超低能耗辦公建筑能耗模擬分析

王 震

（濰坊市建筑設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，山東 濰坊 261000）

0 引言

由于環(huán)境惡化，世界能源短缺，各國(guó)開始大力發(fā)展節(jié)能建筑，如超低能耗建筑、近零能耗建筑以及零能耗建筑等。在歐洲各國(guó)，被動(dòng)式超低能耗建筑已經(jīng)普及，從2020年12月31日起，歐盟的27個(gè)國(guó)家要求所有新建建筑必須采用被動(dòng)式超低能耗建筑的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，美國(guó)要求“零能耗建筑”在2025年商業(yè)化，通過(guò)推動(dòng)“凈零能耗公共建筑倡議”，到2030年所有新建公共建筑達(dá)到凈零能耗狀態(tài)，到2050年所有公共建筑達(dá)到凈零能耗。我國(guó)對(duì)相應(yīng)建筑的研究較晚，從20世紀(jì)80年代才開始，雖然建立了多個(gè)示范項(xiàng)目，出臺(tái)了多項(xiàng)政策，但是我國(guó)相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)體系并不完善。國(guó)內(nèi)的超低能耗建筑大多數(shù)以居住建筑為主，公共建筑相對(duì)較少，且因公共建筑的類型眾多，情況相對(duì)復(fù)雜，用單一的能耗及熱工指標(biāo)去分析并準(zhǔn)確描述相應(yīng)的能效水平已經(jīng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)，需要對(duì)每種類型的建筑進(jìn)行研究，從而得到相應(yīng)的指標(biāo)。該文通過(guò)運(yùn)用Design Builder能耗軟件，對(duì)山東省某超低能耗辦公樓進(jìn)行模擬計(jì)算以及能耗分析，為設(shè)計(jì)超低能耗建筑提供研究方向，同時(shí)為制定山東省公共建筑超低能耗標(biāo)準(zhǔn)提供參考價(jià)值。

1 工程概況

該項(xiàng)目位于山東省濰坊市，為多層公共建筑，主樓地上主體為三層。一層設(shè)置休閑區(qū)和值班室，中庭一直通至屋面，頂部為采光窗；一層、二層分別為辦公區(qū)、衛(wèi)生間、新風(fēng)機(jī)房；三層為辦公室、會(huì)議室、衛(wèi)生間以及新風(fēng)機(jī)房。建筑高度為17.6m，建筑面積為8364 m。

為達(dá)到超低能耗建筑的節(jié)能設(shè)計(jì)要求，在保證室內(nèi)環(huán)境舒適的前提下，消耗更少的能源，該工程的設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下。1）圍護(hù)結(jié)構(gòu)具有高氣密性以及良好的保溫性能。2）無(wú)熱橋設(shè)計(jì)。3）新風(fēng)的熱回收效率高。4）合理利用日照以及自然通風(fēng)。

2 模型建立

常規(guī)設(shè)計(jì)中，在計(jì)算建筑物的負(fù)荷時(shí)，只需要計(jì)算最大冷負(fù)荷及熱負(fù)荷即可，但是超低能耗建筑因?yàn)槠涮匦裕覂?nèi)溫度場(chǎng)的變化與常規(guī)建筑相比，要有延遲和衰減，能耗較常規(guī)建筑少，常規(guī)設(shè)計(jì)不再能滿足設(shè)計(jì)要求，因此需要對(duì)建筑物進(jìn)行全年逐時(shí)負(fù)荷分析。Design Builder能耗模擬軟件，在設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)充分考慮墻體的結(jié)構(gòu)材料對(duì)溫度波的延遲和衰減，且可以對(duì)建筑內(nèi)環(huán)境進(jìn)行全年8760h的動(dòng)態(tài)模擬計(jì)算和不同空調(diào)方案的模擬計(jì)算，其結(jié)果更加準(zhǔn)確。Design Builder軟件首先根據(jù)實(shí)際建筑在軟件中建立模型，這是一款能夠?qū)ㄖ锏牟晒?、照明、制冷、供暖和通風(fēng)等進(jìn)行能耗模擬分析的建筑節(jié)能設(shè)計(jì)型軟件。建立完建筑物的模型后，通過(guò)輸入相應(yīng)的參數(shù)（包括室內(nèi)房間設(shè)計(jì)溫度、室外氣象參數(shù)、建筑物的圍護(hù)結(jié)構(gòu)系數(shù)及體型系數(shù)、空調(diào)系統(tǒng)及運(yùn)行方案，房間人員數(shù)量及停留時(shí)間、新風(fēng)需求、電器設(shè)備及照明相關(guān)參數(shù)），對(duì)全年進(jìn)行8760h的動(dòng)態(tài)模擬計(jì)算，得到該建筑物全年的能源消耗情況，進(jìn)而得到相應(yīng)的各項(xiàng)指標(biāo)，以便應(yīng)用于后續(xù)的各項(xiàng)分析工作。

