耗、峰值分析、频谱分析 通过通过上述的几组图片和数据，我们可以得到以下结论：上述的几组图片和数据，我们可以得到以下结论： 1、周末和节假日负荷高于工作日负荷，这是由人员因素造成的，这是旅游休闲度假区的显著特点； 2、建筑的夏季制冷和冬季采暖能耗高，占据建筑总能耗的60%85%,是挖掘节能潜力的关键。 3、结合能耗频率分布图和负荷频率分布图，可以看出全年至少有90% 的时间负荷值小于峰值负荷的一半，所以“削峰”，可以大幅度降低初投资。 指导意义：指导意义： 1、对建筑进行被动式设计，通过采用遮阳、自然采光、自然通风和改善围护结构等手段，降低建筑的制冷和采暖能耗。 规划尺度被动节能控制（风与光）规划尺度被动节能控制（风与光） 风水-经验 风水-科学 三种风环境分析的方法与优缺点 方法方法 优点优点 缺点缺点 模拟试验模拟试验 相对准确、重复性 好、可认为设定边 界条 费用高、周期长、 试验要求满足相对 性原理 现场实测现场实测 准确、可靠 费用高、周期长、 费力 数值模拟数值模拟 成本低、周期短、 可控 准确性相对较差、 需要验证 模拟试验 现场检测 数值模拟 城市城市风环境评价方法风环境评价方法 项目简介：陈家镇位于上海的崇明岛，紧临东海海域，社区规划面积406.43公顷，规划人口为3万人，预计将于2020年完成新城的建设目标。 图1陈家镇实验生态社区区位图 图2陈家镇实验生态社区控制性详细规划用地图 陈陈家镇实验生态社区案例简介家镇实验生态社区案例简介 A B C 图4 社区冬季东北季风主导下的风速（高度为2米）分布情况 冬季冬季- -主要问题主要问题: : A A区区: :无外围建筑物遮挡，造成社区A地区的进风口冬季风速较大，超过3 m/s。 B区：区：是社区公园，出现较大风速不适于居民休憩，其原因是冬季风吹至四周建筑后返回在此处形成涡流和湍流。 C区：区：与A区问题相似，都是属于无遮挡开敞空间为冬季风进风口，形成较大风速。 如何将风速控制在3m/S以内？ 图5 冬季东北季风主导下风速大于3 m/s（高2米）分布情况 陈陈家镇实验生态社区风环境模拟结果家镇实验生态社区风环境模拟结果 D E F 夏季夏季- -主要问题主要问题: : D D区区: :公共建筑由于被东侧和南侧建筑群遮挡，夏季通风条件也不理想 E E区：区： E区住宅几乎处于静风区，居民夏季风感较差。 F F区：区：由于缺少东南夏季风风廊和住宅间距过于密集而且造成住宅用地区通风条件较差， 如何将风速控制在3M/S以上？ 图6 社区夏季东南季风主导下的风速（高度为2米）分布情况 图7 社区夏季东南季风主导下风速小于2m/s（高度为2米）分布情况 陈陈家镇实验生态社区风环境模拟结果家镇实验生态社区风环境模拟结果 优化原则 社区的主要通道走向尽量与夏季主导风向一致 冬季主导迎风边界注意阻挡 在建筑的高度设置上注意不要互相遮挡 图8社区原形态平面图 图9社区形态优化后平面图 基于基于风环境分析的社区形态优化风环境分析的社区形态优化 为了更直观地展示上图中优化的地区和对方的方法，下图是社区空间形态优化的细部效果示意图。 社区北部开发空间种植乔木林 基于风环境分析的社区形态优化基于风环境分析的社区形态优化 社区东南部别墅群间距扩大 基于风环境分析的社区形态优化基于风环境分析的社区形态优化 社区南部多城住宅间距扩大 基于风环境分析的社区形态优化基于风环境分析的社区形态优化 社区西北方向外围种植防风林 基于风环境分析的社区形态优化基于风环境分析的社区形态优化 社区西入口处公园与内部住宅位置对换，并增加楼间距 基于风环境分析的社区形态优化基于风环境分析的社区形态优化 鸟瞰鸟瞰- -优化后优化后 节能量基准考虑为小区建筑完全利用电制冷进行夏季降温,对于优化模型而言，从CFD模拟结果可看出优化后在夏季主导风向和风速下建筑周围风速均能达到要求（大于2m/s）， 由此可得自然通风节能率计算公式如下所示： 其中，为供冷季小时数，为供冷季中满足自然通风速，温湿度的小时数。 这里根据上海天气文件（CSWD）来完成对和的统计，最终的结果为,则最则最终的节能率为终的节能率为5%，节能性并不可观的主要原因是上海地区夏季室外湿度过大。 两米处切两米处切平面平面 面积加权平面积加权平均速度均速度(m/s) 最大速度最大速度(m/s) 最小速度最小速度(m/s) 冬季优化前冬季优化前 1.786 5.622 0.005 冬季优化后冬季优化后 1.606 4.701 0.011 夏季优化前夏季优化前 2.057 7.235 0.011 夏季优化后夏季优化后 2.094 11.244 0.014 比较结果比较结果 冬季优化后，平均风速降低，最大风速降低 夏季优化后，平均风速升高，最大速度升