湖南大学 潘晓 陈毅兴 邓章 陈志华
【摘 要】本文首先对长沙地区41栋商场建筑的几何特征、内部功能分区及占比、冬季室内温度等展开了详细调研。调研结果显示商场建筑平均地下有一层为停车场，地上五层，楼层高4.7米，窗墙比0.35，其中服装配饰占27.2%，中庭走廊占22.3%，停车场占16.5%，餐饮区占13.6%，办公区域占8.7%，超市占4.9%，儿童个护占3.9%，影城占2.9%，和冬季室内平均温度在21.5±1.5℃。本文接着根据统计的典型特征参数值，结合相关建筑节能、热工设计规范与标准，使用SketchUp OpenStudio Plugins和OpenStudio软件初步搭建了典型商场建筑能耗模型。该模型的运行作息由某一商场建筑的逐时实测数据聚类所得。该模型的单位面积年能耗为170.8kW·h /(m2·a)，与调研的商场平均能耗水平226. 9kW·h /( m2·a)相差较大，但还在可信范围之类。今后将继续调研更多的数据，同时改进典型能耗模型。
【关键词】商场建筑，特征参数调研，典型能耗模型，EnergyPlus动态模拟
1 引言
我国大型公共建筑的能耗密度为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领域[1]，随着城市化进程的加速和人民生活质量的提高，建筑能耗仍将持续上升。商场建筑与其他建筑相比往往具有体量较大、空间集中、人流量大，对建筑热舒适要求较高，供热、供冷时间长、能耗密度大等特点，是公共建筑中能耗高、易产生能源浪费的一类建筑。我国购物中心总存量近五年平均增速23%，2019年达到4.2亿平米[2]，研究商场建筑的能耗特点对2050年实现“碳中和”具有重要意义。调研既有商场建筑与能耗相关的特征参数，对于搭建商场的典型建筑能耗模型、了解商场建筑的能耗特点十分必要。
一方面对不同地区的商场建筑进行调研可以了解商场建筑的能耗水平[3]、节能改造空间[4]，建立能耗预测模型[5]、分析商场建筑的能耗影响因素[6]、提出各种节能改造、优化措施等[7,8]。另一方面很多研究人员通过调研统计得到的商场建筑特征参数的典型值，作为商场建筑能耗模型的输入参数，如陈智博等人[9]参照《公共建筑节能设计标准》、《民用建筑热工设计规范》等，针对办公楼、商场、酒店类型建筑进行建模。桂晨曦等人[10]基于相关规范标准、问卷调研结果、实际采集数据和工程案例构建了一套北京地区的典型建筑模型，有助于相关节能政策的制定、修改和评估。Lv等人[11]调研统计了珠江三角洲200多座商业建筑的尺寸、形状、方位、围护结构参数以及内部空间分布等基本信息，确定最具代表性的值，建立了珠三角地区统一的典型商业建筑模型，从而为建筑性能和室内环境质量的模拟研究提供标准。建筑特征参数调研不仅能够了解商场建筑的能源利用现状和特点，而且特征参数的统计分析结果作为建筑能耗模型更真实、准确的输入，还能得到具有广泛代表性的典型能耗模型。
本文首先通过文献调研、地图街景调研、实地测量等方式获取了长沙地区41栋商场建筑的几何参数（长、宽、楼层高、楼层数等）、主要功能分区占比、窗墙比等建筑能耗相关特征参数。然后提取分析特征参数的典型值，利用SketchUp OpenStudio Plugins和OpenStudio建立一个长沙地区的典型商场建筑能耗模型，为今后城市尺度的建筑群能耗模拟提供模型基础。
2 研究方法
图1为本研究的技术路线图，通过大量调研收集商场建筑的特征参数信息，提取长沙地区商场类型建筑的能耗水平、几何特征、内部主要功能分区、室内参数设定等，并根据调研统计所得的典型值、国内建筑节能、热工设计等相关规范探讨搭建EnergyPlus能耗模型的方法。
