基于DeST-C的通風(fēng)對(duì)辦公建筑能耗影響的模擬分析

楊志偉，　于瑾， 李奎波， 王程

（沈陽(yáng)建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，沈陽(yáng)110168）

基于DeST-C的通風(fēng)對(duì)辦公建筑能耗影響的模擬分析

楊志偉，于瑾， 李奎波， 王程

（沈陽(yáng)建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，沈陽(yáng)110168）

以沈陽(yáng)某高校辦公樓為研究對(duì)象，利用DeST能耗模擬軟件研究既有辦公建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能，分析不同通風(fēng)條件下辦公建筑的能耗變化情況以及通風(fēng)對(duì)建筑能耗的節(jié)能效果.結(jié)果表明：夜間通風(fēng)比白天通風(fēng)和不通風(fēng)方案更節(jié)能，且高層節(jié)能效果較底層更明顯，西、南朝向辦公室節(jié)能效果較其他朝向更明顯.因此，在夏季應(yīng)加強(qiáng)高層和西、南朝向辦公室的夜間通風(fēng)，以減少建筑能耗.

熱工性能；建筑能耗；節(jié)能效果；通風(fēng)

0　引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，建筑用能將持續(xù)增長(zhǎng).據(jù)相關(guān)資料預(yù)測(cè)顯示，到2020年我國(guó)建筑面積將突破600億m2，而建筑能耗將達(dá)到10.9億t標(biāo)煤［1］.因此，有必要對(duì)建筑能耗尤其是公共建筑能耗進(jìn)行研究，以確定建筑節(jié)能改造方法和途徑，減少建筑能耗.

在節(jié)能改造過(guò)程中，建筑能耗分析為節(jié)能改造工作提供了重要理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持.國(guó)內(nèi)不少學(xué)者利用能耗分析軟件對(duì)建筑能耗進(jìn)行了模擬計(jì)算［2-6］.其中，姜玉雙［4］在分析沈陽(yáng)地區(qū)辦公建筑能耗分析中，研究了空調(diào)季夜間通風(fēng)對(duì)建筑能耗的影響，指出沈陽(yáng)地區(qū)增加夜間通風(fēng)對(duì)建筑能耗有利.除此之外，針對(duì)自然通風(fēng)方法、換氣次數(shù)及最佳通風(fēng)時(shí)段對(duì)建筑能耗進(jìn)行了分析［7-9］，研究了自然通風(fēng)對(duì)室內(nèi)空氣溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)的影響［10］，且利用流體模擬軟件模擬了自然通風(fēng)在不同建筑布局時(shí)的通風(fēng)效果［11］.

然而，在節(jié)能改造中不僅需要清楚自然通風(fēng)對(duì)整體建筑的節(jié)能效果，還要了解建筑各樓層和各朝向的房間在不同通風(fēng)情況下的節(jié)能情況，以便提出更加合理的改造措施.本文主要從建筑不同樓層和不同朝向兩方面研究了通風(fēng)條件下房間的能耗變化情況，并比較了不同樓層和不同朝向房間在不同通風(fēng)方案中的節(jié)能效果，給出合理的建議.

1　能耗分析方法

本研究通過(guò)DeST軟件建立模型，并根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)利用DeST軟件對(duì)建筑冷熱負(fù)荷進(jìn)行了模擬.DeST［12］采用了建立建筑熱過(guò)程的動(dòng)態(tài)模型的方法，全面考慮了建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)和物體的蓄熱與放熱，包括房間各圍護(hù)內(nèi)表面之間的長(zhǎng)波輻射換熱以及空氣的對(duì)流換熱，其中運(yùn)用了房間熱平衡法［13］等，通過(guò)計(jì)算機(jī)作全年8760小時(shí)或某一期間的逐時(shí)模擬，得出建筑全年或某一期間的能耗.相反，由于靜態(tài)模擬計(jì)算方法（如度日法、當(dāng)量滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間法和負(fù)荷頻率表法等）忽略了日照得熱和圍護(hù)結(jié)構(gòu)蓄熱的影響，只將冷熱負(fù)荷和室外溫度考慮成線性關(guān)系.因此，動(dòng)態(tài)模型的方法與簡(jiǎn)化的靜態(tài)模擬計(jì)算方法相比，DeST采用的模擬方法更精確.

