嚴(yán)寒地區(qū)超低能耗公共建筑的能耗模擬分析★

瞿蕭羽 劉子恒

(1.吉林建筑科技學(xué)院，吉林 長春 130111； 2.長春華大房地產(chǎn)開發(fā)有限責(zé)任公司，吉林 長春 130000)

1 超低能耗建筑和能耗模擬

隨著全球變暖現(xiàn)象加劇，健康舒適的超低能耗建筑成為嚴(yán)寒地區(qū)建筑的發(fā)展重點。據(jù)調(diào)查，歐洲各國目前都在逐步建造和推廣超低能耗建筑甚至近零能耗建筑。以德國為例，德國被動房建筑的節(jié)能達(dá)90%。超低能耗建筑的發(fā)展使得建筑能耗的模擬分析成為必須。通過對超低能耗建筑的能耗模擬與分析，可以使能耗評價更加準(zhǔn)確，使其符合相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析等。

我國目前已建成的嚴(yán)寒地區(qū)常規(guī)公共建筑節(jié)能都達(dá)到65%，吉林省現(xiàn)行的采暖設(shè)計是《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)(節(jié)能65%)》，而超低能耗建筑節(jié)能達(dá)80%及以上。目前在全世界范圍建筑能耗模擬得到很大發(fā)展，相關(guān)的研究與應(yīng)用在建筑設(shè)計、建筑調(diào)適、既有建筑節(jié)能改造、優(yōu)化控制等方面展開。基于建筑信息模型的集成化設(shè)計是建筑設(shè)計的發(fā)展方向，建筑能耗模擬將成為被集成的一個功能，真正起到輔助和優(yōu)化建筑設(shè)計的作用。對于既有建筑，建筑能耗模擬的應(yīng)用主要在于建立建筑能源系統(tǒng)的基準(zhǔn)線模型，用于建筑能耗系統(tǒng)的能效評價、經(jīng)濟(jì)性評價和優(yōu)化基準(zhǔn)。

2 超低能耗建筑示范工程

2.1 項目工程概況

吉林建筑科技學(xué)院超低能耗建筑示范工程及其研發(fā)中心，超低能耗建筑部分與工程實訓(xùn)中心形成主輔體，總建筑面積3 925 m2，超低能耗部分建筑面積約1 200 m2，總高度8.1 m，二層框架結(jié)構(gòu)。內(nèi)設(shè)實驗室、體驗室及會議室等。項目總投資約500萬元，是全國首批超低能耗建筑標(biāo)志性項目。

2.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計

該工程外墻保溫構(gòu)造采用外墻外保溫系統(tǒng)，在190 mm厚的砌塊墻體外做140 mm厚苯板，外加80 mm厚巖棉和50 mm厚保溫砂漿，加上飾面板及抹灰后外墻總厚度480 mm，外墻平均傳熱系數(shù)K<0.1 W/(m2·K)。

屋頂為鋼筋混凝土屋面板上做300 mm厚B1級保溫板，上鋪1∶10水泥膨脹珍珠巖(最薄處30厚)，上面做干濕兩道4 mm厚SBS改性瀝青防水卷材。將保溫厚度提高到300 mm，實現(xiàn)屋頂傳熱系數(shù)K<0.1 W/(m2·K)。

外門與外窗均采用哈爾濱森鷹窗業(yè)股份有限公司的被動式門窗。外窗森鷹鋁包木窗內(nèi)側(cè)為實木窗框，外側(cè)包鋁窗框。目前推廣使用的新型環(huán)保節(jié)能窗戶一般采用三層玻璃，本項目采用單框三玻，即中間為三玻兩腔結(jié)構(gòu)，玻璃間充滿氬氣，傳熱系數(shù)比普通的中空玻璃大大降低，可以達(dá)到0.8 W/(m2·K)。同時配備高性能密封暖邊間隔條，整窗熱工性能滿足超低能耗建筑要求。

地面保溫在沿建筑底層外墻周邊2 000 mm的寬度范圍內(nèi)加鋪50 mm厚擠塑聚苯板保溫，上做80厚C20混凝土墊層，以提高地面的保溫性能。

氣密性及熱橋處理。本項目采用20 mm的抹灰層做氣密層，確保氣密層連續(xù)地包圍整個外圍護(hù)結(jié)構(gòu)。對門窗洞口、管線貫穿部位、電氣接線盒等進(jìn)行氣密性處理措施。以上措施保證在室內(nèi)外壓差50 Pa的條件下，換氣次數(shù)不大于0.6/h。

2.3 采用主要技術(shù)

