基于PKPM-CES 軟件的湖南省典型居住建筑能耗及碳排放指標(biāo)研究

王佳員，朱峰磊，李娟，劉平平，李杏，裴尚慧

（1 中國建筑科學(xué)研究院有限公司，北京 100013；2 成都城市天地工程設(shè)計(jì)咨詢有限責(zé)任公司，四川成都 610000）

0 引言

《建筑節(jié)能與可再生能源利用通用規(guī)范》GB50155—2021（以下簡稱“通用規(guī)范”）實(shí)施后，湖南全省范圍內(nèi)新建、改建、擴(kuò)建及既有建筑節(jié)能改造項(xiàng)目都應(yīng)依據(jù)通用規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)、審查，《通用規(guī)范》的發(fā)布對(duì)湖南節(jié)能設(shè)計(jì)產(chǎn)生了較大影響，主要體現(xiàn)在建筑節(jié)能設(shè)計(jì)新增建筑碳排放進(jìn)行計(jì)算的要求，且需考慮建筑減碳效果。本文旨在通用規(guī)范的要求下，采用中國建研院北京構(gòu)力科技有限公司開發(fā)的PKPM-CES 軟件分析湖南省14 個(gè)城市典型居住建筑碳排放和能耗指標(biāo)水平，為全省制定新的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)及地方節(jié)能政策提供參考依據(jù)。

1 分析工具介紹

本文分析工具采用中國建研院北京構(gòu)力科技有限公司的PKPMCES 軟件，該款軟件支持Doe 及IBE 內(nèi)核計(jì)算建筑能耗及碳排放量，軟件中內(nèi)置了《湖南省居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》《湖南省公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》以及《建筑節(jié)能與可再生能源利用通用規(guī)范》GB55015—2021 和《建筑碳排放計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 51366—2019 等標(biāo)準(zhǔn)，其中建筑全生命周期的碳排放的計(jì)算方法依據(jù)的是《建筑碳排放計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 51366—2019。該款分析軟件是目前市場上常見的能耗及碳排放計(jì)算軟件，因此本文研究內(nèi)容中能耗及碳排放量計(jì)算采用PKPM-CES 軟件。

2 分析模型建立

利用PKPM-CES 軟件對(duì)設(shè)計(jì)建筑的能耗及碳排放強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算分析，分析模型選取了6 層板式住宅建筑，建筑面積3335.64 m2，結(jié)構(gòu)形式為剪力墻結(jié)構(gòu)，地上層數(shù)為6 層，建筑總高度21.90 m，建筑朝向?yàn)槟媳毕?，體形系數(shù)0.28，南向窗墻比為0.49，東向窗墻比為0.12，西向窗墻比0.12，北向窗墻比為0.20。設(shè)計(jì)建筑屋面保溫材料采用80 mm 厚擠塑聚苯乙烯泡沫板，外墻保溫材料采用40 mm 厚無飾面復(fù)合巖棉板，外窗采用隔熱金屬型材和塑料型材，其整窗傳熱系數(shù)分別為2.80W/(m2·K)和2.00 W/(m2·K)。

圖1 PKPM-CES 分析模型

3 分析條件

選取湖南14 個(gè)城市，分別為長沙、常德、郴州、衡陽、懷化、婁底、邵陽、湘潭、湘西、益陽、永州、岳陽、張家界、株洲。設(shè)計(jì)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)取值滿足《建筑節(jié)能與可再生能源利用通用規(guī)范》GB55015—2021 的要求[1]，參照建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)取值的取值依據(jù)《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》JGJ 134—2010[2]。建筑非透光圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工取值詳細(xì)情況見表1。

表1 建筑非透光圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工取值

設(shè)計(jì)建筑及參照建筑的外窗傳熱系數(shù)取值見表2。建筑模擬采用的節(jié)能氣象數(shù)據(jù)來自于《建筑節(jié)能氣象參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)》JGJT346—2014[3]，計(jì)算溫度室內(nèi)冬季取18 ℃，夏季為26 ℃，換氣次數(shù)1 次/h。設(shè)計(jì)建筑的耗電量計(jì)算依據(jù)《通用規(guī)范》附錄C.0.7，其中建筑供暖耗電量按照全年統(tǒng)計(jì)，供冷耗電量只計(jì)入日平均溫度高于26 ℃時(shí)的能耗。建筑的空氣調(diào)節(jié)和供暖系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間、室內(nèi)溫度、照明功率密度值及開關(guān)時(shí)間、房間人均占有的建筑面積及在室率、人員新風(fēng)量及新風(fēng)機(jī)組運(yùn)行時(shí)間表、電器設(shè)備功率密度及使用率按《通用規(guī)范》C.0.6-1 至表C.0.6-13 進(jìn)行確定。參照建筑按《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》JGJ 134—2010 中5.0.6 條，制冷時(shí)額定能效比應(yīng)取2.3，采暖時(shí)額定能效比應(yīng)取1.9；設(shè)計(jì)建筑夏季供冷系統(tǒng)綜合性能系數(shù)按 《通用規(guī)范》公式C.0.7-2 取3.6，冬季供暖系統(tǒng)綜合性能系數(shù)按《通用規(guī)范》公式C.0.7-5 取2.6。