根據(jù)熱房間平衡模型［13］可知，建筑房間k的室溫計(jì)算式如下：

其中：

tk（τ）、tj（τ）——第k、j房間當(dāng)前時(shí)刻的室溫；

tbzk（τ）——不計(jì)當(dāng)前時(shí)刻空調(diào)、白然通風(fēng)、鄰室通風(fēng)、鄰室傳熱的影響時(shí)，房間k的室溫；

Φj，0，k——房間j對(duì)房間k當(dāng)前時(shí)刻的室溫的影響系數(shù)；

qhvac，k（τ）——當(dāng)前時(shí)刻投入房間k的空調(diào)熱量（或冷量）；

Φhvac，k——空調(diào)對(duì)房間k當(dāng)前時(shí)刻的室溫的影響系數(shù)；

Gout，k（τ）——當(dāng)前時(shí)刻的室外通風(fēng)量；

tout（τ）——當(dāng)前時(shí)刻的室外溫度；

Gjk（τ）——從第j個(gè)鄰室到房間k的通風(fēng)量.

2　建筑概況及參數(shù)設(shè)置

本建筑是沈陽(yáng)市某高校辦公樓，該辦公建筑共有6層，其中地上5層，地下1層，建筑高度為18m，標(biāo)準(zhǔn)層高為3.6 m，建筑面積為13932 m2，南北朝向.建筑平面圖和衛(wèi)星圖如圖1所示.

圖1　辦公樓建筑衛(wèi)星圖

根據(jù)該建筑的設(shè)計(jì)要求，查得公共建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)如表1所示，利用DeST軟件進(jìn)行能耗分析時(shí)按照表1進(jìn)行模擬計(jì)算.

該辦公建筑冬季和夏季的設(shè)計(jì)溫濕度、新風(fēng)量及換氣次數(shù)可根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行設(shè)置，照明、設(shè)備功率密度指標(biāo)和人均占有使用面積指標(biāo)可根據(jù)建筑照明設(shè)計(jì)規(guī)范［14］和實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)［15］查得，如表2所示.

表1　圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料及傳熱系數(shù)

表2　辦公樓室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)該辦公建筑的地理位置，沈陽(yáng)年平均氣溫為6.2～9.7℃，屬于嚴(yán)寒B區(qū).在進(jìn)行模擬計(jì)算時(shí)采用能耗分析用典型年逐時(shí)氣象參數(shù)，如圖2所示.

圖2　沈陽(yáng)市各月逐時(shí)干球溫度

3　模型建立及結(jié)果分析

3.1模型建立

根據(jù)建筑各層平面圖和各層門窗尺寸建立DeST模型，圖3為DeST建立的整體建筑立體圖.

圖3　建筑模型圖

3.2模擬方案設(shè)定

為了研究不同通風(fēng)條件下，建筑能耗的變化情況和各種通風(fēng)方案的節(jié)能效果，根據(jù)窗戶的開(kāi)啟情況擬定了3種通風(fēng)方案，如表3所示.由于沈陽(yáng)屬于嚴(yán)寒B區(qū)，在冬季窗戶一般處于關(guān)閉狀態(tài)，而在夏季開(kāi)窗通風(fēng).根據(jù)洪艷峰等關(guān)于自然通風(fēng)換氣次數(shù)的研究，設(shè)定門窗關(guān)閉時(shí)通風(fēng)換氣次數(shù)為0.5次/h，門窗開(kāi)啟時(shí)通風(fēng)換氣次數(shù)為8次/h.白天通風(fēng)時(shí)間為8:00～18:00，夜間通風(fēng)時(shí)間為18:00～8:00.

表3　不同通風(fēng)方案設(shè)置

為了更好地分析不同朝向房間在不同方案下的能耗情況和節(jié)能效果，從辦公建筑中抽取了各朝向的典型辦公室進(jìn)行分析，辦公室編號(hào)如表4所示，其中第1層?xùn)|向?yàn)檎箯d，與大堂相連，故將其忽略.

表4　典型房間編號(hào)

3.3自然室溫對(duì)比分析

自然室溫是建筑物沒(méi)有采暖空調(diào)系統(tǒng)時(shí)，室外氣象條件和室內(nèi)熱擾動(dòng)所引起的室內(nèi)空氣溫度，它反映了建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)外界氣候和建筑使用條件的綜合調(diào)節(jié)作用，決定了建筑是否需采暖空調(diào)系統(tǒng).采用DeST-C軟件對(duì)辦公建筑的自然室溫進(jìn)行了模擬，通過(guò)對(duì)比3種方案的自然室溫分布情況，分析通風(fēng)對(duì)建筑典型辦公室自然室溫的影響，模擬結(jié)果如圖4～圖6所示.

圖4　方案1典型辦公室自然室溫分布

根據(jù)圖4可知，在沒(méi)有通風(fēng)條件下，各典型房間的自然室溫全年大部分時(shí)間分布在低于16℃和高于29℃的范圍，說(shuō)明該辦公建筑至少半年的時(shí)間需要供暖制冷.其中，自然室溫出現(xiàn)超過(guò)35℃的辦公室主要集中西向辦公室，其小時(shí)數(shù)明顯多于其他朝向.因此，西向辦公室調(diào)節(jié)性差，是節(jié)能改造的首選對(duì)象.

