能耗模擬在建筑節(jié)能改造中的運用研究與討論

閆海仙 等

摘 要：可持續(xù)發(fā)展與節(jié)約型社會對建筑節(jié)能提出了新的時代要求，針對既有建筑進行節(jié)能改造，是開展節(jié)能工作的重要內(nèi)容。結(jié)合某科技館建筑節(jié)能改造工程，引入時下較為典型的能耗模擬軟件Energy Plus，對建筑工程動態(tài)冷熱負(fù)荷進行模擬。實踐證明，Energy Plus能耗分析軟件能夠準(zhǔn)確反映建筑動態(tài)負(fù)荷變化特征，能夠較為真實的反映建筑圍護結(jié)構(gòu)耗熱量狀況，其實際應(yīng)用作用及效果突出。

關(guān)鍵詞：能耗模擬；建筑節(jié)能；改造；Energy Plus

1 Energy Plus能耗分析軟件基本認(rèn)知

Energy Plus為美國科研機構(gòu)開發(fā)的具備完善功能的建筑能耗分析軟件，其軟件是BLAST軟件及DOE-2軟件的替代產(chǎn)物，其功能更為完備。Energy Plus能耗分析軟件能夠應(yīng)用于多區(qū)域氣流分析、建筑熱性能分析及太陽能應(yīng)用方案設(shè)計等方面。Energy Plus能耗分析軟件其整體模擬思想是該軟件應(yīng)用的最大特征，其在模擬過程中設(shè)定有反饋操作，實現(xiàn)了對每個時間步驟的校驗，以確保模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。Energy Plus以不穩(wěn)定傳熱作為其基本原理，通過反應(yīng)系數(shù)法進行建筑動態(tài)負(fù)荷計算。設(shè)計區(qū)域內(nèi)空氣熱平衡方程式屬于該軟件模擬計算的核心，房間空氣熱平衡方程式具體如下：

其中，qi，cAi代表各表面與室內(nèi)空氣對流傳熱量，qi，c代表的是通過i表面的對流傳熱量，N代表圍護結(jié)構(gòu)表面數(shù)量，Ai代表表面i實際面積值，Qother代表前熱量，包括日射、燈光、設(shè)備、人員及水分蒸發(fā)等引起的熱量，Qheat-extra代表除熱量，Ta-out代表室外空氣溫度值，Ga代表新風(fēng)及滲透風(fēng)的風(fēng)量和，CP代表空氣比熱，pVCp代表室內(nèi)空氣熱容量。

2 建筑節(jié)能改造方案分析

2.1 工程概論 某科技館工程建立于上世紀(jì)末期，因當(dāng)時缺乏節(jié)能意識，其圍護結(jié)構(gòu)除部分屋頂外均沒有設(shè)置保溫隔熱層，且屋頂保溫材料應(yīng)用聚苯乙烯材料，其材料傳熱系數(shù)較大，導(dǎo)致建筑耗熱量較大。建筑面積AO=17380㎡，室內(nèi)溫度平均值為18℃，供暖期室外溫度平均值為-1.2℃，

供暖天數(shù)一般在119d左右。通過計算，可獲得傳熱耗熱量指標(biāo)，具體為42.24W/㎡，建筑物耗熱量指標(biāo)為61.19W/㎡，其耗煤量指標(biāo)則為45.92kg/㎡。工程改造之前其維護結(jié)構(gòu)及傳熱系數(shù)參數(shù)如表1所示：

2.2 改造方案 該建筑圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)參數(shù)明顯超出了相關(guān)建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中對圍護結(jié)構(gòu)熱工性能限值的要求，為此，對建筑進行節(jié)能改造。改造工程以保溫材料選取及應(yīng)用為重點，選擇TH硬泡聚氨酯復(fù)合板作為保溫材料，其材料保溫隔熱性突出，防水性能及整體性較好。通過建筑改造，將其傳熱耗熱量指標(biāo)降低至11.14W/㎡，建筑物耗熱量指標(biāo)降低至13.34W/㎡，其標(biāo)準(zhǔn)煤耗量則降低至7.65kg/㎡。

