基于DeST-C的通風對辦公建筑能耗影響的模擬分析

楊志偉，　于瑾， 李奎波， 王程

（沈陽建筑大學市政與環境工程學院，沈陽110168）

基于DeST-C的通風對辦公建筑能耗影響的模擬分析

楊志偉，于瑾， 李奎波， 王程

（沈陽建筑大學市政與環境工程學院，沈陽110168）

以沈陽某高校辦公樓為研究對象，利用DeST能耗模擬軟件研究既有辦公建筑圍護結構熱工性能，分析不同通風條件下辦公建筑的能耗變化情況以及通風對建筑能耗的節能效果.結果表明：夜間通風比白天通風和不通風方案更節能，且高層節能效果較底層更明顯，西、南朝向辦公室節能效果較其他朝向更明顯.因此，在夏季應加強高層和西、南朝向辦公室的夜間通風，以減少建筑能耗.

熱工性能；建筑能耗；節能效果；通風

0　引言

隨著我國經濟的發展和人民生活水平的提高，建筑用能將持續增長.據相關資料預測顯示，到2020年我國建筑面積將突破600億m2，而建筑能耗將達到10.9億t標煤［1］.因此，有必要對建筑能耗尤其是公共建筑能耗進行研究，以確定建筑節能改造方法和途徑，減少建筑能耗.

在節能改造過程中，建筑能耗分析為節能改造工作提供了重要理論依據和數據支持.國內不少學者利用能耗分析軟件對建筑能耗進行了模擬計算［2-6］.其中，姜玉雙［4］在分析沈陽地區辦公建筑能耗分析中，研究了空調季夜間通風對建筑能耗的影響，指出沈陽地區增加夜間通風對建筑能耗有利.除此之外，針對自然通風方法、換氣次數及最佳通風時段對建筑能耗進行了分析［7-9］，研究了自然通風對室內空氣溫度場和速度場的影響［10］，且利用流體模擬軟件模擬了自然通風在不同建筑布局時的通風效果［11］.

然而，在節能改造中不僅需要清楚自然通風對整體建筑的節能效果，還要了解建筑各樓層和各朝向的房間在不同通風情況下的節能情況，以便提出更加合理的改造措施.本文主要從建筑不同樓層和不同朝向兩方面研究了通風條件下房間的能耗變化情況，并比較了不同樓層和不同朝向房間在不同通風方案中的節能效果，給出合理的建議.

1　能耗分析方法

本研究通過DeST軟件建立模型，并根據相關設計參數利用DeST軟件對建筑冷熱負荷進行了模擬.DeST［12］采用了建立建筑熱過程的動態模型的方法，全面考慮了建筑圍護結構和物體的蓄熱與放熱，包括房間各圍護內表面之間的長波輻射換熱以及空氣的對流換熱，其中運用了房間熱平衡法［13］等，通過計算機作全年8760小時或某一期間的逐時模擬，得出建筑全年或某一期間的能耗.相反，由于靜態模擬計算方法（如度日法、當量滿負荷運行時間法和負荷頻率表法等）忽略了日照得熱和圍護結構蓄熱的影響，只將冷熱負荷和室外溫度考慮成線性關系.因此，動態模型的方法與簡化的靜態模擬計算方法相比，DeST采用的模擬方法更精確.

根據熱房間平衡模型［13］可知，建筑房間k的室溫計算式如下：

其中：

tk（τ）、tj（τ）——第k、j房間當前時刻的室溫；

tbzk（τ）——不計當前時刻空調、白然通風、鄰室通風、鄰室傳熱的影響時，房間k的室溫；

Φj，0，k——房間j對房間k當前時刻的室溫的影響系數；

qhvac，k（τ）——當前時刻投入房間k的空調熱量（或冷量）；

Φhvac，k——空調對房間k當前時刻的室溫的影響系數；

Gout，k（τ）——當前時刻的室外通風量；

tout（τ）——當前時刻的室外溫度；

Gjk（τ）——從第j個鄰室到房間k的通風量.

2　建筑概況及參數設置

本建筑是沈陽市某高校辦公樓，該辦公建筑共有6層，其中地上5層，地下1層，建筑高度為18m，標準層高為3.6 m，建筑面積為13932 m2，南北朝向.建筑平面圖和衛星圖如圖1所示.

圖1　辦公樓建筑衛星圖

根據該建筑的設計要求，查得公共建筑圍護結構熱工參數如表1所示，利用DeST軟件進行能耗分析時按照表1進行模擬計算.

