夏熱冬暖地區(qū)被動式低能耗建筑能耗模擬與分析

馮露菲 李以通 張占輝 王沨楓 林麗霞

中國建筑科學研究院有限公司

0 引言

隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，能源消耗日益嚴重，能源危機已成為制約現(xiàn)代社會經(jīng)濟發(fā)展的突出問題，也是全球各國可持續(xù)發(fā)展面臨的最嚴峻挑戰(zhàn)之一[1]。我國建筑用能約占全國能耗總量的27.5%，并將隨著人民生活水平的提高逐步增加到30%以上。其中公共建筑用能量巨大，其能耗狀況日益嚴重，在建筑節(jié)能中已占據(jù)重要位置[2]。

夏熱冬暖地區(qū)作為我國經(jīng)濟最發(fā)達地區(qū)之一，其建筑節(jié)能工作走在行業(yè)前列。根據(jù)2017 年8 月住房城鄉(xiāng)建設(shè)部辦公廳發(fā)布《關(guān)于2016 年建筑節(jié)能與綠色建筑工作進展專項檢查情況的通報》（建辦科函[2017]491 號）統(tǒng)計，夏熱冬暖地區(qū)竣工驗收階段執(zhí)行節(jié)能標準的比例為98.5%，部分省市已啟動節(jié)能75%的超低能耗甚至零能耗建筑建設(shè)工作[3]。近幾年，被動式超低能耗建筑在我國迅速發(fā)展，在技術(shù)指標、評價標識方法、技術(shù)體系、項目實踐等方面進行了廣泛研究，取得了一定成果。總體上看還是以歐洲尤其德國標準為主要參照物，但我國各地氣候差異明顯，室內(nèi)環(huán)境標準低，建筑特點，建筑技術(shù)以及人民生活習慣都與德國有很大不同。因此在標準范圍、適量、適應(yīng)技術(shù)上，迫切需要建立適應(yīng)我國國情和地方特征、具有地方特色、操作性較強的被動式超低能耗建筑技術(shù)體系，為我國被動式超低能耗建筑發(fā)展提供術(shù)支撐。

基于以上背景，本文以廣州市某大型公共建筑為例，根據(jù)被動式超低能耗綠色建筑技術(shù)體系，結(jié)合項目所在區(qū)域用能特性，選擇了適用項目的被動式節(jié)能技術(shù)方案，并針對此技術(shù)方案開展了空調(diào)系統(tǒng)全年逐時能耗模擬工作，計算節(jié)能效果，為夏熱冬暖地區(qū)被動式低能耗建筑的開展提供有益的參考依據(jù)。

1 建筑概況

1.1 建筑概況及功能

本研究選取廣州市某青少年宮建筑，該建筑總面積為51656.29 m2，其中地上共五層（局部四層），建筑面積約37481.95 m2，地下共一層，建筑面積14174.34 m2。建筑高度為23.63 m，為多層公共建筑，主要有辦公、多功能廳、劇場、教室、實驗室、展廳等功能。

1.2 建筑定位及應(yīng)用技術(shù)措施

該公共建筑以三星級綠色建筑、低能耗建筑（實現(xiàn)75%節(jié)能）、智慧建筑為目標，打造綠色低碳節(jié)能智慧場館。為實現(xiàn)建筑定位，項目按照被動優(yōu)先、主動優(yōu)化的原則，應(yīng)用了高性能圍護結(jié)構(gòu)、建筑遮陽、高性能設(shè)備等技術(shù)，詳細技術(shù)措施見圖1。

圖1 應(yīng)用技術(shù)體系

2 建筑參數(shù)

2.1 建筑設(shè)計參數(shù)

為了計算節(jié)能率，結(jié)合本項目的基本信息，按照《公共建筑節(jié)能設(shè)計標準》GB50189-2015 中的標準限制選取參照建筑，使參照建筑達到節(jié)能65%的標準要求。設(shè)計建筑在此基礎(chǔ)上增設(shè)節(jié)能措施，使得比參照建筑再節(jié)能至少30%，從而達到綜合節(jié)能75%目的。參照建筑、設(shè)計建筑主要節(jié)能技術(shù)措施參數(shù)見表1。

表1 參照建筑、設(shè)計建筑主要節(jié)能技術(shù)措施

2.2 室內(nèi)外參數(shù)

