北方地區被動式辦公建筑能耗分析研究

呂冬杰，張子平，康 熙，楊 震，沈曉峰

(1.河北工程大學 能源與環境工程學院，河北 邯鄲056038；2.河北省建筑科學研究院，河北 石家莊 050200)

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北方地區被動式辦公建筑能耗分析研究

呂冬杰1，張子平1，康 熙2，楊 震1，沈曉峰1

(1.河北工程大學 能源與環境工程學院，河北 邯鄲056038；2.河北省建筑科學研究院，河北 石家莊 050200)

以寒冷地區某一具體被動式辦公建筑為原型，應用eQUEST能耗計算軟件分別按照工程實際和我國公共建筑節能設計標準建立模型，選取我國北方地區10個城市為研究對象，對比被動式辦公建筑在北方地區相對于我國《公共建筑節能設計標準》設計的標準建筑的空調能耗情況。結果表明：按照德國被動式辦公建筑參數設計的辦公建筑夏季制冷能耗基本與常規節能建筑持平，而冬季采暖能耗有大幅度下降；就空調綜合能耗來看，太原地區空調綜合能耗節能潛力最大，空調綜合能耗比常規節能建筑降低54.16%；哈爾濱地區最低，但也比常規節能建筑能耗減少了34.06%。

被動式辦公建筑；北方地區；能耗分析；eQUEST

被動式建筑是指采用各種節能技術構造最佳的圍護結構，由于其良好的建筑保溫隔熱性能和氣密性，夏季有效阻擋了室外熱量進入室內，但同時也不利于室內的散熱，而冬季在阻擋室外冷量進入室內的同時也最大限度的減少了室內熱量散失。近幾年國內學者對我國被動房進行了大量研究，宿金成等人對哈爾濱地區被動式房屋的能耗進行了分析[1]，邱樂對被動房在大連地區的應用進行了研究[2]，任晉對被動房在烏魯木齊地區的適用性進行了探討[3]。但到目前為止，對于被動式公共建筑的研究相對較少。而不同建筑功能以及不同地點對建筑物及建筑系統的要求差別很大[4]，在設計方面照搬照抄居住建筑設計標準顯然是不可取的[5]，基于此，本文選取北方地區不同省份的10個城市來研究分析被動式辦公建筑的空調能耗情況，旨在發現被動式辦公建筑在我國北方地區的性能表現，為被動式辦公建筑進一步推廣提供參考。

表1示范工程圍護結構熱工性能

Tab.1Thermal performance of building envelope

圍護結構傳熱系數/W·m-2k-1屋面、底面接觸室外空氣的架空或外挑樓板、地下室頂板0.14外墻0.14外窗0.8

表2　中德標準對比

1　工程概況及中德標準對比

1.1工程概況

本工程為某被動式低能耗示范工程，位于河北省石家莊市，地下一層為停車庫，建筑面積2164m2。地上6層為辦公區，建筑面積12362m2。建筑高度28 m，體形系數為0.161，效果圖見圖1。室內設計溫度冬季20℃，夏季26℃[6]。圍護結構熱工參數見表1。

1.2中德標準對比

德國標準對于公共建筑規定：采暖需求不大于15kWh/(m2·a)；制冷需求不大于15kWh/(m2·a)。一次能源需求不大于120 kWh/(m2·a)；氣密性要求在室內外壓差50 Pa的條件下，每小時換氣次數不超過0.6 次。[7]圍護結構熱工性能對比見表2。

2　能耗模擬

2.1軟件介紹

eQUEST是由美國勞倫斯伯克利國家實驗室開發的一款以DOE-2.2為計算核心的建筑能耗模擬軟件，在DOE-2.2的基礎上提供了更加友好的用戶輸入界面，在假定室內溫度為常數的基礎上采用傳遞系數法計算建筑整體能耗[9]。其使用的天氣文件為bin格式，包含了干球溫度、濕球溫度、大氣壓力、云量、降雨、降雪、風向、空氣含濕量、空氣密度、空氣焓值、太陽總輻射、直接輻射、云類型和風速等參數[10]，本文采用由EPW格式的中國標準氣象數據(CSWD)文件轉換為bin格式來進行模擬計算。

2.2模型建立

根據本工程建筑平面圖在eQUEST軟件中建立建筑模型(圖2)，首先根據本工程實際熱工參數建立計算模型，分別選取鄭州、濟南、太原、石家莊、北京、天津、呼和浩特、沈陽、長春、哈爾濱十個城市標準氣象數據文件進行模擬計算。之后分別以表2中中國公共建筑節能設計標準中寒冷地區和嚴寒地區的標準限值建立參考模型，由于沈陽、長春、呼和浩特和哈爾濱分別屬于嚴寒C區和嚴寒AB區，AB區對維護結構熱工性能要求更高，故本次模擬均以嚴寒AB區參數進行設置，保證其在嚴寒C區依舊適用。在模擬過程中建筑人員、照明、設備負荷設置保持一致。室內負荷設置見表3[8]。