3 能耗模擬在建筑節(jié)能改造中的實際應(yīng)用

選擇該建筑工程中某典型房間進行能耗模擬，對其房間冷負(fù)荷及熱負(fù)荷狀況進行分析。模擬房間3D模型，具體如圖1所示：

3.1 冷風(fēng)滲透量分析 應(yīng)用Energy Plus能耗模擬軟件，進行冷風(fēng)滲透量分析，其計算公式為：Qinf=qLdFsce[A+B（Tzon-Tadb）+Cw+Dw2]

其中，Qinf代表模擬冷風(fēng)滲透量，qLd代表設(shè)計冷風(fēng)滲透量，F(xiàn)sce代表人為控制系數(shù)，多取值為1。ABCD則代表室內(nèi)外溫差及風(fēng)速等因素冷風(fēng)滲透量系數(shù)參數(shù)，其中A取值為1.35，B取值為0.012，C取值為0.0003，Tzon及Tadb代表室內(nèi)外溫度參數(shù)，w代表室外風(fēng)速。

氣象參數(shù)則可通過區(qū)域氣象部門所提供，具體包括每個時間段的室外空氣溫度、相對濕度、風(fēng)向、風(fēng)速等[4]。

3.2 穩(wěn)態(tài)熱負(fù)荷計算分析 依據(jù)供暖室外溫度取值為-9℃，室內(nèi)溫度18℃，室內(nèi)外溫差值為27℃，考慮到冬季室外平均風(fēng)速為2.8m/s，可計算冷風(fēng)滲透耗熱量，輸入修正系數(shù)，計算改造之前房間總耗熱量值為3174W，改造之后，其總耗熱量值為1397W。

3.3 Energy Plus模擬計算結(jié)果 通過Energy Plus軟件進行建筑三維模擬，確保模擬過程中輸入?yún)?shù)的準(zhǔn)確性。以1h為時長，進行改造前后建筑冷熱負(fù)荷模擬分析，通過Excel進行數(shù)據(jù)整理，結(jié)果顯示，改造后建筑熱負(fù)荷峰值為改造之前的47%，冷負(fù)荷則為改造之前的63%，兩參數(shù)出現(xiàn)較為顯著降低特征。通過動態(tài)模擬獲取其熱負(fù)荷均值，改造之前為3034，改造之后為1298，其與計算結(jié)果之間相差較低。引起結(jié)果較低可能是因建筑之中的墻角、梁、柱等因素考慮不足引起。但其結(jié)果能夠較為真實的反映建筑圍護機構(gòu)耗熱量狀況，實際應(yīng)用效果良好。

4 結(jié)語

為實現(xiàn)能源節(jié)約，降低建筑能耗，需要對一些既有建筑進行一定的節(jié)能改造。引入Energy Plus能耗分析軟件進行建筑能耗模擬，能夠?qū)ㄖ討B(tài)負(fù)荷變化特征進行較為準(zhǔn)確的捕捉，反映建筑圍護結(jié)構(gòu)耗熱量狀況。結(jié)合工程實例，對能耗模擬在建筑節(jié)能改造中的應(yīng)用進行分析。實踐證明，應(yīng)用Energy Plus軟件進行能耗模擬，其結(jié)果相對較為準(zhǔn)確，在實踐操作中具備良好的應(yīng)用價值及意義。

參考文獻：

[1]章永潔，蔣建云，葉建東，等.節(jié)能環(huán)保技術(shù)在小型公共建筑中的集成應(yīng)用及能耗模擬分析[J].建筑技術(shù)，2015，46（6）：504-507.

[2]盧玫珺，高長征.基于能耗模擬的輕鋼結(jié)構(gòu)別墅節(jié)能優(yōu)化策略[J].施工技術(shù)，2014（16）：85-88.

[3]肖姝穎，孫瑞君.某商場建筑運行能耗模擬與節(jié)能分析[J].城市建設(shè)理論研究（電子版），2014（6）.

[4]李雪飛，程海峰.合肥某高校圖書館空調(diào)能耗模擬及影響因素分析[J].山西建筑，2014，40（32）：127-128.

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目（51108295）。

作者簡介：閆海仙（1972-），女，山西省晉中學(xué)院講師，研究生學(xué)歷，主要從事暖通空調(diào)節(jié)能技術(shù)。