2.1 模擬模型

根據(jù)建筑平面圖建立模擬模型如圖1所示。模型建立的模擬面積為8935.92 m，其中空調(diào)面積為8175.78 m，非空調(diào)面積為760.14 m。

圖1 Design Builder建筑模擬示意圖

2.2 室外設(shè)計(jì)參數(shù)選取

濰坊市屬于寒冷A區(qū)，其氣象參數(shù)如圖2所示。根據(jù)圖2給出的逐時(shí)干球溫度，輸入至軟件，用以模擬計(jì)算該工程的逐時(shí)動(dòng)態(tài)冷熱負(fù)荷及其他的能耗指標(biāo)。

圖2 濰坊地區(qū)典型氣象年逐時(shí)干球溫度分布

2.3 室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)選取及空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該工程室內(nèi)空調(diào)采用直流變頻多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)，使用空調(diào)的空間同時(shí)采用新風(fēng)換氣機(jī)進(jìn)行通風(fēng)換氣。主要功能房間基本參數(shù)見表1，該工程人數(shù)設(shè)定見表2。新風(fēng)機(jī)組同時(shí)具有熱回收功能以及自帶冷熱源，熱回收效率高于70%。

表1 主要功能房間基本參數(shù)設(shè)定

表2 主要功能房間人數(shù)設(shè)定

新風(fēng)機(jī)組選擇空氣源熱泵機(jī)組，冷熱源為空氣能。夏季供水溫度為7℃，回水溫度為12℃；冬季回水溫度為40℃，供水溫度為55℃。新風(fēng)系統(tǒng)的空調(diào)供回水干管采用異程式系統(tǒng)，各新風(fēng)機(jī)組回水管加設(shè)比例積分電動(dòng)閥，系統(tǒng)最高處設(shè)自動(dòng)排氣閥，最低處設(shè)泄水閥。在負(fù)荷較小時(shí)，僅通過(guò)新風(fēng)系統(tǒng)供熱、供冷，當(dāng)負(fù)荷較大時(shí)，多聯(lián)機(jī)與新風(fēng)系統(tǒng)一起對(duì)室內(nèi)聯(lián)合供冷、供暖，新風(fēng)系統(tǒng)只承擔(dān)新風(fēng)負(fù)荷，處理至室內(nèi)狀態(tài)點(diǎn)（焓值狀態(tài)），多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)承擔(dān)室內(nèi)負(fù)荷。 房間內(nèi)設(shè)置CO濃度檢測(cè)裝置，一旦房間內(nèi)CO濃度超過(guò)限值，自動(dòng)啟動(dòng)新風(fēng)機(jī)組，并且設(shè)置開關(guān)裝置與送風(fēng)口聯(lián)動(dòng)，能夠人為關(guān)閉、開啟風(fēng)口，新風(fēng)機(jī)組變風(fēng)量運(yùn)行。空調(diào)室外機(jī)均采用變頻控制方式，可實(shí)現(xiàn)根據(jù)負(fù)荷變化全自動(dòng)控制的低能耗運(yùn)行模式。該工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)氣密性好，為保證室內(nèi)空氣品質(zhì)，新風(fēng)機(jī)組采用帶PM2.5凈化功能設(shè)備，新風(fēng)通過(guò)本層進(jìn)入，排風(fēng)風(fēng)井排至屋面排出。

2.4 建筑主要圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)定

參照GB 50189—2019《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》要求，該工程的實(shí)際圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)以及模擬用參數(shù)見表3，建筑體形系數(shù)及各朝向窗墻面積比參數(shù)見表4。

表3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

表4 建筑體形系數(shù)及各朝向窗墻面積比

3 主要模擬參數(shù)設(shè)定及空調(diào)運(yùn)行方案

在辦公建筑中，能耗最大的屬于空調(diào)耗能，其中包括冬季供暖和夏季制冷耗能，其次為照明及設(shè)備耗能。因?yàn)楸敬文M的主要模擬參數(shù)包括房間被人員使用的概率、使用照明的概率、使用電器設(shè)備的概率，以及電腦、打印機(jī)等電器設(shè)備的功率密度，照明設(shè)備的照度值及空調(diào)運(yùn)行時(shí)間等。

