基于 DeST 模擬的嚴寒地區不同節能設計標準下的建筑能耗對比分析

楊 光

（上海英泰格瑞低碳技術設計有限公司，上海 201108）

隨著節能要求的提高與節能設計標準的完善，設計師對于建筑節能設計重要性的認識日益提高，對影響建筑能耗因素的研究也更加細化。從 DB 23/1269—2008 《公共建筑節能設計標準黑龍江省實施細則》到 GB 50189—2015 《公共建筑節能設計標準》，再到現在的 GB/T 51350—2019 《近零能耗建筑技術標準》，節能設計標準的改進對嚴寒和寒冷地區的建筑節能工作起到了重要指導作用。但此類標準在建筑設計中也存在一些問題。針對采用不同節能設計標準下的建筑，其節能效益依然缺乏數據量化，尤其是對于改造建筑而言，改造后的建筑具有多大的節能潛力是在改造前需要考慮的問題。因此，本文通過能耗模擬的總結分析，研究了隨著節能設計標準的發展對建筑能耗的影響，為建筑節能設計提供參考依據。

1 建筑概況

本工程位于哈爾濱市某開發區，總建筑面積 2.03 萬 m2，其中空調面積 1.20 萬 m2，空調房間率 59%。建筑層數為地下1F，地上3F，建筑總高度為 23.90 m。地下層為機械車庫和設備用房，地上為商業及文化科教體驗。建筑模型效果圖如圖1所示。

圖1 建筑模型效果圖

2 設計計算參數

不同節能設計標準對于設計計算參數的要求存在較大差異，主要差異集中在建筑圍護結構熱工參數和冷熱源設備性能的要求。為了清楚的表示不同模型之間的差異，以下將選用 DB 23/1269—2008 計算參數的模型統稱為實際模型，選用 GB 50189—2015 計算參數的模型稱為參照建筑 1，選用GB/T 51350—2019 計算參數的模型稱為參照建筑 2。

2.1 不同節能設計標準下的建筑圍護結構

建筑圍護結構主要包括外墻、外窗等構件。不同節能設計標準中熱工標準規定圍護結構參數如表1所示。由表1可知，隨著節能設計標準的完善對于圍護結構的要求也在逐步增加，參照建筑1的圍護結構平均傳熱系數較2008年降低 20%，而近零標準下的圍護結構的平均傳熱系數較2008年降低 50% 以上。

表1 建筑圍護結構參數表 W/（m2·K）

由表1可知，隨著節能設計標準不斷完善，對于圍護結構的要求也在逐步增加。參照建筑1的圍護結構平均傳熱系數較2008年降低 20%，而近零標準下的圍護結構的平均傳熱系數較2008年降低 50% 以上。各朝向的窗墻比如表2所示。

表2 建筑數據參數表

2.2 室外環境設計參數

研究對象位于黑龍江省哈爾濱市某開發區，屬于寒冷地區。其室外設計參數按照 DeST 氣象數據庫選取，源于《中國建筑熱環境分析專用氣象數據集》，具體如表3所示。

表3 室外設計參數

2.3 室內環境控制參數

溫濕度的控制高低直接影響建筑能耗的大小，但建筑的節能不應以犧牲熱舒適性為代價，而應是在保障熱舒適的基礎上杜絕不合理的浪費。因此3個模型的室內控制參數要求基本一致，室內的熱舒適性要求如表4所示。人員、照明以及設備功率密度按實際情況進行設置如表5所示。

表4 室內熱舒適性要求

表5 人員、照明和設備功率密度表

室內設計參數對于能耗的影響頗大，選擇合理的室內設計參數對于以后的運行節能至關重要。設計原則應從實際出發，兼顧節能減排，避免過度選型和運行浪費。

2.4 設備性能

設備的性能會直接影響建筑能耗。在相同的負荷下，設備的性能越好，其節能效益也越明顯。不同節能設計標準對于設備性能有明確的限定。本文采用冷水機組和燃氣熱水鍋爐作為冷熱源設備，不同節能設計標準下對于設備的要求如表6所示。

表6 空調系統機組能效表

2.5 運行時間控制

模擬運行時間為全年8760 h，按照哈爾濱市2019年實際市政供暖時間和供冷時間確定供暖期和制冷期。

（1）供暖時間設置。供暖運行時間為從10月20號起至次年4月20日。運行期間室內需滿足室內熱舒適性要求。全年總累計供暖天數為184d，采用間歇采暖方式，運行時間為 8:00～21:00。