2.2.1 室內(nèi)設(shè)計參數(shù)

根據(jù)《全國民用建筑工程設(shè)計技術(shù)措施暖通空調(diào)動力2009》、《公共建筑節(jié)能設(shè)計標準》GB50189-2015和JGJ66-2015《文化館建筑設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定，各功能房間的室內(nèi)設(shè)計參數(shù)如表2 所示。

表2 室內(nèi)設(shè)計參數(shù)表

2.2.2 室內(nèi)發(fā)熱源（照明、設(shè)備、人員）及新風量

1）大廳的照明功率密度按照11 W/m2，辦公和其它區(qū)域的照明功率按照9 W/m2，多功能廳的照明功率為10 W/m2，劇場的照明功率密度為6.5 W/m2，開關(guān)時間按照圖2 所示。

2）建筑內(nèi)的發(fā)熱電器設(shè)備包括機房設(shè)備、辦公電腦和打印設(shè)備、劇場燈光音響設(shè)備、會議多媒體設(shè)備、多功能廳的其它用電設(shè)備，電器設(shè)備逐時使用率按照圖2 所示。

3）人員密度按照6 m2/人，人員逐時在室率按照圖所示。

4）新風量按照表2 的要求進行設(shè)置，人員逐時在室率按照圖2 所示。

圖2 人員、照明、設(shè)備逐時使用率

2.2.3 室外參數(shù)

室外氣象參數(shù)采用《中國建筑熱環(huán)境分析專業(yè)氣象數(shù)據(jù)庫》提供的廣州市典型年氣象的參數(shù)，全年共計8760 h，建筑供冷季自4 月15 日至11 月15 日進行設(shè)定。

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 整體能耗狀況

通過在TRNSYS18 軟件中搭建參照建筑、設(shè)計建筑的物理模型，完成建筑全年能耗模擬計算，得出參照建筑全年總能耗為2317933.19 kWh，折合單位面積70.46 kWh/m2，設(shè)計建筑全年總能耗為1550448.40 kWh，折合單位面積47.13 kWh/m2，設(shè)計建筑比參照建筑全年節(jié)能33.11%，應(yīng)用上述節(jié)能措施，該建筑的節(jié)能高于75%，實現(xiàn)了低能耗建筑目標。

3.2 分項能耗組成

設(shè)計建筑全年分項能耗及比例見表3 所示?？梢钥闯觯O(shè)計建筑中空調(diào)能耗最大，空調(diào)系統(tǒng)能耗為67%，照明能耗為32%?？梢缘贸鲈诠?jié)能75%以上的建筑中空調(diào)能耗占60%以上，應(yīng)用高效空調(diào)設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)建筑節(jié)能。照明能耗占建筑能耗比例高達30%，因此在建筑設(shè)計初級應(yīng)考慮充分應(yīng)用自然采光技術(shù)。

表3 設(shè)計建筑能耗分項組成及比例

圖3 對設(shè)計建筑空調(diào)系統(tǒng)能耗分項組成及比例進行了分析，可得：冷機能耗占比最大，所占比例為50%以上，其次為風機耗電量占比為30%以上，而水泵等耗電量在10%以上。

圖3 設(shè)計建筑空調(diào)系統(tǒng)能耗組成比例

3.3 各項技術(shù)措施節(jié)能分析

3.3.1 被動技術(shù)節(jié)能分析

項目位于南沙，屬于夏熱冬暖地區(qū)，且外圍護結(jié)構(gòu)大部分區(qū)域為透明圍護結(jié)構(gòu)，建筑節(jié)能需重點關(guān)注透明外圍護結(jié)構(gòu)的熱工性能和遮陽設(shè)計。

1）高性能圍護結(jié)構(gòu)