3.1 房間被人員使用的概率、照明開關(guān)時(shí)間、使用電器設(shè)備的概率

辦公建筑因其功能，作息時(shí)間與居住建筑不同，是與辦公單位的工作性質(zhì)與作息時(shí)間息息相關(guān)的，這次模擬考慮大多數(shù)情況，參照GB 50189—2019《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》要求，辦公區(qū)域工作時(shí)間為周一～周五的08：00～18：00，周末休息。參數(shù)設(shè)置分為非采暖空調(diào)房間和采暖空調(diào)房間。1）非采暖空調(diào)房間包括機(jī)房、樓梯間等，在07：00～19：00期間房間被人員使用的概率、使用照明的概率、使用電器設(shè)備的概率均為10%，其余時(shí)間為0。2）采暖空調(diào)房間包括辦公室、會(huì)議室等，辦公室的房間被人員使用的概率、使用照明的概率見表5，使用電器設(shè)備的概率見表6；會(huì)議室的房間被人員使用的概率、使用照明的概率、使用電器設(shè)備的概率在10：00、15：00為50%，其余為0。

表5 人員在室率、照明時(shí)間開關(guān)（辦公室）

表6 電器設(shè)備逐時(shí)使用率（辦公室）

3.2 電器設(shè)備功率密度、照度、照明功率密度值、燈具選擇

根據(jù)規(guī)范要求，辦公建筑用電指標(biāo)在30 W/m～70 W/m，這次計(jì)算根據(jù)辦公室的用電設(shè)備使用情況，將辦公室的電器設(shè)備功率設(shè)置為15.0 W/m，會(huì)議室的電器設(shè)備功率設(shè)置為5.0W/m（以上數(shù)據(jù)不考慮空調(diào)用電功率）。

同時(shí)，根據(jù)GB 50034-2013《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中第5.3.2及第6.3.3條的要求，規(guī)定公共建筑中，辦公室、會(huì)議室、值班室、公共大廳等具有辦公用途場(chǎng)所的照度均為300 LX，照明功率密度值均為8.0W/m，參考高度為0.75m水平面，照明燈具維修系數(shù)設(shè)定為0.8。

燈具選擇：在公共區(qū)域以及長(zhǎng)時(shí)間無(wú)人停留的位置，采用LED燈具（例如走道、衛(wèi)生間等地），控制方式采用就地感應(yīng)控制，整個(gè)照明配電系統(tǒng)的功率因數(shù)為0.95。

3.3 空調(diào)運(yùn)行時(shí)間

該工程處于寒冷地區(qū)，具有冬季寒冷、夏季炎熱的特點(diǎn)，所以空調(diào)運(yùn)行是根據(jù)天氣的變化而調(diào)整的，參照DB37/T 5074-2016《被動(dòng)式超低能耗居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的要求，空調(diào)運(yùn)行時(shí)間見表7。

表7 空調(diào)運(yùn)行時(shí)間

該工程空調(diào)系統(tǒng)非24 h不間斷連續(xù)運(yùn)行，根據(jù)辦公建筑的實(shí)際性質(zhì)，將辦公室空調(diào)運(yùn)行的時(shí)間設(shè)定為周一～周五的08：00～18：00，周末休息；會(huì)議室空調(diào)運(yùn)行時(shí)間在周一～周五的10：00、15：00開啟。

4 模擬計(jì)算結(jié)果

利用軟件對(duì)建筑物全年共8760h的動(dòng)態(tài)模擬計(jì)算，得出了空調(diào)及供暖的負(fù)荷圖，如圖3所示。根據(jù)圖3，可以得出最大熱負(fù)荷出現(xiàn)時(shí)間為1月21日11：00，最大冷負(fù)荷出現(xiàn)時(shí)間為7月29日09：00。最大冷、熱負(fù)荷出現(xiàn)日的各時(shí)刻逐時(shí)負(fù)荷見表8。根據(jù)模擬數(shù)據(jù)顯示，項(xiàng)目建筑負(fù)荷及累計(jì)需求結(jié)果見表9。

圖3 建筑全年供暖及空調(diào)負(fù)荷圖

表8 最大冷/熱負(fù)荷出現(xiàn)日各時(shí)刻逐時(shí)負(fù)荷統(tǒng)計(jì)

表9 建筑負(fù)荷及累計(jì)需求結(jié)果匯總表

5 結(jié)論

通過(guò)上述全年8760 h逐時(shí)動(dòng)態(tài)模擬計(jì)算的結(jié)果可以看出，該超低能耗綠色建筑辦公樓全年空調(diào)累計(jì)需求指標(biāo)為19.70 kW·h/m·a，全年供熱累計(jì)需求指標(biāo)為 9.33 kW·h/m·a，一次能源消耗為108.73 kW·h/m，能夠滿足被動(dòng)式超低能耗建筑要求。因此該模擬模型的結(jié)果具有良好的可靠性，后期可以利用該模型進(jìn)行下一步研究工作。