基于EnergyPlus的被動式超低能耗建筑能耗模擬分析

周文倩 李祥立 王群鶴

大連理工大學建設工程學部

鑒于日益嚴峻的能源形勢，世界各國逐步開啟了節(jié)能減排計劃。1988年，瑞典的Bo Adamson和德國Feist想設計一種不需要“采暖空調(diào)主動供冷熱”的房屋，稱為“被動房”[1]，此后完成了一整套被動式建筑技術(shù)和施工規(guī)范的工作。被動房作為實現(xiàn)超低能耗建筑的一種有效途徑，現(xiàn)已在多個國家被推廣實施。位于德國海德堡市中心的海德堡鐵路城，是目前世界上最大的被動房建設項目[2]。清華大學環(huán)境能源樓、新疆的“幸福堡”綜合樓等項目是國內(nèi)在被動式技術(shù)上的初步探索。

本文選擇濟南市為研究地點，參照不同的標準計算建筑能耗，以EnergyPlus全能耗分析軟件為主要技術(shù)手段，分析不同節(jié)能標準下建筑的節(jié)能率。

1 建筑模型信息

1.1 建筑概況

本文選取的二層別墅位于濟南市長清區(qū)，南北朝向，建筑高度為9.88 m，總建筑面積為288 m2。別墅內(nèi)常住人口為5人。該建筑屬于居住建筑，主要房間設置有：廚房、餐廳、客廳、起居室、臥室、衛(wèi)生間、車庫。建筑平面圖如圖1、圖2所示。

圖1 一層平面圖

圖2 二層平面圖

1.2 建筑圍護結(jié)構(gòu)

模擬建筑的圍護結(jié)構(gòu)主要包含有地面、外墻、外窗等構(gòu)件。在本文所選的建筑中，外門只存在門廳處，其面積占比相對于其他構(gòu)件來講很小，所以不列入考慮。模擬建筑的主要外圍護結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)參照山東省的《被動式超低能耗居住建筑節(jié)能設計標準》DB37/T 5074-2016[3]（以下簡稱《標準》一）和山東省《居住建筑節(jié)能設計標準》DB37/5026-2014[4]以下簡稱《標準》二）分別選取。在軟件EnergyPlus的dataset里為用戶提供了材料庫，包括墻體以及窗戶的構(gòu)造材料，也含有特定傳熱系數(shù)的構(gòu)件模板。用戶既能夠按照工程實際情況自行定義材料的導熱系數(shù)，厚度，比熱來構(gòu)造需要的材料供圍護結(jié)構(gòu)選用，也可以直接選定系統(tǒng)預先設定的模板。本研究的外窗采取系統(tǒng)模板，定義《標準》一和《標準》二的傳熱系數(shù)分別為1.0 W/（m2·K）和1.5 W/（m2·K），圍護結(jié)構(gòu)的主要熱工性能參數(shù)見表1，窗墻比見表2。

表1 別墅外圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)設定值

表2 窗墻比

1.3 室外設計參數(shù)

研究對象位于山東省濟南市，寒冷地區(qū)，室外設計參數(shù)按照EnergyPlus氣象數(shù)據(jù)庫選取，來源為CSWD，如表3所示。

表3 室外設計參數(shù)

1.4 室內(nèi)環(huán)境控制參數(shù)

室內(nèi)溫濕度控制的高低直接影響了建筑能耗的大小，本著節(jié)能的原則，夏季室內(nèi)溫度不宜過低，冬季室內(nèi)溫度不宜過高，具體設置如表4。

表4 室內(nèi)環(huán)境參數(shù)

1.5 室內(nèi)熱擾及作息安排

1）人員設置。建筑內(nèi)主要有5名成員，為方便軟件參數(shù)設置，假設各個房間人員活動規(guī)律一致，根據(jù)EnergyPlus軟件的Documents文件查得室內(nèi)人員活動功率為70 W/m2，且待在室內(nèi)時間取6 h/天。

2）通風設置。依據(jù)《標準》一規(guī)定，以滿足每人每小時30立方米新風量為原則，室內(nèi)通風作息與人員作息設置相同。研究對象的暖通空調(diào)系統(tǒng)采用定風量系統(tǒng)，在系統(tǒng)中添加新風熱回收裝置，并且采用全熱回收的形式，熱回收率為65%。同時，保證建筑良好的氣密性，規(guī)定空氣滲透換氣次數(shù)為0.042 h-1。

3）照明及用電設備設置。根據(jù)《標準》一規(guī)定，建筑冷熱負荷計算過程中，照明功率密度統(tǒng)一取值5 W/m2，家電功率密度統(tǒng)一取值8 W/m2。照明和用電設備的作息分為兩種：衛(wèi)生間、走廊、樓梯間設置為2 h/天，其余房間設置為6 h/天。

4）為避免太陽輻射造成的夏季供冷能耗增加，建筑的外窗設置這樣構(gòu)件。選擇內(nèi)置百葉式遮陽方式，室內(nèi)人員可按照不同需求對其進行手動調(diào)節(jié)。

2 能耗模擬

本文采用EnergyPlus軟件進行建筑能耗模擬，EnergyPlus主要用于建筑能量特性模擬與負荷計算，它吸收了DOE-2和BLAST兩個軟件的優(yōu)點，并具備很多新的功能[5]。

2.1 能耗模擬時間

模擬時間為全年，8760 h，參照《標準》一確定供暖期和供冷期。

1）供暖時間設置。除車庫以外，各房間保證在11月13日至次年3月14日的供暖期期間室內(nèi)溫度在20℃以上，室內(nèi)相對濕度在30%以上，累計供暖天數(shù)122 d。采取間歇供暖方式，間歇供暖時間為5:00～13:00，17:00～ 次日 1:00。