图1 研究技术路线
2.1 商场特征参数调研
为了清楚的了解长沙地区商场建筑的能耗现状，我们通过长沙市能耗监测平台统计了3 栋商场近3年的平均能耗水平为170 kWh /( m2·a)，通过文献调研获取了长沙及其他地区商场建筑的年能耗状况，如表1所示，这些商场的能耗水平在100 kWh/(m2·K）—300 kWh/( m2·K）之间，2016年长沙地区商场的年平均能耗指标为226. 9kW·h /( m2·a)，商场之间能耗水平差异与商场的规模、内部不同功能分区占比、是否采用节能技术、优化控制策略等有关。
表1 不同地区商场建筑的能耗水平统计
我们对长沙地区40栋典型商场建筑展开了调研，调研数据大致分为三类：建筑的基本几何参数、室内参数值的设定以及主要的功能分区及占比。通过已经获得的长沙市GIS建筑矢量数据信息图2（a）和高德、百度室内地图图2（b）确定建筑的楼层面积、长、宽等几何信息以及功能分区占比，通过实地调研确定建筑的楼层数、层高和窗墙比、并验证了主要的功能分区及占比信息。
（a） （b）
图2 (a)某商场的GIS轮廓 (b) 高德地图商场内部分区
表2 12栋商场建筑几何参数及功能分区统计
图3 商场建筑的典型楼层面积、楼层数、层高统计
对40栋商场建筑的调研结果进行统计，得到这些商场面积分布在10000m2-210000m2之间，商场层数在1-12层之间，地上楼层数在4-10层之间，地下一般为1-3层，其内部有服装配饰、餐饮、超市、个人护理、停车场、影城、中庭、培训机构等主要的功能分区。如图3所示，对40栋商场建筑的典型楼层面积、楼层数、层高进行进行统计分析，得出长沙地区一个典型的商场建筑地上大概有5层，地下2层，典型楼层高4.7米，楼层面积为16837m2。表2中统计了12栋商场建筑的部分几何信息和功能分区，商场主要的功能分区有超市、服装配饰、餐饮、童玩个护、培训办公、影院、停车场、走廊中庭等，其中服装配饰、公共区域以及停车场相对于其他功能区的面积占比往往较大。
对40栋商场建筑的窗墙比的统计结果显示，这些商场的窗墙比在0.15-0.7之间，平均水平为0.35，调研过程发现大型商业建筑由于单层面积和面宽,、进深都比较大，更加追求外立面的一体化设计、内部空间的灵活划分和高效利用，再加上自然采光无法满足商场中心区域的照明需求，所以几乎不设窗户，此类商业建筑的窗墙比往往较小。调研过程中发现冬季商场内部具有明显的烟囱效应，导致各个楼层之间有温度差异商场的顶层和底层形成了明显的温差，同一功能分区在不同的楼层也会有明显的温度差异，我们使用温湿度和CO2浓度仪、照度计在商场进行布点，表3统计了12栋商场一月份不同楼层各功能分区的温湿度、CO2浓度以及照度的平均值，作为典型建筑能耗模型的冬季室内设定参数。
图4 商场建筑的窗墙比
表3 冬季商场内部不同功能分区室内参数调研
2.2 典型数据汇总
根据调研统计，长沙地区典型商场建筑一般有6层，地上5层，地下1层，典型楼层长185m，宽98m，面积约为17000m2，窗墙比平均在0.35，典型楼层高4.7m，冬季室内设定温度在20-23℃之间，夏季室内设定参数为25℃，主要有8个功能分区，面积占比如图5所示；商场的平均能耗水平为226. 9kW·h /( m2·a)。
图5 典型商场主要功能分区及占比
表4 商场建筑典型特征参数汇总
2.3 典型商场建筑能耗模型搭建
