引言建筑消耗了大部分能源[1-3]。2018年全国建筑全过程能耗总量为21.47亿吨标准煤，占全国能源消费总量比重的46.5%。2018年全国建筑全过程碳排放总量（CO2）为49.3亿t，占全国碳排放比重的51.3%[4]。实现“碳达峰，碳中和”目标，将有利于改善室内外环境，改变建筑对传统能源的依赖。可再生能源综合利用是降低夏热冬冷地区能耗的主要技术手段之一，也是实现“碳达峰、碳中和”的关键技术途径。为了合理利用能源，达到超低能耗标准的要求，研究各系统能耗情况，分析各系统对可再生能源综合利用率的贡献比例，以期指导武汉地区公共建筑超低能耗设计。1分析方法与模型建立1.1分析方法根据住房和城乡建设部发布的《近零能耗建筑技术标准》（GB/T 51350—2019），可再生能源利用率指供暖、通风、空调、照明、生活热水、电梯系统中可再生能源利用量占其能量需求量的比例[5]。计算供暖、通风、空调等系统中可再生能源利用量，然后统计其能量需求量，得到可再生能源利用率指标。1.2模型建立武汉市某11层办公楼的框架为剪力墙结构，建筑高度48.10 m，办公楼建筑面积11 949 m2，屋顶建筑面积1 086.27 m2，主要功能为办公、会议。该办公楼设计太阳能热水系统、光伏发电系统以及地源热泵系统。2分析计算2.1太阳能热水系统办公楼热水需求主要是办公用水以及少量淋浴用水，总体热水需求不大。总热水需求量5.8 m3/d，年热水需求量1 450 m3，热水用水需求如表1所示。其中用水定额按照《民用建筑节水设计标准》（GB 50555—2010）选取[6]。项目设置集中式全循环供应热水系统，供卫生间盥洗池、淋浴用水使用。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.003.T001表1热水用水需求用水类别用水人数热水用水定额热水用水量/（m3/d）总计—5.8办公1 0005 L/(人·班)5淋浴2040 L/(人·次)0.8为充分利用可再生能源，热源采用“太阳能+空气源热泵”形式，太阳能作为预热热源，不足部分由空气源热泵提供。太阳能集热器、空气源热泵及水箱设置在相邻一栋建筑屋面上。太阳能集热器面积按照《民用建筑太阳能热水系统应用技术标准》（GB 50364—2018）进行计算，太阳能集热器相关参数如表2所示[7]。实际选用5组MGQBMK58/1800/100/20型太阳能平板型集热器，单组太阳能集热器面积16.8 m2，共计84 m2。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.003.T002表2太阳能集热器参数参数数值直接系统集热器总面积Ac/m273.31日均用热水量Qw/L5 800水的密度ρw/（kg/L）1水的定压比热容Cw/［kJ/（kg·℃）］4.2贮热水箱内热水终止设计温度tend/℃60贮热水箱内冷水初设设计温度to/℃5太阳能保证率f/%30当地集热器采光面上年平均日太阳辐照量JT/（kJ/m2）13 707.02基于总面积的集热器年平均集热效率ηcd/%50太阳能集热系统中贮热水箱和管路的热损失率ηL0.2空气源热泵耗热量按照《建筑给水排水设计标准》（GB 50015—2019）计算，空气源热泵耗热量如表3所示[8]。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.003.T003表3空气源热泵耗热量参数数值耗热量Qh/（kJ/h）223 760.26变化系数Kh办公1.5淋浴2.0用水人数m/人办公1 000淋浴20热水用水定额qr/［L/（人·d）］办公5淋浴40水的比热C/［kJ/（kg·℃）］4.187热水温度tr/℃60冷水温度tl/℃5热水密度ρr/（kg/L）1热水供应系统的热损失系数Cr1.1每日使用时间T/h办公10淋浴12设计耗热量为223 760.26 kJ/h，相当于62.16 kW。实际选用1台RSJ—770/S—820型空气源热泵热水机组，单台制热量为77 kW（COP=4.43）。热水年吸收热量如表4所示。根据比热容公式，年热水吸收量为333 378.93 MJ。太阳能热水系统热源组成如表5所示。由表5可知，太阳能热水系统热源热量为333 378.93 MJ。