該辦公建筑冬季和夏季的設計溫濕度、新風量及換氣次數可根據設計要求進行設置，照明、設備功率密度指標和人均占有使用面積指標可根據建筑照明設計規范［14］和實用供熱空調設計手冊［15］查得，如表2所示.

表1　圍護結構材料及傳熱系數

表2　辦公樓室內設計參數

根據該辦公建筑的地理位置，沈陽年平均氣溫為6.2～9.7℃，屬于嚴寒B區.在進行模擬計算時采用能耗分析用典型年逐時氣象參數，如圖2所示.

圖2　沈陽市各月逐時干球溫度

3　模型建立及結果分析

3.1模型建立

根據建筑各層平面圖和各層門窗尺寸建立DeST模型，圖3為DeST建立的整體建筑立體圖.

圖3　建筑模型圖

3.2模擬方案設定

為了研究不同通風條件下，建筑能耗的變化情況和各種通風方案的節能效果，根據窗戶的開啟情況擬定了3種通風方案，如表3所示.由于沈陽屬于嚴寒B區，在冬季窗戶一般處于關閉狀態，而在夏季開窗通風.根據洪艷峰等關于自然通風換氣次數的研究，設定門窗關閉時通風換氣次數為0.5次/h，門窗開啟時通風換氣次數為8次/h.白天通風時間為8:00～18:00，夜間通風時間為18:00～8:00.

表3　不同通風方案設置

為了更好地分析不同朝向房間在不同方案下的能耗情況和節能效果，從辦公建筑中抽取了各朝向的典型辦公室進行分析，辦公室編號如表4所示，其中第1層東向為展廳，與大堂相連，故將其忽略.

表4　典型房間編號

3.3自然室溫對比分析

自然室溫是建筑物沒有采暖空調系統時，室外氣象條件和室內熱擾動所引起的室內空氣溫度，它反映了建筑圍護結構對外界氣候和建筑使用條件的綜合調節作用，決定了建筑是否需采暖空調系統.采用DeST-C軟件對辦公建筑的自然室溫進行了模擬，通過對比3種方案的自然室溫分布情況，分析通風對建筑典型辦公室自然室溫的影響，模擬結果如圖4～圖6所示.

圖4　方案1典型辦公室自然室溫分布

根據圖4可知，在沒有通風條件下，各典型房間的自然室溫全年大部分時間分布在低于16℃和高于29℃的范圍，說明該辦公建筑至少半年的時間需要供暖制冷.其中，自然室溫出現超過35℃的辦公室主要集中西向辦公室，其小時數明顯多于其他朝向.因此，西向辦公室調節性差，是節能改造的首選對象.

根據圖5可以明顯看出，各典型辦公室自然室溫主要分布在低于16℃和22～29℃的范圍，西向典型房間自然室溫少部分時間超過35℃.與圖4相比可知，通風條件下各房間自然室溫超過29℃的小時數減少，而分布在16～29℃的小時數增加，其中處在22～29℃范圍內的小時數增加幅度明顯，這主要是由于通風能明顯改善房間的自然室溫，緩解自然室溫出現高溫.

對比圖4和圖6可以看出，各典型房間超過29℃的小時數明顯減少，而在16～29℃的小時數有所增加，其中22～29℃范圍內的小時數增加顯著；與圖5相比，各房間處于22～35℃范圍內的小時數有所增加，而西向房間自然室溫超過35℃的小時數出現小幅度減少，這主要是由于白天通風對室溫的影響沒有夜間通風效果明顯.

3.4建筑冷、熱負荷對比分析

根據設定的參數，利用DeST-C對該辦公建筑的全年逐時冷、熱負荷進行模擬，方案1的模擬結果如圖7所示，3種方案的能耗模擬結果如表6所示.

圖5　方案2典型辦公室自然室溫分布

圖6　方案3典型辦公室自然室溫分布

圖7　方案1的建筑全年負荷

在圖7中，建筑負荷為正值時表示熱負荷，負值時表示冷負荷。由圖7可知，在沒有任何通風時冬季最大熱負荷為1313.02 kW，夏季最大冷負荷為1082.17 kW；全年累計熱負荷為901532.77W，全年累計冷負荷為330781.60 kW.由此可知，該辦公樓在沒有通風情況下熱負荷遠大于冷負荷，若以地下水作為冷熱源，利用水源熱泵為建筑制冷供熱，由于全年冷熱負荷不平衡，容易引起地下水水溫逐年下降，使得水源熱泵機組的運行效率降低.因此，在對該辦公建筑進行節能改造時，提高水源熱泵機組效率十分必要.

