近零能耗建筑“供冷年耗冷量”不確定性分析

苗莉娜 舒海文 趙心怡 啜宏 李澤

大連理工大學(xué)土木工程學(xué)院

0 引言

發(fā)展近零能耗（或超低能耗）建筑能夠高效地促進(jìn)建筑領(lǐng)域的節(jié)能減排工作，我國于2019 年正式頒布了國家標(biāo)準(zhǔn)《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 51350-2019）[1]（以下簡稱“標(biāo)準(zhǔn)”），該“標(biāo)準(zhǔn)”為我國近零能耗建筑的設(shè)計(jì)、施工、檢測及評價(jià)等環(huán)節(jié)提供了相應(yīng)的技術(shù)指導(dǎo)與技術(shù)支撐。而目前“標(biāo)準(zhǔn)”中關(guān)于人員作息模式等方面的規(guī)定會(huì)給“供冷年耗冷量”這項(xiàng)重要能效指標(biāo)的計(jì)算帶來不確定性。

本文將結(jié)合“標(biāo)準(zhǔn)”的規(guī)定，以某棟寒冷地區(qū)近零能耗居住建筑為案例，采用由清華大學(xué)開發(fā)的建筑熱環(huán)境模擬軟件DeST（Designer’s Simulation Toolkit）對該建筑案例進(jìn)行模擬計(jì)算，結(jié)合“標(biāo)準(zhǔn)”中關(guān)于人員作息，內(nèi)遮陽作息和空調(diào)運(yùn)行模式方面的規(guī)定，分析由此引起的建筑供冷年耗冷量計(jì)算結(jié)果的不確定性。

1 寒冷地區(qū)典型城市以及近零能耗建筑的選取

根據(jù)我國《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50176-2016）[2]，按照建筑熱工設(shè)計(jì)二級區(qū)劃指標(biāo)，寒冷地區(qū)可細(xì)分為寒冷A 區(qū)和寒冷B 區(qū)（空調(diào)度日數(shù)CDD26≤90 為寒冷A 區(qū)，CDD26＞90 為寒冷B 區(qū)），本文選取大連，蘭州，北京及石家莊分別作為寒冷A區(qū)和B 區(qū)的典型城市代表，各典型城市CDD26 值見表1，其中大連和蘭州的空調(diào)度日數(shù)CDD26 相同，但兩個(gè)城市一個(gè)沿海，一個(gè)內(nèi)陸，氣象方面有較大不同，按《太陽能資源評估方法》（GB/T 37526-2019）[3]大連屬于太陽能資源豐富區(qū)（第3 類），蘭州則屬于太陽能資源很豐富區(qū)（第2 類）。

表1 典型城市CDD26 值

本文選取的模擬對象為一棟六層住宅建筑，其標(biāo)準(zhǔn)層平面圖如圖1 所示。該住宅的總建筑面積1416 m2，總空調(diào)面積1182 m2，層高為3.0 m，體形系數(shù)為0.325，建筑朝向?yàn)槟媳毕颉?/p>

圖1 建筑標(biāo)準(zhǔn)層平面圖

以下結(jié)合“標(biāo)準(zhǔn)”的規(guī)定，確定與建筑供冷年耗冷量相關(guān)的設(shè)計(jì)參數(shù)。

1.1 室內(nèi)環(huán)境與圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

依據(jù)“標(biāo)準(zhǔn)”的規(guī)定，本建筑中室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的取值見表2。

表2 室內(nèi)環(huán)境參數(shù)

新風(fēng)量按《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]中對居住建筑換氣次數(shù)的規(guī)定而選取，這里人均建筑面積為32 m2，最小換氣次數(shù)取0.5 次/h。

根據(jù)“標(biāo)準(zhǔn)”中對寒冷地區(qū)圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)的規(guī)定，設(shè)置本建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)，具體見表3。

表3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)值及規(guī)定值

1.2 房間內(nèi)熱源參數(shù)

本建筑按“標(biāo)準(zhǔn)”中附錄A 的規(guī)定來確定人員、照明與設(shè)備情況，詳見表4。

表4 不同類型房間各種內(nèi)熱源設(shè)置

對內(nèi)熱源的逐時(shí)作息做出具體規(guī)定可以準(zhǔn)確的計(jì)算出供冷耗熱量指標(biāo)，盡管“標(biāo)準(zhǔn)”并沒有給出內(nèi)熱源的逐時(shí)作息，但相應(yīng)給出了人員密度及在室率等規(guī)定，作為內(nèi)熱源代表，本文研究了“標(biāo)準(zhǔn)”中關(guān)于室內(nèi)人員的這種規(guī)定對年耗冷量計(jì)算結(jié)果的影響（不同的人員作息情況詳見2.1 節(jié)）。本文中，照明和設(shè)備的逐時(shí)作息是按照《山東省被動(dòng)式超低能耗居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[5]而設(shè)定，其中照明開啟時(shí)長及設(shè)備使用率均滿足表4 的規(guī)定，具體設(shè)置見圖2 和圖3。

