夏热冬暖地区被动式低能耗建筑能耗模拟与分析

2020-06-03冯露菲李以通张占辉王沨枫林丽霞

建筑热能通风空调 2020年4期

冯露菲李以通张占辉王沨枫林丽霞

中国建筑科学研究院有限公司

0 引言

随着社会经济的不断发展，能源消耗日益严重，能源危机已成为制约现代社会经济发展的突出问题，也是全球各国可持续发展面临的最严峻挑战之一[1]。我国建筑用能约占全国能耗总量的27.5%，并将随着人民生活水平的提高逐步增加到30%以上。其中公共建筑用能量巨大，其能耗状况日益严重，在建筑节能中已占据重要位置[2]。

夏热冬暖地区作为我国经济最发达地区之一，其建筑节能工作走在行业前列。根据2017 年8 月住房城乡建设部办公厅发布《关于2016 年建筑节能与绿色建筑工作进展专项检查情况的通报》（建办科函[2017]491 号）统计，夏热冬暖地区竣工验收阶段执行节能标准的比例为98.5%，部分省市已启动节能75%的超低能耗甚至零能耗建筑建设工作[3]。近几年，被动式超低能耗建筑在我国迅速发展，在技术指标、评价标识方法、技术体系、项目实践等方面进行了广泛研究，取得了一定成果。总体上看还是以欧洲尤其德国标准为主要参照物，但我国各地气候差异明显，室内环境标准低，建筑特点，建筑技术以及人民生活习惯都与德国有很大不同。因此在标准范围、适量、适应技术上，迫切需要建立适应我国国情和地方特征、具有地方特色、操作性较强的被动式超低能耗建筑技术体系，为我国被动式超低能耗建筑发展提供术支撑。

基于以上背景，本文以广州市某大型公共建筑为例，根据被动式超低能耗绿色建筑技术体系，结合项目所在区域用能特性，选择了适用项目的被动式节能技术方案，并针对此技术方案开展了空调系统全年逐时能耗模拟工作，计算节能效果，为夏热冬暖地区被动式低能耗建筑的开展提供有益的参考依据。

1 建筑概况

1.1 建筑概况及功能

本研究选取广州市某青少年宫建筑，该建筑总面积为51656.29 m2，其中地上共五层（局部四层），建筑面积约37481.95 m2，地下共一层，建筑面积14174.34 m2。建筑高度为23.63 m，为多层公共建筑，主要有办公、多功能厅、剧场、教室、实验室、展厅等功能。

1.2 建筑定位及应用技术措施

该公共建筑以三星级绿色建筑、低能耗建筑（实现75%节能）、智慧建筑为目标，打造绿色低碳节能智慧场馆。为实现建筑定位，项目按照被动优先、主动优化的原则，应用了高性能围护结构、建筑遮阳、高性能设备等技术，详细技术措施见图1。

图1 应用技术体系

2 建筑参数

2.1 建筑设计参数

为了计算节能率，结合本项目的基本信息，按照《公共建筑节能设计标准》GB50189-2015 中的标准限制选取参照建筑，使参照建筑达到节能65%的标准要求。设计建筑在此基础上增设节能措施，使得比参照建筑再节能至少30%，从而达到综合节能75%目的。参照建筑、设计建筑主要节能技术措施参数见表1。

表1 参照建筑、设计建筑主要节能技术措施

2.2 室内外参数

2.2.1 室内设计参数

根据《全国民用建筑工程设计技术措施暖通空调动力2009》、《公共建筑节能设计标准》GB50189-2015和JGJ66-2015《文化馆建筑设计规范》的规定，各功能房间的室内设计参数如表2 所示。

表2 室内设计参数表

2.2.2 室内发热源（照明、设备、人员）及新风量

1）大厅的照明功率密度按照11 W/m2，办公和其它区域的照明功率按照9 W/m2，多功能厅的照明功率为10 W/m2，剧场的照明功率密度为6.5 W/m2，开关时间按照图2 所示。