根據(jù)圖5可以明顯看出，各典型辦公室自然室溫主要分布在低于16℃和22～29℃的范圍，西向典型房間自然室溫少部分時(shí)間超過(guò)35℃.與圖4相比可知，通風(fēng)條件下各房間自然室溫超過(guò)29℃的小時(shí)數(shù)減少，而分布在16～29℃的小時(shí)數(shù)增加，其中處在22～29℃范圍內(nèi)的小時(shí)數(shù)增加幅度明顯，這主要是由于通風(fēng)能明顯改善房間的自然室溫，緩解自然室溫出現(xiàn)高溫.

對(duì)比圖4和圖6可以看出，各典型房間超過(guò)29℃的小時(shí)數(shù)明顯減少，而在16～29℃的小時(shí)數(shù)有所增加，其中22～29℃范圍內(nèi)的小時(shí)數(shù)增加顯著；與圖5相比，各房間處于22～35℃范圍內(nèi)的小時(shí)數(shù)有所增加，而西向房間自然室溫超過(guò)35℃的小時(shí)數(shù)出現(xiàn)小幅度減少，這主要是由于白天通風(fēng)對(duì)室溫的影響沒(méi)有夜間通風(fēng)效果明顯.

3.4建筑冷、熱負(fù)荷對(duì)比分析

根據(jù)設(shè)定的參數(shù)，利用DeST-C對(duì)該辦公建筑的全年逐時(shí)冷、熱負(fù)荷進(jìn)行模擬，方案1的模擬結(jié)果如圖7所示，3種方案的能耗模擬結(jié)果如表6所示.

圖5　方案2典型辦公室自然室溫分布

圖6　方案3典型辦公室自然室溫分布

圖7　方案1的建筑全年負(fù)荷

在圖7中，建筑負(fù)荷為正值時(shí)表示熱負(fù)荷，負(fù)值時(shí)表示冷負(fù)荷。由圖7可知，在沒(méi)有任何通風(fēng)時(shí)冬季最大熱負(fù)荷為1313.02 kW，夏季最大冷負(fù)荷為1082.17 kW；全年累計(jì)熱負(fù)荷為901532.77W，全年累計(jì)冷負(fù)荷為330781.60 kW.由此可知，該辦公樓在沒(méi)有通風(fēng)情況下熱負(fù)荷遠(yuǎn)大于冷負(fù)荷，若以地下水作為冷熱源，利用水源熱泵為建筑制冷供熱，由于全年冷熱負(fù)荷不平衡，容易引起地下水水溫逐年下降，使得水源熱泵機(jī)組的運(yùn)行效率降低.因此，在對(duì)該辦公建筑進(jìn)行節(jié)能改造時(shí)，提高水源熱泵機(jī)組效率十分必要.

由于沈陽(yáng)地區(qū)冬季寒冷，外窗一般處于關(guān)閉狀態(tài)，不考慮冬季通風(fēng)對(duì)熱負(fù)荷的影響，因此從表5可以看出辦公樓冬季全年累計(jì)熱負(fù)荷變化較小，而在夏季可通過(guò)開(kāi)窗增大自然通風(fēng)，從而減少建筑能耗，在表5中可看出冷負(fù)荷變化較大.為了更好地分析各方案的節(jié)能情況時(shí)，以不通風(fēng)時(shí)的建筑負(fù)荷為基準(zhǔn)值，分別計(jì)算通風(fēng)時(shí)兩種方案的冷負(fù)荷減小值和節(jié)能比，結(jié)果如下表6所示.

表5　3種方案冷、熱負(fù)荷對(duì)比

表6　通風(fēng)時(shí)節(jié)能效果比較

由表6可知，方案3與方案1相比，白天通風(fēng)不但不節(jié)能，而且增加了建筑全年累計(jì)冷負(fù)荷和全年總負(fù)荷，增加幅度分別為49.59%和13.51%.方案2表明，全年累計(jì)冷負(fù)荷和全年總負(fù)荷有所減少，其中全年累計(jì)冷負(fù)荷節(jié)能比達(dá)到7.57%，空調(diào)季冷負(fù)荷指標(biāo)節(jié)能比為8.19%，全年總負(fù)荷節(jié)能比為1.98%.為進(jìn)一步分析夜間通風(fēng)對(duì)建筑冷負(fù)荷的影響，現(xiàn)對(duì)建筑每一層總冷負(fù)荷和典型房間的負(fù)荷進(jìn)行分析，分析結(jié)果如下圖8、圖9所示.