圖2 照明逐時(shí)作息

圖3 設(shè)備逐時(shí)作息

1.3 建筑遮陽參數(shù)

盡管“標(biāo)準(zhǔn)”對建筑遮陽做出多方面的規(guī)定（包括遮陽措施的選擇、各朝向建筑宜采用的外遮陽方式、活動(dòng)遮陽系數(shù)、遮陽與照明的聯(lián)動(dòng)控制等），但卻未對內(nèi)遮陽作息做出規(guī)定，而已有的研究結(jié)果表明，內(nèi)遮陽對建筑冷負(fù)荷的影響顯著[6-7]，因此，本文還將研究不同內(nèi)遮陽作息對建筑供冷年耗冷量計(jì)算結(jié)果的影響，具體見第3.1 節(jié)。

現(xiàn)有寒冷地區(qū)的居住建筑較少建造外遮陽，一般是在建成后住戶自行安裝遮陽簾幕或窗簾等內(nèi)遮陽[8]。依據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)對內(nèi)遮陽形式及遮擋比例的研究結(jié)果[9-10]，本文采用淺色窗簾遮陽（短波反射率0.75），窗戶被窗簾遮擋比例80%，此時(shí)遮陽效果較好且能較好滿足室內(nèi)采光需求。夏季遮陽能夠有效降低冷負(fù)荷，取遮陽日期為5 月20 日-9 月15 日[11]。本文為研究內(nèi)遮陽作息的影響，設(shè)置了三種遮陽作息，具體見第3 節(jié)。

1.4 空調(diào)運(yùn)行模式

根據(jù)“標(biāo)準(zhǔn)”規(guī)定，空調(diào)系統(tǒng)工作時(shí)間為0:00～24:00。而大量實(shí)際調(diào)研結(jié)果表明，寒冷地區(qū)住宅建筑中，夏季空調(diào)幾乎沒有全天運(yùn)行的情況，故本文還將研究不同空調(diào)運(yùn)行模式對供冷年耗冷量計(jì)算結(jié)果的影響，具體情況詳見第4 節(jié)。

2 人員作息對供冷年耗冷量計(jì)算的結(jié)果的影響

本節(jié)主要研究室內(nèi)人員在滿足“標(biāo)準(zhǔn)”要求的“在室率”前提下，不同的逐時(shí)人員作息模式對供冷年耗冷量計(jì)算結(jié)果的影響。以大連地區(qū)為例，計(jì)算中采用全天內(nèi)遮陽作息模式和全天空調(diào)運(yùn)行模式，其它參數(shù)設(shè)置見第1 節(jié)。

2.1 滿足“標(biāo)準(zhǔn)”要求的不同人員作息模式的設(shè)定

依據(jù)文獻(xiàn)[12-14]調(diào)研結(jié)果，設(shè)置三種人員作息模式，見圖4，各種類型房間的人員在室率均符合“標(biāo)準(zhǔn)”規(guī)定值。

圖4 不同類型房間的三種人員作息模式

2.2 不同人員作息模式的計(jì)算結(jié)果對比

三種不同人員作息模式條件下的建筑供冷年耗冷量計(jì)算結(jié)果如表5 所示。

表5 三種人員作息模式下建筑的供冷年耗冷量

由表5 可見：當(dāng)在室率滿足“標(biāo)準(zhǔn)”規(guī)定時(shí)，不同的逐時(shí)人員作息對供冷年耗冷量計(jì)算結(jié)果的影響較小，與平均值最大相差2.68%。可見，只要人員在室率相同，即使具體作息時(shí)間不同，對建筑供冷年耗冷量的影響也很小。

3 內(nèi)遮陽作息對供冷年耗冷量計(jì)算結(jié)果的影響

內(nèi)遮陽作息對供冷年耗冷量的影響，與當(dāng)?shù)靥栞椛鋸?qiáng)度有著密切關(guān)系，由于大連、石家莊和北京屬于寒冷地區(qū)中太陽輻射情況相近的城市（參見表6），此處僅以大連為代表，故本這里只對大連和蘭州進(jìn)行模擬計(jì)算。計(jì)算中，共設(shè)定3 種內(nèi)遮陽作息模式[9]，具體見表7，空調(diào)模式設(shè)置為全天工作模式、人員作息選取與平均值相差最小的模式1（見2.1 節(jié)），其它參數(shù)設(shè)置見第1 節(jié)。

表6 典型城市太陽能輻射情況

表7 不同內(nèi)遮陽作息時(shí)大連、蘭州供冷年耗冷量計(jì)算結(jié)果

由表7 可見：

1）內(nèi)遮陽作息對供冷年耗冷量計(jì)算結(jié)果影響顯著，相對于無內(nèi)遮陽，有內(nèi)遮陽時(shí)的供冷年耗冷量降低了35.78%～60.80%。

2）供冷年耗冷量隨遮陽時(shí)間增長而減小，全天24h 遮陽時(shí)最小，這是由于夜間雖然無太陽直射，但白天地面蓄存大量太陽得熱，夜間不進(jìn)行遮陽時(shí)，這部分熱量會(huì)以輻射的形式通過窗戶進(jìn)入室內(nèi)，導(dǎo)致僅白天遮陽時(shí)室內(nèi)顯熱負(fù)荷增加。