2）供冷時間設置。除車庫以外，各房間保證在5月2日至9月24日之間室內(nèi)溫度在26℃以下，同時室內(nèi)相對濕度在60%以下，累計供冷天數(shù)146 d。供冷策略分為廳室與臥室兩種。其中，廳室供冷時間設置為周一至周五7:00～8:00，16:00～22:00，而周六周日8:00～24:00。臥室供冷時間設置為周一至周五16:00～24:00，周六周日 8:00～24:00。

2.2 建筑模型建立

EnergyPlus的建模操作需要借助Google Sketch Up的插件Open Studio Plug-in，在Sketch Up中構(gòu)件EnergyPlus模擬運行所需要的幾何模型，本文的建筑模型如圖3所示。

圖3 建筑能耗模型

2.3 能耗模擬結(jié)果

按照上述室內(nèi)外計算參數(shù)、模擬時間等基本設置用EnergyPlus對建筑進行模擬計算，得到的負荷計算結(jié)果和建筑能耗模擬結(jié)果如下。

1）被動式超低能耗建筑各個熱區(qū)的設計冷負荷和設計熱負荷如表5所示，根據(jù)表格計算冷負荷指標和熱負荷指標分別為19.41 W/m2和13.71 W/m2?！稑藴省芬恢形唇o出房屋單位面積的負荷控制指標，參考河北省《被動式低能耗居住建筑節(jié)能設計標準》DB 13(J)/T177-2015[6]。該《標準》規(guī)定采暖負荷指標不大于10 W/m2，最大制冷負荷指標不大于20 W/m2。由此可見，本文計算結(jié)果與該標準規(guī)定值較為接近。

表5 被動式超低能耗建筑設計冷熱負荷

2）被動式超低能耗建筑的全年建筑能耗如表6所示，其中年采暖需求和年制冷需求分別為0.14 kWh/m2和24.86 kWh/m2，符合《標準》一規(guī)定。圖4顯示了分項能耗占總能耗的百分比，采暖空調(diào)能耗約占總能耗的50%。

表6 全年建筑能耗

圖4 分項能耗對比

表7 計算結(jié)果比較

3）被動式超低能耗建筑與山東省現(xiàn)行節(jié)能標準下的居住建筑相比，熱區(qū)的負荷值與耗能量均有降低，通過比較可得節(jié)能率約為35%，具體結(jié)果見表7。

2.4 模擬結(jié)果分析

1）由模擬結(jié)果可知，單位面積建筑年累計耗熱量為0.14 kWh/m2，計算值遠遠小于《被動式超低能耗居住建筑節(jié)能設計標準》中規(guī)定的“不大于10 kWh/m2”。熱負荷主要來自于圍護結(jié)構(gòu)和室外新風，而被動式建筑圍護結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)一般都不大，所以這說明了新風熱回收在降低建筑能耗方面效果顯著，建議新建節(jié)能建筑加強對熱回收技術(shù)的使用。

2）夏季的能耗相較于冬季能耗來說，明顯偏大。一方面是因為濟南市供冷季時間過長，所以適當縮短供冷天數(shù)，加強對通風技術(shù)的應用對降低夏季能耗可以有所幫助。由于建筑通過圍護結(jié)構(gòu)傳熱量很小，說明室內(nèi)熱擾在建筑負荷中具有重要的影響，由圖4可以看出照明和用電設備在建筑能耗中所占比例較大，建議新建建筑設計時采用光導管、設置自動可調(diào)百葉遮陽等技術(shù)減少室內(nèi)照明能耗。用電設備在不使用時關(guān)閉電源，減少耗能量。

3）從上世紀80年代至今，節(jié)能率從最初的30%提升到現(xiàn)如今的75%，這說明建筑節(jié)能技術(shù)在不斷改進。通過本文被動式建筑和現(xiàn)行節(jié)能居住建筑的比較，可以看出暖通空調(diào)在建筑節(jié)能領(lǐng)域發(fā)展?jié)摿薮螅约訌妼ε照{(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化改進對建筑節(jié)能的進一步發(fā)展具有重要的意義。

3 結(jié)論及展望

本文通過借助EnergyPlus能耗模擬軟件對濟南市某二層別墅的能耗進行能耗模擬，并對計算結(jié)果進行了分析，可得結(jié)論如下。

1）建筑能耗模擬結(jié)果符合《被動式超低能耗居住建筑節(jié)能設計標準》中的規(guī)定值，對該標準中的圍護結(jié)構(gòu)、氣密性、熱回收技術(shù)等相關(guān)條例的規(guī)定進行了很好的驗證。其中，熱回收技術(shù)對降低建筑負荷作用較明顯。

2）室內(nèi)熱擾（如：照明，用電設備）對夏季負荷影響較大，可通過被動式技術(shù)來降低夏季能耗，同時也要增強室內(nèi)人員的節(jié)能意識，養(yǎng)成良好的用電習慣。

3）被動式超低能耗建筑相對于山東省現(xiàn)行的節(jié)能居住建筑節(jié)能率達35%，即暖通空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化設計對提升建筑節(jié)能率大有幫助。

建筑節(jié)能技術(shù)會隨著世界能源危機的加劇發(fā)展得越來越快，而我國建筑節(jié)能相對于歐美發(fā)達國家來說起步較晚。本文中的《被動式超低能耗居住建筑節(jié)能設計標準》是山東省發(fā)布的適用于山東省新建、擴建居住建筑的節(jié)能設計，而我國有34個省、市、自治區(qū)，五大氣候區(qū)，不同省份或不同氣候區(qū)對建筑節(jié)能技術(shù)的要求也有所不同，所以加強對中國各地節(jié)能技術(shù)的研究并編寫適用性技術(shù)標準的任務任重而道遠。