2）建筑内的发热电器设备包括机房设备、办公电脑和打印设备、剧场灯光音响设备、会议多媒体设备、多功能厅的其它用电设备，电器设备逐时使用率按照图2 所示。

3）人员密度按照6 m2/人，人员逐时在室率按照图所示。

4）新风量按照表2 的要求进行设置，人员逐时在室率按照图2 所示。

图2 人员、照明、设备逐时使用率

2.2.3 室外参数

室外气象参数采用《中国建筑热环境分析专业气象数据库》提供的广州市典型年气象的参数，全年共计8760 h，建筑供冷季自4 月15 日至11 月15 日进行设定。

3 模拟结果与分析

3.1 整体能耗状况

通过在TRNSYS18 软件中搭建参照建筑、设计建筑的物理模型，完成建筑全年能耗模拟计算，得出参照建筑全年总能耗为2317933.19 kWh，折合单位面积70.46 kWh/m2，设计建筑全年总能耗为1550448.40 kWh，折合单位面积47.13 kWh/m2，设计建筑比参照建筑全年节能33.11%，应用上述节能措施，该建筑的节能高于75%，实现了低能耗建筑目标。

3.2 分项能耗组成

设计建筑全年分项能耗及比例见表3 所示。可以看出，设计建筑中空调能耗最大，空调系统能耗为67%，照明能耗为32%。可以得出在节能75%以上的建筑中空调能耗占60%以上，应用高效空调设备，能够实现建筑节能。照明能耗占建筑能耗比例高达30%，因此在建筑设计初级应考虑充分应用自然采光技术。

表3 设计建筑能耗分项组成及比例

图3 对设计建筑空调系统能耗分项组成及比例进行了分析，可得：冷机能耗占比最大，所占比例为50%以上，其次为风机耗电量占比为30%以上，而水泵等耗电量在10%以上。

图3 设计建筑空调系统能耗组成比例

3.3 各项技术措施节能分析

3.3.1 被动技术节能分析

项目位于南沙，属于夏热冬暖地区，且外围护结构大部分区域为透明围护结构，建筑节能需重点关注透明外围护结构的热工性能和遮阳设计。

1）高性能围护结构

围护结构热工性能优化通过围护结构的传热系数、太阳能得热系数体现。本项目以绿色三星级建筑为创建目标，围护结构热工性能指标值应比公共建筑节能设计标准规定降低幅度达到10%，设计建筑标准限值详见表4。考虑非透明围护结构的热工性能主要由传热系数来衡量，因此模拟了透明玻璃幕墙外墙传热系数、不同透明屋面传热系数下单位面积供冷能耗变化情况，计算结果如图4、5 所示。可以得出，提升夏热冬暖地区的外墙热工性能的提升对节能存在一定的贡献，但围护结构热工性能提升10%后，继续减小外墙、屋顶传热系数，对建筑供冷能耗变化影响较小。

表4 建筑外围护结构标准限值

图4 外墙传热系数对建筑供冷能耗影响变化

图5 屋面传热系数对建筑供冷能耗影响变化

2）遮阳技术

本项目设计方案采用穿孔铝板配合高反射窗帘技术可以作为建筑外形构件的一部分，且能有效起到遮阳、隔热作用，对遮阳板的穿孔处理又可以达到通风采光的作用。本研究模拟了不同内遮阳系数条件下建筑的单位面积供冷能耗变化，如图6 所示，可以得出夏热冬冷地区建筑遮阳能有效的降低建筑能耗，因此需要严格要求遮阳设计。对比图4、图5、图6 可知，外墙和屋面的围护结构性能提升效果不如建筑遮阳的影响效果明显，夏热冬暖地区建筑围护结构设计应同时注重保温及隔热。

图6 建筑内遮阳系数对建筑全年能耗的影响

3.3.2 主动技术节能分析

从上述分项能耗组成中，可得出空调能耗所占比例为60%以上，其中空调能耗冷机能耗为50%以上，因此选择高效冷机十分重要。

将房间功能、朝向，细化空调分区，对空调系统进行分区控制，其中展厅、剧场、多功能厅等大空间及公共区域采用全空气系统，地下一层至二层办办公等采用风机盘管+新风系统，三层至五层培训室、办公室采用多联系+新风系统经计算可知，本设计建筑空调面积为28650 m2，最大冷负荷为4568.78 kW，制冷季逐时冷负荷累积总值为308.69 万kWh，折合单位面积为93.84 kWh/m2。根据负荷预测情况，设计建筑选用冷水机组为磁悬浮离心式冷水机组，主机的部分负荷效率可达11，与传统冷水机组相比，磁悬浮机组在部分负荷下运行，可实现最大的节能效果。多联式空调室外机IPLV 大于5，性能提高幅度达25%。同时，在能源系统的运行方面采用变频运行和台数控制组合的控制方式，用科学合理的系统运行管理方式，实现能源系统的节能。