根据调研所得的商场建筑的室内设定参数、几何参数、功能分区的典型值作为输入，使用SketchUp、OpenStudio进行建模,利用EnergyPlus进行模拟计算。该模型总建筑面积为108780m2，地上5层，地下1层，营业时间为10:00-22:00，商场内主要有服装配饰、餐饮、走廊中庭等公共区域等8个功能分区，面积占比按照图5设定。
图6 典型商场建筑能耗模型示意图
利用K-means算法对已知部分商场照明、设备的逐时能耗进行聚类分析，通过误差平方和（Sum of the Squared Errors）、轮廓系数（Silhouette Coefficient）、DB指标（Davies-Bouldin Index）来判断最佳聚类数K值，以获取商场照明、设备典型的用能模式如图7、8所示；围护结构的热工参数值按照DBJ 43 003-2017 《湖南省公共建筑节能设计标准》进行选取选择。
设定商场为全空气空调系统，冷源为离心式冷水机组，热源采用燃气锅炉，末端使用风机盘管送风。冬季空调设定参数为21.5℃±1.5℃，夏季室内空调设定参数参考DBJ 43 003-2017 《湖南省公共建筑节能设计标准》，取25℃。
图7 照明用电典型负荷曲线
图8 设备用电典型负荷曲线
3 典型商场能耗模型结果分析
根据典型商场的EnergyPlus能耗模型计算结果，典型商场建筑年能耗指标为170.8kW·h /(m2·a)，该能耗水平和从长沙数据能耗监测监测平台获取的三栋商场近三年年平均能耗水平相差0.4%，能耗水平基本一致。而与文献调研中长沙地区2016年商场建筑年能耗水平相差较大，但在可信范围之内，初步预测模型计算结果与调研的平均能耗指标差异可能与设备更新、节能以及优化控制技术的引进等各种因素有关，后面还会搜集其他商场建筑的年平均能耗水平对此进行探讨分析。
图9 典型建筑能耗模型的逐月电耗指标
4 结论
通过调研，我们统计得到典型商场建筑楼层面积约为17000m2，地上5层，地下1层，层高4.7米，窗墙比平均为0.35，冬季室内设定温度为21.5±1.5℃，按照GB50189-2015《公共建筑节能设计标准》，夏季室内空调设定参数25℃；功能分区主要有服装配饰、餐饮等8种类型，其中服装配饰占27.2%，中庭走廊占22.3%，停车场占16.5%，餐饮区占13.6%，办公区域占8.7%，超市占4.9%，儿童个护占3.9%，影城占2.9%。据此初步搭建了典型商场建筑的EnergyPlus能耗模型。模拟计算出该典型模型的年能耗指标为170.8KWh/(m2*a)，空调、照明以及设备能耗占比分别为34%、34%、32%，与调研所得长沙地区商场建筑的用能特征一致。
大量的商场建筑参数信息调研能够了解商场建筑的几何特征、能耗特征以及不同功能分区占比情况，通过统计得到这些参数的代表性数值，有助于研究典型商场建筑能耗模型。目前调研统计数据量小，数据不够全面，仅在长沙地区具有一定参考价值，未来可能建立地区的建筑信息数据库，统计出地区建筑参数的真实值，使典型建筑研究有更明确的参考标准，使建筑的能耗模拟更加规范、可靠、更具参考价值。
此外由于商场不分工作日和节假日全年运行，每天运行时段相同，每日逐时分项电耗数据的聚类结果表明在空调运行期间有较为明显的不同类型的负荷曲线，如果能够确定产生负荷差异的关键因素，如季节、工作日与非工作日等，得到更加优化的作息时间表作为EnergyPlus模型的输入，会使模拟结果更加准确。
参考文献
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备注：本文收录于《建筑环境与能源》2021年4月刊 总第42期（第二十届全国暖通空调模拟学术年会论文集）。版权归论文作者所有，任何形式转载请联系作者。