表3　室內負荷設置

3　結果及分析

3.1石家莊地區能耗模擬結果對比分析

石家莊供冷期為5～9月，采暖期為11月到次年3月，通過對石家莊地區被動式辦公建筑和常規建筑進行模擬對比分析，發現被動式辦公建筑較常規建筑在供冷季節能耗差別不大(圖3)，但在采暖季節，由于良好的圍護結構熱工性能，被動式辦公建筑采暖期總能耗為113200 kWh，而常規節能建筑采暖能耗為370 000 kWh，被動式建筑比常規節能建筑采暖能耗降低69.41%。全年空調綜合能耗降低49.63%，逐月采暖能耗見圖4。

3.2不同地區空調能耗對比分析

通過導入不同地區氣象文件，分別模擬了被動式辦公建筑和常規建筑夏季制冷和冬季采暖的能耗情況，結果表明除石家莊和濟南被動式辦公建筑比常規建筑制冷能耗稍低以外，其他幾個城市夏季制冷能耗要比常規建筑高0.68%到13.7%，見圖5。分析認為是由于辦公建筑室內人員設備較多且建筑使用時間相對集中，加上被動式辦公建筑良好的氣密性導致夏季內部得熱不能通過維護結構散失，造成夏季冷負荷比常規節能建筑偏高。

對比冬季采暖能耗發現，被動式辦公建筑在鄭州、濟南、太原、石家莊、北京、天津等地區較常規節能建筑冬季采暖能耗節能68%以上，而呼和浩特、沈陽、長春、哈爾濱被動式辦公建筑也比常規節能建筑采暖能耗節能40%以上(圖6)。(注：本文所指節能率均指與我國65%節能建筑相比)

就全年空調能耗來看，太原地區節能效果最為明顯，節能率為54.16%；哈爾濱地區節能效果最差，比常規節能建筑節能34.06%，但都體現出了良好的節能效果。從圖7可以看出，嚴寒地區幾個城市空調綜合能耗節能率較寒冷地區有10%左右的下降，由于本被動式建筑模型位于寒冷地區石家莊市，對于寒冷地區來說并不是最優的建設模式，這也提醒我們在不同地區的被動式辦公建筑要結合氣候條件進行合理優化。

4　結論

1)在寒冷地區，被動式辦公建筑冬季采暖能耗較常規節能建筑可以降低68%以上，在嚴寒地區可降低40%以上。而夏季制冷能耗較常規節能建筑節能效果并不明顯。

2)就全年綜合空調能耗來看，北方地區被動式辦公建筑較我國常規節能建筑來說還有很大的節能潛力。

3)當把寒冷地區被動式辦公建筑放到嚴寒地區時，節能效果會出現10%左右下降，因此在不同熱工分區推廣建設被動式辦公建筑時應充分考慮氣候條件。

[1]宿金成，張升旺.被動式房屋在哈爾濱地區應用探討[J].低溫建筑技術，2015，18(12)：152-154.

[2]邱 樂.德國被動房在大連地區多層住宅中的設計與應用研究[D].大連:大連理工大學，2014.

[3]任 晉.“被動式”建筑節能技術在烏魯木齊地區適用性問題初探[D].烏魯木齊:新疆大學，2014.

[4]江 億.我國建筑節能戰略研究[J].中國工程科學，2011，13(6)：30-37.

[5]汪 靜.夏熱冬冷地區被動房外保溫系統應用經驗總結與思考[J].建設科技，2014，8(13)：47-51.

[6]GB 50736—2012.民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范[S].

[7]房 濤，高 輝，郭娟利，等.德國被動房對我國建筑節能發展的啟示[J].新建筑，2013，31(4)：37-40.

[8]GB 50189—2015.公共建筑節能設計標準[S].

[9]馬曉云.建筑能耗模擬軟件eQUEST及其應用[J].建筑熱能通風空調，2009，28(6)：77-80.

[10]彭 瑤.夏熱冬冷地區辦公建筑窗戶采光性能對建筑綜合能耗的影響研究[D].武漢:武漢理工大學，2014.

(責任編輯王利君)

Analysis of energy consumption of passive office buildings in North China

LV Dongjie1,ZHANG Ziping1,KANG Xi2,YANG Zhen1,SHEN Xiaofeng1

(1.College of Energy and Environmental Engineering,Hebei University of Engineering,Hebei Handan,056038,China;2.Hebei Academy of Building Research,Hebei Shijiazhuang,056020,China)

Based on an existent passive office building in cold areas, two different models were set up according to actual condition and domestic design standard by using the eQUEST software. Ten cities located in different provinces in North China were selected to compare the energy consumption of air conditioning. The results show that the passivhaus have almost the same energy consumption in summer with the normal buildings, but in winter, the heating energy consumption of the passivhaus has great decline. On the comprehensive energy consumption of air conditioning, Taiyuan has the largest energy saving potential. In Taiyuan and Harbin, the passivhaus’s air conditioning energy consumption is 54.16% and 34.06% less than the domestic normal buildings respectively. Passive office building has great potential for energy saving in northern China.

Passive office building;northern area;energy consumption analysis；eQUEST

2016-01-14

河北省研究生創新能力資助項目(16129026)特約專稿

呂冬杰(1991-)，男，河北石家莊人，碩士，從事建筑節能方面的研究。

1673-9469(2016)03-0076-04

10.3969/j.issn.1673-9469.2016.03.016

TU111.19

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