4 空調(diào)運(yùn)行模式對供冷年耗冷量計(jì)算結(jié)果的影響

為研究空調(diào)模式對供冷年耗冷量計(jì)算結(jié)果的影響，本文設(shè)置四種空調(diào)模式進(jìn)行模擬計(jì)算。計(jì)算中設(shè)置內(nèi)遮陽24h，人員作息選取與平均值相差最小的模式1，其他設(shè)置見第1 節(jié)。

4.1 空調(diào)模式

依據(jù)本文的研究目的及普通居民的實(shí)際生活規(guī)律，參照已有研究的調(diào)查問卷結(jié)果[13，15]，共設(shè)置4 種空調(diào)模式，具體見表8，其中的模式1 為連續(xù)空調(diào)，對應(yīng)“標(biāo)準(zhǔn)”中空調(diào)全天運(yùn)行。

表8 四種空調(diào)模式

4.2 不同空調(diào)模式的計(jì)算結(jié)果與分析

在本文選取的寒冷地區(qū)四個(gè)典型城市中，該住宅建筑在前面四種不同空調(diào)模式下的供冷年耗冷量計(jì)算結(jié)果分別見表9 和表10。

表9 大連、蘭州供冷年耗冷量計(jì)算結(jié)果

表10 石家莊、北京供冷年耗冷量計(jì)算結(jié)果

由表9 和10 可以發(fā)現(xiàn)：

1）空調(diào)運(yùn)行模式對建筑供冷年耗冷量計(jì)算結(jié)果的影響較大，總體來說，間歇空調(diào)運(yùn)行模式下的供冷年耗冷量比連續(xù)空調(diào)運(yùn)行模式小8.04%～19.62%?？梢?，間歇空調(diào)運(yùn)行模式能夠明顯降低供冷年耗冷量。

2）間歇空調(diào)的具體運(yùn)行模式對供冷年耗冷量計(jì)算結(jié)果影響則較小，相對而言，對大連市近零能耗住宅的影響最大，但各種不同間歇空調(diào)模式下的供冷年耗冷量與平均值相差也僅為-4.23%～2.58%。

5 結(jié)論與建議

5.1 結(jié)論

在滿足國家《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的前提下，本文通過對寒冷地區(qū)近零能耗居住建筑案例進(jìn)行模擬計(jì)算，研究了三個(gè)可能對供冷年耗冷量計(jì)算結(jié)果的確定性有較大影響的因素：室內(nèi)人員作息、內(nèi)遮陽作息以及空調(diào)運(yùn)行模式，初步得到以下結(jié)論：

1）在滿足“標(biāo)準(zhǔn)”規(guī)定的人員在室率條件下，對應(yīng)不同的逐時(shí)人員作息，供冷年耗冷量計(jì)算結(jié)果相差較小（與平均值偏差小于5%），說明“標(biāo)準(zhǔn)”在人員在室率方面的規(guī)定所不會(huì)明顯導(dǎo)致供冷年耗冷量計(jì)算結(jié)果的不確定性。

2）內(nèi)遮陽作息對供冷年耗冷量計(jì)算結(jié)果的影響很顯著，不同內(nèi)遮陽模式的計(jì)算結(jié)果相差35.78%～60.80%，且供冷年耗冷量隨遮陽時(shí)間的增加而越小。

3）空調(diào)運(yùn)行模式對建筑供冷年耗冷量計(jì)算結(jié)果的影響較大，案例中不同的間歇空調(diào)運(yùn)行模式比全天連續(xù)運(yùn)行模式下的計(jì)算結(jié)果小8.04%～19.62%，但間歇空調(diào)不同的具體運(yùn)行模式對供冷年耗冷量計(jì)算結(jié)果影響則較小，各種不同間歇空調(diào)模式下的供冷年耗冷量與平均值相差的絕對值小于5%。

5.2 建議

根據(jù)本文對影響近零能耗居住建筑供冷年耗冷量計(jì)算結(jié)果確定性的三個(gè)因素的模擬計(jì)算與分析，提出以下建議：

1）為保證供冷年耗冷量計(jì)算結(jié)果的確定性，建議“標(biāo)準(zhǔn)”對建筑內(nèi)遮陽作息進(jìn)行詳細(xì)規(guī)定。結(jié)合本文的模擬計(jì)算結(jié)果并兼顧生活實(shí)際，推薦遮陽作息設(shè)置為7:00-18:00。

2）目前“標(biāo)準(zhǔn)”規(guī)定的空調(diào)全天模式與實(shí)際情況存在明顯偏差，且會(huì)導(dǎo)致供冷年耗冷量模擬計(jì)算結(jié)果增大，甚至?xí)^“標(biāo)準(zhǔn)”限值而影響近零能耗居住建筑的評價(jià)結(jié)果，因此建議“標(biāo)準(zhǔn)”對居住建筑空調(diào)運(yùn)行模式改為適當(dāng)?shù)拈g歇運(yùn)行模式。