圖8　各層累計(jì)冷負(fù)荷指標(biāo)圖

圖9　各層平均冷負(fù)荷指標(biāo)

根據(jù)圖8可知，不通風(fēng)（方案1）時(shí)的各層空調(diào)季累計(jì)冷負(fù)荷指標(biāo)和空調(diào)季平均冷負(fù)荷指標(biāo)均高于夜間通風(fēng)（方案2）時(shí)的指標(biāo)，這表明夜間通風(fēng)能明顯減少建筑各層的冷負(fù)荷，通過(guò)夜間通風(fēng)能達(dá)到節(jié)能的目的，各層總負(fù)荷和各朝向典型房間的節(jié)能比如下圖10、圖11所示.

從圖10可以看出，空調(diào)季累計(jì)冷負(fù)荷指標(biāo)和空調(diào)平均冷負(fù)荷指標(biāo)的節(jié)能比隨著樓層的增加而增大，當(dāng)?shù)竭_(dá)第五樓層時(shí)節(jié)能比反而減小，通風(fēng)產(chǎn)生的節(jié)能效果減弱，主要由于頂層屋頂?shù)膫鳠嵯禂?shù)過(guò)大，影響了建筑的節(jié)能效果.從圖11可以看出，通風(fēng)條件下東向房間節(jié)能效果最差，對(duì)于西向和東向房間，通風(fēng)節(jié)能效果最好的均出現(xiàn)在第4層，而對(duì)于南向房間效果最好的是第3層房間.

圖10　各層總負(fù)荷節(jié)能比

圖11　各朝向典型房間節(jié)能比

4　結(jié)論

本文采用DeST軟件對(duì)辦公建筑進(jìn)行了全年能耗分析，對(duì)比分析了建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能，并討論了不同通風(fēng)條件下的建筑自然室溫、能耗變化情況和節(jié)能效果，主要得到以下結(jié)論和建議：

1）通過(guò)將辦公建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能與現(xiàn)有公共建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)相比，發(fā)現(xiàn)該仍有一定差距，有待進(jìn)一步節(jié)能改造，改造的對(duì)象主要包括該辦公建筑外墻、屋頂及東、西朝向外窗.

2）在夏季室內(nèi)外溫差小時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)建筑夜間通風(fēng)，尤其是高層（除頂層）的辦公室，夜間通風(fēng)對(duì)建筑能耗的節(jié)能效果較底層更明顯；同時(shí)，加強(qiáng)西、南向辦公室的夜間通風(fēng)，其節(jié)能效果較其他朝向更明顯.

3）夏季加強(qiáng)夜間通風(fēng)是減少建筑能耗的重要手段之一，但在節(jié)能改造過(guò)程中，更注重多種節(jié)能措施的綜合使用所帶來(lái)的節(jié)能效果.因此，在未來(lái)研究中，還需對(duì)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)和空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能改造技術(shù)作進(jìn)一步分析研究.

［1］崔艷秋，苗紀(jì)奎，羅彩領(lǐng)，等.建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能改造技術(shù)研究與工程示范［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2014.

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Numerical simulation research on the effects of ventilation on office building energy consumption based on DeST-C

YANG Zhiwei，YU Jin，LIKuibo，WANG Cheng

（School of Municipal and Environmental Engineering，Shenyang Jianzhu University，Shenyang 110168，China）

Taking the office buildings of a college in Shenyang as the research object，the research analyzes the thermal performance of existing office building envelope，energy consumption change and energy-saving effect under different ventilations by applying DeST energy consumption simulation software.The results show that night ventilation ismore energy-efficient than day ventilation and non-ventilation；energy-saving effect of high layer ismore energy-efficient than that of low layer；energy-saving effect of office towards south and west is more energy-efficient than those of the other orientations.Therefore，strengthened ventilation in summer for high layer and offices towards south and west can effectively reduce building energy consumption.

thermal performance；building energy consumption；energy-saving effect；ventilation

TU834.3+5

A

2095-3046（2015）05-0067-07

10.13265/j.cnki.jxlgdxxb.2015.05.012

2015-04-22

國(guó)家十二五科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2014BAJ01B04）；國(guó)家外專局2015年度科教文衛(wèi)引智項(xiàng)目（W20152100010）

楊志偉（1990-），男，碩士研究生，主要從事建筑節(jié)能和污染控制技術(shù)等方面的研究，E-mail:xiaoyangjust@163.com.

于瑾（1957-），男，教授，主要從事建筑節(jié)能和污染控制技術(shù)等方面研究，E-mail:13840079900@163.com.