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.003.T004表4热水年吸收热量参数数值吸收的热量Q/MJ333 378.925水的比热容C/［kJ/（kg·℃）］4.180 3热水总质量m/kg1 450 000温升△t/℃5510.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.003.T005表5太阳能热水系统热源组成系统热水占比/%热水量/MJ耗电量/kWh备注太阳能30100 013.68—f=30%空气源热泵70233 365.2514 632.89COP=4.43根据《可再生能源建筑应用工程评价标准》（GB/T 50801—2013），太阳能热利用系统的常规能源替代量Qtr计算公式如下[9]：Qtr=Qnjqηt (1)太阳能热利用系统的常规能源替代量如表6所示（参照天然气热水）。经计算，太阳能热水利用系统常规能源替代量（含空气源热泵）为13 542.15千克标准煤。以传统能源为热源时的运行效率如表7所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.003.T006表6太阳能热利用系统的常规能源替代量参数数值太阳能热利用系统的常规能源替代量Qtr/千克标准煤13 542.15全年太阳能集热系统得热量Qnj/MJ333 378.93标准煤热值q/（MJ/千克标准煤）29.307以传统能源为热源时的运行效率ηt0.8410.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.003.T007表7以传统能源为热源时的运行效率常规能源类型运行效率热水系统采暖系统热力制冷空调系统电0.31——煤—0.700.70天然气0.840.800.80由表5可知，太阳能热水系统耗电量为14 632.89 kWh，1 kWh折合标煤量为0.122 9千克标准煤，耗电量相当于常规能源1 798.38千克标准煤。太阳能热水利用系统常规能源替代量为：13 542.15-1 798.38=11 743.77千克标准煤。2.2光伏发电系统项目在屋顶设置光伏发电系统（单晶硅电池组），布置面积1 086.27 m2，总装机容量180 kW。根据《光伏发电站设计规范》（GB 50797—2012），光伏发电站上网电量计算公式如下[10]：EP=HA×Aηi×K=HA×PAZEs×K (2)光伏上网发电量如表8所示。经计算，项目光伏发电上网发电量为167 472 kWh。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.003.T008表8光伏上网发电量参数数值上网发电量Ep/kWh167 472水平面太阳能总辐照量HA/（kWh/m2）1 163组件安装容量PAZ/kW180标准条件下辐照度Es/（kWh/m2）1综合效率系数K0.8组件安装面积A/m21 086.27组件转换效率ηi/%16.67根据《可再生能源建筑应用工程评价标准》（GB/T 50801—2013），太阳能光伏系统的常规能源替代量Qtd计算公式如下：Qtd=D×En (3)太阳能光伏发电系统常规能源替代量如表9所示。经计算，太阳能光伏发电系统常规能源替代量为20 582.31千克标准煤。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.003.T009表9太阳能光伏发电系统常规能源替代量参数数值太阳能光伏系统的常规能源替代量Qtd/千克标准煤20 582.31每度电折合所耗标准煤量D/（千克标准煤/kWh）0.122 9太阳能光伏系统年发电量En/kWh167 4722.3地源热泵系统项目室内设计计算参数如表10所示。对空调区域进行热负荷和逐项逐时冷负荷计算，办公楼总面积为11 949 m2，本项目空调计算总冷负荷为1 026.86 kW，总热负荷为541.80 kW。办公室区域的冷、热负荷如表11所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.003.T010表10室内设计计算参数房间名称温度/℃相对湿度/%设计人员密度/（m2/人）新风量/［m3/（h·人）］噪音/dB（A）夏季冬季夏季冬季办公室25205540836≤45会议室25206040330≤40办公大堂261960301015≤45公共卫生间26206035——≤4510.