圍護結(jié)構(gòu)熱工性能優(yōu)化通過圍護結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)、太陽能得熱系數(shù)體現(xiàn)。本項目以綠色三星級建筑為創(chuàng)建目標，圍護結(jié)構(gòu)熱工性能指標值應(yīng)比公共建筑節(jié)能設(shè)計標準規(guī)定降低幅度達到10%，設(shè)計建筑標準限值詳見表4。考慮非透明圍護結(jié)構(gòu)的熱工性能主要由傳熱系數(shù)來衡量，因此模擬了透明玻璃幕墻外墻傳熱系數(shù)、不同透明屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)下單位面積供冷能耗變化情況，計算結(jié)果如圖4、5 所示?？梢缘贸觯嵘臒岫貐^(qū)的外墻熱工性能的提升對節(jié)能存在一定的貢獻，但圍護結(jié)構(gòu)熱工性能提升10%后，繼續(xù)減小外墻、屋頂傳熱系數(shù)，對建筑供冷能耗變化影響較小。

表4 建筑外圍護結(jié)構(gòu)標準限值

圖4 外墻傳熱系數(shù)對建筑供冷能耗影響變化

圖5 屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)對建筑供冷能耗影響變化

2）遮陽技術(shù)

本項目設(shè)計方案采用穿孔鋁板配合高反射窗簾技術(shù)可以作為建筑外形構(gòu)件的一部分，且能有效起到遮陽、隔熱作用，對遮陽板的穿孔處理又可以達到通風采光的作用。本研究模擬了不同內(nèi)遮陽系數(shù)條件下建筑的單位面積供冷能耗變化，如圖6 所示，可以得出夏熱冬冷地區(qū)建筑遮陽能有效的降低建筑能耗，因此需要嚴格要求遮陽設(shè)計。對比圖4、圖5、圖6 可知，外墻和屋面的圍護結(jié)構(gòu)性能提升效果不如建筑遮陽的影響效果明顯，夏熱冬暖地區(qū)建筑圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)同時注重保溫及隔熱。

圖6 建筑內(nèi)遮陽系數(shù)對建筑全年能耗的影響

3.3.2 主動技術(shù)節(jié)能分析

從上述分項能耗組成中，可得出空調(diào)能耗所占比例為60%以上，其中空調(diào)能耗冷機能耗為50%以上，因此選擇高效冷機十分重要。

將房間功能、朝向，細化空調(diào)分區(qū)，對空調(diào)系統(tǒng)進行分區(qū)控制，其中展廳、劇場、多功能廳等大空間及公共區(qū)域采用全空氣系統(tǒng)，地下一層至二層辦辦公等采用風機盤管+新風系統(tǒng)，三層至五層培訓室、辦公室采用多聯(lián)系+新風系統(tǒng)經(jīng)計算可知，本設(shè)計建筑空調(diào)面積為28650 m2，最大冷負荷為4568.78 kW，制冷季逐時冷負荷累積總值為308.69 萬kWh，折合單位面積為93.84 kWh/m2。根據(jù)負荷預(yù)測情況，設(shè)計建筑選用冷水機組為磁懸浮離心式冷水機組，主機的部分負荷效率可達11，與傳統(tǒng)冷水機組相比，磁懸浮機組在部分負荷下運行，可實現(xiàn)最大的節(jié)能效果。多聯(lián)式空調(diào)室外機IPLV 大于5，性能提高幅度達25%。同時，在能源系統(tǒng)的運行方面采用變頻運行和臺數(shù)控制組合的控制方式，用科學合理的系統(tǒng)運行管理方式，實現(xiàn)能源系統(tǒng)的節(jié)能。

4 結(jié)論

1）本文應(yīng)用TRANSYS 建筑能耗模擬軟件進行能耗模擬，參照建筑全年總能耗為2317933.19 kWh，折合單位面積70.46 kWh/m2，設(shè)計建筑全年總能耗為1550448.40 kWh，折合單位面積47.13 kWh/m2，設(shè)計建筑滿足節(jié)能75%的要求。

2）夏熱冬暖地區(qū)的外墻熱工性能的提升對節(jié)能存在一定的貢獻，但圍護結(jié)構(gòu)熱工性能提升到10%后，外墻和屋面的圍護結(jié)構(gòu)性能提升效果不如建筑遮陽的影響效果明顯，因此夏熱冬暖地區(qū)建筑圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)同時注重保溫及隔熱。

3）設(shè)計建筑空調(diào)能耗所占建筑能耗比例最大，空調(diào)能耗中冷機能耗所占比例為50%,因此應(yīng)用高效的空調(diào)設(shè)備對夏熱冬暖地區(qū)建筑節(jié)能的貢獻率較大。