清華大學建築節能研究中心張永寧常良夏建軍江億
摘要：建築節能是個國際化問題，絕大多數國家都不可能孤立奮戰，各國之間的經驗對話可以大大避免走彎路所付出的代價。然而，引進吸收不等同於照本宣科，我國的國情和嚴峻的能源現實不允許我們模仿外國的消費方式和消費觀念走浪費奢侈的路線。
需要對發達國家的節能政策制定的背景，節能標準和相關評估體系實施的力度等等做全面了解，在開展工作之初，有必要在小範圍內選擇特定的建築案例，投石問路，挖掘事物的本質規律所在。**以中美大型公共建築為研究物件，致力於能耗與執行現狀的全面分析和用能差異成因的**，正確認識節能的關鍵要素是技術問題還是方法問題。也只有這樣，才可以更加清醒地審視中國的建築節能發展軌跡，規劃合理的發展藍圖，開發出有中國特色的、節約型的、可持續發展的良性軌道。
本文的主要工作立足於具體案例的研究，中美兩國各選取至少兩棟典型的大型公共建築進行對比，用實測資料說話，中國和美國大型公共建築能耗到底誰高誰低，建築裝置性的差距有多大。
關鍵詞：大型公共建築，中美能耗對比、裝置效能、室內環境
能源資源總量比較豐富，人均擁有量較低是中國能源的主要特點，能源的可持續性發展是長期而艱鉅的任務。採用**空調的面積超過兩萬平方公尺大型公共建築，是建築能源消耗的高密度領域，，怎樣實現大型公共建築節能成為備受矚目的焦點。
中國和美國的**機關、研究機構和社會各界組織投入了大量人力物力開展大型公共建築能耗特點和節能措施研究，其成果對指導本國大型公共建築的節能工作有重要作用，節能效果顯著。關於中美大型公共建築能耗比較的研究並不多，其中大部分文獻也將精力放在巨集觀角度對比，但由於兩國能耗資料統計的方法不同，簡單的進行數量比較不能解釋建築能耗差異的原因。中國和美國大型公共建築能耗的差距有多大？
建築裝置性到底誰高誰低？美國的大型公共建築的用能問題是否和中國相同？能夠用相同的手段來解決中國目前存在的問題？
美國的全自控系統在節能舞台上發揮了多大的作用？
筆者對中美兩國的幾座公共建築進行了現場實測，對其建築的能耗和空調控制水平及效果進行了仔細分析和比較，用實測資料說話，回答以上幾個問題。
作為案例的中美大型公共建築應該在同類建築中具有一定的代表性和典型性，並且具有相似性和可比性。為了消除客觀因素造成的影響，選取的建築樣本分佈在兩個氣候條件類似的城市。國內選擇的建築為典型辦公樓，美國案例為校園辦公建築，全年使用時間約為200～250天，每天工作時間8小時。
建築用能資料**方法主要有四種途徑，業主提供的執行管理資料；清華大學研發的大型公共建築用電分項計量系統，在建築內部安裝總電表、分項電表（照明用電系統、辦公用電系統、空調用電系統、廚房、電梯等等）、冷量表和熱量表，通過一定的自動測量和通訊手段，將能耗實時記錄並傳到資料處理中心，達到對建築能耗監控的目的；現場節能診斷和故障**：對於建築存在的用能問題測試和分析計算；建築負荷和系統動態模擬，對於不可**的建築圍護結構負荷、空調系統處理冷熱的能力和用能終端的能耗實現過程進行全年動態模擬。
圖1 所示為2023年各建築單位面積用電指標情況，北京的5座辦公樓z-1~6的能耗為60～120kwh/個體差異較大，最高值可達最低值的2倍；空調系統、照明和辦公裝置的用電基本相當，約佔總用電的25%～35%，這與筆者在國內調查的眾多大型公共建築的能耗範圍一致，具有典型性。相比之下，兩座美國建築m-a和m-b的單位面積用電量則集中在300～350 kwh/空調系統在建築中能耗比例最大，在m-a中高達69%, 照明和辦公裝置也是建築的主要用電環節，基本各佔總耗電量的20%左右。
圖1 建築單位面積用電量比較
空調系統耗電是課題的研究重點與難點，對其進行再次拆分可以分為冷站電耗和空調風機與末端電耗。如圖2所示，其中冷站電耗包括冷機、冷凍幫浦和冷卻塔風機電耗。美國m-a和m-b建築冷站的電耗水平約為100kwh/而相比之下，國內置築樣本中，最高值為25kwh/最低值僅為4kwh/差異明顯。
空調風機和末端電耗包括新風機電耗、空調箱電耗、風機盤管電耗和為了滿足通風要求的各類送風機和排風機電耗，其中m-a和m-b是全空氣變風量系統，年用電水平分別為197和149kwh/為風機盤管加新風的系統，電耗低於10kwh/是全空氣（部分區域）變風量系統，z-3和z-4為風機盤管加新風部與全空氣系統綜合，電耗較高，為14～33kwh/
表1為建築年耗冷量的比較。國內辦公建築供冷時間為6月～10月中旬，耗冷量範圍為0.07~0.
27gj/ 和m-b全年均存在一定的供冷需求，年耗冷量1.5~1.6 gj/ 相當於國內同類建築的10倍以上。
如僅統計夏季相同時間段的耗冷量，m-a和m-b的耗冷量分別為1.15和0.99gj/供冷季節的冷量消耗仍然遠高於國內同類建築。
表2 給出建築年耗熱量的比較：z-1,z-3和z-5冬季採暖用熱來自市政管網熱水或者天然氣鍋爐，按照國內冬季採暖標準，一般採暖時間為11月15日至次年3月15日，耗熱量分布在0.1~0.