由于沈陽地區冬季寒冷，外窗一般處于關閉狀態，不考慮冬季通風對熱負荷的影響，因此從表5可以看出辦公樓冬季全年累計熱負荷變化較小，而在夏季可通過開窗增大自然通風，從而減少建筑能耗，在表5中可看出冷負荷變化較大.為了更好地分析各方案的節能情況時，以不通風時的建筑負荷為基準值，分別計算通風時兩種方案的冷負荷減小值和節能比，結果如下表6所示.

表5　3種方案冷、熱負荷對比

表6　通風時節能效果比較

由表6可知，方案3與方案1相比，白天通風不但不節能，而且增加了建筑全年累計冷負荷和全年總負荷，增加幅度分別為49.59%和13.51%.方案2表明，全年累計冷負荷和全年總負荷有所減少，其中全年累計冷負荷節能比達到7.57%，空調季冷負荷指標節能比為8.19%，全年總負荷節能比為1.98%.為進一步分析夜間通風對建筑冷負荷的影響，現對建筑每一層總冷負荷和典型房間的負荷進行分析，分析結果如下圖8、圖9所示.

圖8　各層累計冷負荷指標圖

圖9　各層平均冷負荷指標

根據圖8可知，不通風（方案1）時的各層空調季累計冷負荷指標和空調季平均冷負荷指標均高于夜間通風（方案2）時的指標，這表明夜間通風能明顯減少建筑各層的冷負荷，通過夜間通風能達到節能的目的，各層總負荷和各朝向典型房間的節能比如下圖10、圖11所示.

從圖10可以看出，空調季累計冷負荷指標和空調平均冷負荷指標的節能比隨著樓層的增加而增大，當到達第五樓層時節能比反而減小，通風產生的節能效果減弱，主要由于頂層屋頂的傳熱系數過大，影響了建筑的節能效果.從圖11可以看出，通風條件下東向房間節能效果最差，對于西向和東向房間，通風節能效果最好的均出現在第4層，而對于南向房間效果最好的是第3層房間.

圖10　各層總負荷節能比

圖11　各朝向典型房間節能比

4　結論

本文采用DeST軟件對辦公建筑進行了全年能耗分析，對比分析了建筑圍護結構的熱工性能，并討論了不同通風條件下的建筑自然室溫、能耗變化情況和節能效果，主要得到以下結論和建議：

1）通過將辦公建筑圍護結構熱工性能與現有公共建筑節能標準相比，發現該仍有一定差距，有待進一步節能改造，改造的對象主要包括該辦公建筑外墻、屋頂及東、西朝向外窗.

2）在夏季室內外溫差小時，應加強建筑夜間通風，尤其是高層（除頂層）的辦公室，夜間通風對建筑能耗的節能效果較底層更明顯；同時，加強西、南向辦公室的夜間通風，其節能效果較其他朝向更明顯.

3）夏季加強夜間通風是減少建筑能耗的重要手段之一，但在節能改造過程中，更注重多種節能措施的綜合使用所帶來的節能效果.因此，在未來研究中，還需對建筑圍護結構和空調系統的節能改造技術作進一步分析研究.

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Numerical simulation research on the effects of ventilation on office building energy consumption based on DeST-C

YANG Zhiwei，YU Jin，LIKuibo，WANG Cheng

（School of Municipal and Environmental Engineering，Shenyang Jianzhu University，Shenyang 110168，China）

Taking the office buildings of a college in Shenyang as the research object，the research analyzes the thermal performance of existing office building envelope，energy consumption change and energy-saving effect under different ventilations by applying DeST energy consumption simulation software.The results show that night ventilation ismore energy-efficient than day ventilation and non-ventilation；energy-saving effect of high layer ismore energy-efficient than that of low layer；energy-saving effect of office towards south and west is more energy-efficient than those of the other orientations.Therefore，strengthened ventilation in summer for high layer and offices towards south and west can effectively reduce building energy consumption.

thermal performance；building energy consumption；energy-saving effect；ventilation

TU834.3+5

A

2095-3046（2015）05-0067-07

10.13265/j.cnki.jxlgdxxb.2015.05.012

2015-04-22

國家十二五科技支撐計劃項目（2014BAJ01B04）；國家外專局2015年度科教文衛引智項目（W20152100010）

楊志偉（1990-），男，碩士研究生，主要從事建筑節能和污染控制技術等方面的研究，E-mail:xiaoyangjust@163.com.

于瑾（1957-），男，教授，主要從事建筑節能和污染控制技術等方面研究，E-mail:13840079900@163.com.