表2 建筑外窗傳熱系數(shù)取值

4 計(jì)算原理

采用PKPM-CES 軟件對(duì)建筑能耗進(jìn)行計(jì)算，內(nèi)核能耗計(jì)算的方法為反應(yīng)系數(shù)法。反應(yīng)系數(shù)法是先計(jì)算圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)外表面溫度和熱流對(duì)一個(gè)單位三角波溫度擾量的反應(yīng)，計(jì)算出圍護(hù)結(jié)構(gòu)的吸熱、放熱和傳熱反應(yīng)系數(shù)，然后將任意變化的室外溫度分解成一個(gè)個(gè)可疊加的三角波，利用導(dǎo)熱微分方程可疊加的性質(zhì)，將圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)每個(gè)溫度三角波的反應(yīng)疊加起來，得到任一時(shí)刻圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面的溫度和熱流。在反應(yīng)系數(shù)已知后就可利用下式計(jì)算任意n 時(shí)刻，從室外通過板壁圍護(hù)結(jié)構(gòu)向室內(nèi)的傳熱得熱量qn[4]。

其中，tz,n-j為第（n-j）時(shí)刻室外綜合溫度；tr,n-j為第（n-j）時(shí)刻室內(nèi)溫度，Yj,zj為反應(yīng)系數(shù)。DOE 2.1 內(nèi)核采用的是一種正向思維，根據(jù)室外氣象條件、圍護(hù)結(jié)構(gòu)情況，計(jì)算出室內(nèi)溫度以及室內(nèi)得熱量。對(duì)要控制室內(nèi)熱環(huán)境的房間，由選定的供暖空調(diào)系統(tǒng)根據(jù)室內(nèi)負(fù)荷情況提供冷熱量，以維持室溫在允許的范圍內(nèi)波動(dòng)。軟件的計(jì)算過程是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的過程，后一時(shí)刻室內(nèi)溫度、冷熱負(fù)荷以及供暖空調(diào)設(shè)備的耗電量要受前一時(shí)刻的影響。

5 結(jié)果與分析

通過對(duì)14 個(gè)城市的計(jì)算，得出各城市供暖空調(diào)能耗結(jié)果，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 設(shè)計(jì)建筑供暖空調(diào)能耗

從計(jì)算結(jié)果來看，14 個(gè)城市中郴州的空調(diào)能耗最高，通過對(duì)《建筑節(jié)能氣象標(biāo)準(zhǔn)》JGJ/T346—2014 進(jìn)行氣象數(shù)據(jù)處理，得到郴州日平均溫度超過26 ℃的天數(shù)為104 天，長沙為75 天，常德為76 天，邵陽為78 天，湘潭為75 天，岳陽為87 天，湘西為36天，衡陽為96 天，懷化為75 天，益陽為78 天，永州為102 天，張家界為65 天，株洲為75 天。而婁底日平均溫度均未超過26℃，所以計(jì)算空調(diào)能耗為0。日平均溫度超過26 ℃的天數(shù)越多空調(diào)能耗也就越大，這與空調(diào)能耗計(jì)算結(jié)果保持一致。長沙、懷化供冷天數(shù)一樣，但計(jì)算出來的供冷能耗不同，這是因?yàn)殚L沙的103 天供冷天數(shù)的日平均溫度為29.96 ℃、懷化的供冷天數(shù)日平均為28.70 ℃，導(dǎo)致在相同的供冷天數(shù)下，長沙的空調(diào)能耗要高于懷化。湘潭、株洲的日平均溫度超過26℃天數(shù)都為75 天，但計(jì)算出來的空調(diào)能耗也存在差異，主要原因?yàn)橄嫣?、株洲兩地?jīng)緯度不同（圖2）。

圖2 湖南省14 個(gè)城市日平均超過26 ℃的天數(shù)

通過《建筑節(jié)能氣象標(biāo)準(zhǔn)》JGJ/T346—2014 中婁底氣象數(shù)據(jù)庫處理分析可知（見圖3），婁底全年日平均最高溫度最高為25.104 ℃，分別在8 月15、8 月16 這兩天。婁底全年溫度小于18 ℃的小時(shí)數(shù)達(dá)到6167 h，多于其他城市，因此采暖能耗最高。湘西采暖小時(shí)數(shù)為5030 h，采暖小時(shí)數(shù)僅次婁底，體現(xiàn)在采暖能耗上也是同樣的趨勢。永州采暖小時(shí)數(shù)最少，為3971 h，因而采暖能耗最小。14 個(gè)城市采暖小時(shí)數(shù)如圖4。

圖3 婁底全年日平均溫度

圖4 湖南14 個(gè)城市采暖小時(shí)數(shù)

另外本文還研究了設(shè)計(jì)建筑與2016 年正在執(zhí)行節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比，分析不同項(xiàng)目地點(diǎn)的能耗及碳排放降低比例，結(jié)果如表4所示。

表4 供暖空調(diào)總能耗及碳排放強(qiáng)度降低比例

由表4 可知，14 個(gè)地市州的設(shè)計(jì)建筑能耗相對(duì)于參照建筑平均降低39.19% 碳排放強(qiáng)度平均下降了10.96 kgCO2/m2·a。綜上研究得出結(jié)論：

1）13 個(gè)地市州中益陽的供冷供暖總能耗最高，達(dá)到19.51 kWh/m2；

2）14 個(gè)城市州中湘西州的供暖能耗最大，為10.6 kWh/m2，供冷能耗最大為郴州，為13.89 kWh/m2；

3）與參照建筑對(duì)比，平均碳排放強(qiáng)度下降10.96 kgCO2/m2·a，平均碳排放強(qiáng)度降低比例為39.19%。主要原因?yàn)橄鄬?duì)于2016 年節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，通用規(guī)范對(duì)于圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能和供暖空調(diào)綜合性能系數(shù)都有了提升；

4）從研究可知，在滿足《通用規(guī)范》圍護(hù)結(jié)構(gòu)指標(biāo)的要求下，建筑的碳排放強(qiáng)度及降低比例也會(huì)存在達(dá)不到全國平均值（即7 kgCO2/m2·a 及40 %）的情況，需考慮應(yīng)用可再生能源，實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步減碳。