（2）供冷時間設置。供冷運行時間為從7月1號至8月31日。運行期間室內需滿足室內熱舒適性要求。全年總累計制冷天數為61d，同樣采用間歇供冷的方式，運行時間為 8:00～21:00。

3 負荷及能耗模擬

本文負荷計算和系統能耗模擬均基于 DeST 軟件進行。在合理劃分分區后先進行圖形建模，再輸入相應的圍護結構熱工特性、室內外計算參數、模擬時間等邊界條件。通過建筑的三維模型模擬建筑室內環境、設備運行和建筑系統，得到的建筑系統能耗模擬數據。

在不同節能設計標準的約束設計參數條件下，3個建筑系統模型夏季均采用電驅動的冷水機組，冬季采暖采用燃氣鍋爐，設備性能（如空調系統機組）用能效表所示。因此涉及兩種能源，本文根據 GB/T—51161—2016《民用建筑能耗標準》嚴寒地區供暖能源消耗折算，全國平均火力發電標準耗煤 0.32 kg=1 kWh，全國平均火力供電標準耗氣 0.2 m3=1 kWh，將所有的能源消耗轉化成耗電量。則不同模型之間的總體能耗數據如表7所示。值得注意的是，本次模擬僅選取了節能規范中的設計參數推薦數值進行對比，并未對近零耗建筑的加強熱回收技術、強化通風、使用光導管等節能技術進行模擬分析。

表7 全年能耗統計表

如表7所示，嚴寒地區的能耗以采暖為主，僅兼顧空調制冷，空調能耗不足供暖能耗的 10%。其中，作為基準的實際模型年制冷需求為 4.21 kWh/m2，而采用更高節能標準的參照建筑1和參照建筑2年制冷需求比基準的實際模型低 6.43% 和 10.70%；實際模型年供暖需求為 55.37 kWh/m2，參照建筑1和參照建筑2分別降低了 2.85% 和 14.27% 的供暖能耗；在綜合能耗方面，參照建筑1和參照建筑2分別能節約 1.69% 和 7.65% 的能耗。這說明高要求節能設計標準具有更高的節能效益，而對于嚴寒地區而言，其節能效益更多地體現在供暖能耗上。

圖2 顯示了分項能耗占總能耗的百分比，供暖和空調占總能耗的 53% 左右，其中供暖能耗占 50%。

圖2 分項能耗對比

圖3 為不同跨度綜合性能提升節能效益變化圖。如圖3所示，若對實際建筑按 GB 50189—2015 進行節能改造，則供暖能耗會降低 2.9%，制冷能耗降低 6.4%，綜合能耗降低 1.7%。這說明若只是按照規范推薦值對建筑進行改造，改造后節能效益較小。若實際建筑改造后能達到 GB/T 51350—2019 要求，則能耗會大幅度降低，供暖和制冷能耗分別節省 14.3% 和 10.7%，綜合能耗降低 7.7%，節能效益可觀。若將滿足 GB 50189—2015 的參考建筑1改造成滿足 GB/T 51350—2019 的參考建筑 2，則供暖能耗能也降低 11.75%，制冷能耗能降低 4.58%，綜合能耗的節能效應達到 6.1%，節能效應也較為可觀。這也說明近零耗建筑的設計標準下節能效益要遠超其他標準，能最大幅度降低能耗。

圖3 不同跨度綜合性能提升節能效益

4 結語

本文借助 DeST 能耗模擬軟件對哈爾濱某公共建筑進行能耗模擬，并針對模擬結果進行分析，可得結論如下。

（1）由模擬結果可知，嚴寒地區夏季的能耗相較于冬季能耗而言，明顯較小。在實際建筑中單位面積年累計耗冷量僅為耗熱熱量的 7.6%，而供暖能耗則占據了總能耗的 47.0%。因此，圍繞降低供暖能耗開發更多的節能技術十分重要。

（2）對于不同節能設計標準下的設計參數而言，隨著圍護結構的熱工特性和設備性能的增加，耗熱量和耗冷量有明顯的下降。這說明，對老建筑進行節能改造，無論供暖還是制冷都有明顯的節能效益，其中零能耗標準的改造效益最可觀，綜合能耗降低 7.7%。但暖通空調占總能耗比例較高，加強對暖通空調系統的優化改進對建筑節能的進一步發展具有重要的意義。

（3）建筑節能技術的不斷發展推進社會向綠色低碳型轉變。通過不同年份節能規范的對比，計算了不同節能設計標準下建筑節能效益，驗證了節能設計標準的完善對建筑節能工作的重要指導作用。