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.003.T011表11空调区域冷热负荷区域冷热负荷冷负荷/kW冷指标/（W/m2）热负荷/kW热指标/（W/m2）办公楼1 026.8686541.8045根据项目需求，办公楼设置集中空调系统供日常使用，采用1台额定容量为615 kW（175 RT）的螺杆式地源热泵机组+冷水机组，空调冷热源采用地埋管，并设置1台流量为100 m³/h的超低噪音闭式冷却塔，供回水温度如表12所示。地源热泵系统的常规能源替代量如表13所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.003.T012表12系统供回水温度工况系统末端地埋管冷却塔系统夏季7/1230/3532/37冬季45/4011/7—℃10.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.003.T013表13地源热泵系统的常规能源替代量参数数值常规能源替代量Qs/千克标准煤35 520.94传统系统的总能耗Qt/千克标准煤采暖34 940.53空调25 240.22地源热泵系统的总能耗Qr/千克标准煤24 659.81供暖季累计热负荷QH/MJ819 201.6以传统能源为热源时的运行效率ηt0.8标准煤热值q/（MJ/千克标准煤）29.307每度电折合所耗标准煤量D/（千克标准煤/kWh）0.122 9供冷季累计冷负荷QC/MJ2 070 149.76传统制冷空调方式的系统能效比EERt2.8根据《可再生能源建筑应用工程评价标准》（GB/T 50801—2013），地源热泵系统的常规能源替代量Qs计算公式如下：Qs=Qt-Qr (4)Qt=QHηtq（采暖系统）(5)Qr=DQC3.6EERt（空调系统）(6)经过计算，地源热泵系统常规能源替代量为35 520.94千克标准煤，其中当量满负荷运行时间参照《武汉市固定资产投资项目节能评估文件编制要点——建筑行业》（2013），办公建筑供冷、供热时间分别取560 h、420 h。3综合分析项目供暖、通风、空调、照明、生活热水、电梯系统总能量需求量如表14所示。经计算，各系统总能量需求量142 837.68千克标准煤。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.003.T014表14各系统总能量需求量系统能耗总计142 837.68热水13 542.15照明23 421.42设备45 693.36供暖34 940.53空调25 240.22注：通风系统能量需求量计入供暖空调系统中。千克标准煤可再生能源利用率如表15所示。如表15所示，太阳能热水、太阳能光伏和地源热泵3者常规能源替代量总计67 847.02千克标准煤。可再生能源利用率=常规能源替代量/能量总需求量，经计算可再生能源利用率为47.50%，各系统对可再生能源利用率的贡献比例排序为：地源热泵（24.87%）、太阳能光伏（14.41%）、太阳能热水（8.22%）。因此，在场地条件、地质条件许可及规模合适的情况下，应采用地源热泵系统作为供暖空调系统冷热源。对于屋面安装条件较好，有足够空间的情况下，应充分采用太阳能光伏系统；对于有热水需求的公共建筑，应当利用“太阳能+空气源热泵”的形式提供生活热水。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.10.003.T015表15可再生能源利用率可再生能源类型常规能源替代量/千克标准煤可再生能源利用率/%总计67 847.0247.50太阳能热水11 743.778.22太阳能光伏20 582.3114.41地源热泵35 520.9424.874结语能耗是建筑评价的重要指标，随着科技的发展，节能对人类与自然的影响越来越明显。我国建筑节能标准化工作经历了从耗能到节能的发展历程，超低能耗建筑是近零能耗建筑的初级表现形式，充分利用可再生能源是连接超低能耗建筑与近零能耗建筑的桥梁，根据《近零能耗建筑技术标准》（GB/T 51350—2019），近零能耗公共建筑可再生能源利用率≥10%。从常规能源替代量分析可知，只要运用一项可再生能源技术，基本可以满足可再生能源利用率达到10%的要求。超低能耗建筑是今后建筑节能的研究重点，有助于未来向近零能耗和零能耗建筑迈进。