35gj/和m-b利用蒸汽進行空調末端v**-box盤管再熱、空調箱和通風機的預熱和冬季外區輻射板採暖，年耗熱指標為1.5~2.2 gj/所用熱量相當於國內同類建築的10倍。
表1 m和z建築的年耗冷量
表2 m和z建築的年耗熱量
採用先行的評價體系面三個指標比較冷源系統、輸配系統、末端系統等用能子系統的能耗水平及核心裝置的運**況。
表3 空調系統評價指標
（1） 空調系統能效比
指空調系統製備的總冷量與空調系統總能耗之比。中美兩方建築該數值大致相同，均低於評價體系的參考數值。
（2） 製冷系統能效比
指空調系統製備的總冷量與製冷系統能耗之比。美方建築到達理想數值，說明冷站綜合性能較高。調研的中國建築都存在冷機選型過大，冷機的容量約為峰值冷負荷的1.
5倍，在過渡季節時冷機僅有30~40%的負載率，冷機cop降低到3。調研的美國建築用冷量長期居高不下，所有冷機都穩定在高負荷率下執行，因此綜合製冷效能較高，如圖4所示。在如此高效能的製冷效率下，m-a和m-b的製冷用電比z高出3～5的原因不是由於冷源形式和冷源效率造成的，而是末端冷負荷需求太大的結果。
（3） 全空氣系統輸送係數
全空氣系統輸送係數指空調系統製備的總冷量與空調箱風機能耗之比，中美兩方建築數值大致相同。如圖5所示，目前國內空調輸配裝置多採用國外進口裝置，電機效率按照90%來考慮，水幫浦風機葉輪的效率達到80%以上，而實際執行過程中，流量都大於銘牌值，工作揚程小於銘牌值，工作點嚴重偏移，效率普遍偏低，調研的五棟建築的水幫浦效率45～78%。m-a和m-b的水幫浦同樣存在選型偏大的問題，揚程偏高導致偏離高效工況點的問題。
國內的公共建築風機效率為20～50%，m-a和m-b的風機實際執行效率55%～70%，儘管高出國內許多，仍然低於設計工作點效率95%。一般來講風系統的機外風道阻力為300～600pa，機組內阻力大約在400～600pa左右，因此送風機壓頭最大值為1200pa，而這m-a和m-b建築風機的全壓設計為2000pa，實際上風道阻力約在1300pa左右，執行工況點右偏嚴重，執行效率大大降低。
國內置築的室內溫度夏季為24～26℃，新風量12～80m3/峰值冷量為50～65w/m2，新風負荷、人員裝置引起的冷負荷和圍護結構傳熱造成的冷負荷三者的大致比例為4:3:3。
個別建築由於排風系統設計不當或人員開窗造成了無組織通風，建築負荷公升高至80w/m2甚至更高，新風負荷公升高至60%。冬季儘量減少新風的利用，z-1甚至不利用新風，基本不進行加濕處理，峰值熱量為20～40w/m2，如圖6所示。
調研的兩棟美國建築室內溫度夏季為20～23℃，新風量為90～150 m3/ 。m-a夏季的峰值用冷量達到120~150w/m2，為國內置築的2.5倍，如圖7所示。
其中人員和裝置為25～35w/m2，圍護結構的負荷為5～15w/m2，新風負荷為40～60w/m2。m-a為了精確控制室內溫度，提高熱舒適性，末端設定再熱盤管來調節室內溫度，造成了冷熱抵消現象的發生。空調系統處理過程中的用熱造成的冷負荷達到冷負荷的30%左右，為50w/m2，4月中至10月初比較恆定。
**空調的功能是滿足建築內人員冷熱及通風換氣次數的需要，應避免採用超過節能標準規定的室內設計溫濕度和人員新風量，空氣處理過程應避免冷熱牴觸。新風負荷過大和冷熱抵消現象是造成冷熱使用量差異的主要因素，也是不合理用能的主要表現。
能源**是造成能耗差異的經濟基礎，從美國能源署（eia）的公布資料，到2023年底商業用電**也不足10美分。北京的商業用電**，不考慮分時電價影響，平均約為1元/度，二者電價的差別達10倍。能源豐富且**低廉致使他們喪失了節能降耗的積極性。
建築能耗和執行時間成正比關係，經過調查發現，雖然辦公時間為早8點至晚5點，但美國建築一天之內的逐時用電量十分穩定，樓內的照明辦公和空調系統24小時執行，是導致其電耗高的乙個重要原因。相比之下，國內置築的夜間和週末則關閉了常規用電設施，非工作時間用電量較小。
圖8 用能差異的原因
如圖8所示的用電分析流程，圖中倍率為建築m-a與5棟國內置築用電平均值的比值。非空調電耗的差異只跟裝機功率和執行時間有關，執行時間的長短可以完全解釋用能現狀和差異。**空調系統冷、熱與電互相制約，建築的不合理用能必然導致冷熱源和輸配系統電耗的增加，m製冷系統能效比略高於z，但冷量的巨大需求，致使冷站電耗達到對方的6倍；空氣輸送係數近似相同，風機、水幫浦等輸送裝置的效率差異不大，電耗的10倍差異仍然需要歸結到執行時間和室內負荷需求中。
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