屋頂太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)采用多晶硅太陽能光伏板，為建筑提供部分電能；采用微風(fēng)力發(fā)電，設(shè)置在屋頂?shù)奈L(fēng)力發(fā)電機(jī)，形成風(fēng)光互補(bǔ)式的連續(xù)發(fā)電保障，并將多余的電量并入國家電網(wǎng)；太陽能補(bǔ)熱，采用土壤源熱泵，在夏季將制冷產(chǎn)生的熱量存儲于地下，在冬季當(dāng)太陽能吸收熱量不足時，利用儲存于地下的熱量作為補(bǔ)給。

3 建筑能耗模擬分析

3.1 長春地區(qū)氣候分析

長春市采暖度日數(shù)(HDD18)為4 642，屬于嚴(yán)寒C區(qū)。地處東北松遼平原腹地，地勢較為平坦，在氣候分區(qū)上屬大陸性季風(fēng)氣候。長春一年中四季分明，冬季較為寒冷而漫長。長春市的日照時數(shù)為2 688 h，7月是最熱月，1月為最冷月，平均溫度分別為23 ℃和-16 ℃。四季中夏季的相對濕度最大，春季的相對濕度較小，冬季夜間的相對濕度小于秋季，而白天大于秋季，一般最大相對濕度出現(xiàn)在5時～6時，最小相對濕度出現(xiàn)在14時～15時。

3.2 能耗模擬軟件

隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，在世界范圍內(nèi)出現(xiàn)許多建筑能耗模擬軟件，如eQUEST，DeST等能耗模擬軟件。本項目采用eQUEST作為建筑能耗的模擬工具，它是在DOE-2基礎(chǔ)上研發(fā)出的針對建筑能耗的分析軟件，通過運(yùn)用軟件可以針對不同類型的建筑進(jìn)行能耗模擬，并且可以進(jìn)行建筑的經(jīng)濟(jì)性分析、對建筑照明進(jìn)行控制以及從模擬結(jié)果的表格中自行選取適合的測算方法，進(jìn)而完成能源的利用效率。

eQUEST的計算核心是目前使用最為廣泛的能耗模擬軟件DOE-2。DOE-2.2用反應(yīng)系數(shù)法計算建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱量，根據(jù)軟件輸入的建筑基礎(chǔ)條件，如空調(diào)采暖、建筑結(jié)構(gòu)形式、圍護(hù)結(jié)構(gòu)所選擇的不同材料組合、照明條件、室內(nèi)的溫度等，通過動態(tài)計算得出建筑物全年的能源消耗，并以表格的形式輸出，可以清晰的得出材料—構(gòu)造—技術(shù)—建筑—能耗之間的相互關(guān)系。

3.3 建筑能耗模擬計算

首先利用eQUEST能耗模擬軟件構(gòu)建模型，軟件模擬前必須收集大量信息。例如氣象數(shù)據(jù)中，供暖室外計算溫度為-21.1 ℃，冬季室內(nèi)設(shè)定溫度18 ℃，夏季室內(nèi)設(shè)定溫度26 ℃，冬季室內(nèi)相對濕度30%。建筑模型中的外形尺寸、外圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的材料與構(gòu)造、建筑開窗朝向和窗墻比(見表1)、室內(nèi)設(shè)備及照明、采暖與通風(fēng)、內(nèi)擾等在模擬之前需要提前設(shè)置。

表1 外窗類型及參數(shù)

根據(jù)研究建筑的圖紙及資料，利用eQUEST軟件建立計算模型，主要模擬計算的是設(shè)計日和典型日建筑的冷熱負(fù)荷的變化走向。冬季的采暖期為每年的10月～次年的4月，夏季采取間歇式開啟空調(diào)的方式。利用eQUEST軟件建立計算模型，模擬得出建筑的負(fù)荷變化以及建筑耗能結(jié)果。

對于嚴(yán)寒地區(qū)，主要研究分析的是建筑的熱負(fù)荷。通過模擬計算得出，設(shè)計日逐時空調(diào)熱負(fù)荷結(jié)果如圖1所示。空調(diào)熱負(fù)荷中除了建筑的熱負(fù)荷以外，還有新風(fēng)的熱負(fù)荷以及其他熱量的抵消。通過計算還得出設(shè)計日建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的逐時熱負(fù)荷，如圖2所示。其中圍護(hù)結(jié)構(gòu)有屋頂、外墻及外窗、地面的溫差傳熱，還包括通過外窗的輻射熱量。從圖中分析得出，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)單位面積熱負(fù)荷從上午9時開始急劇下降，在下午14時到達(dá)峰值并延續(xù)至下午15時，從15時以后開始再逐漸上升。通過模擬還得出建筑總負(fù)荷與建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷值變化相同。

嚴(yán)寒地區(qū)被動式超低能耗建筑中，技術(shù)體系的核心是能耗控制指標(biāo)，這也是嚴(yán)寒地區(qū)中的被動式超低能耗建筑所應(yīng)達(dá)到的性能要求，其值的確定對被動式超低能耗綠色建筑的發(fā)展有著至關(guān)重要的意義。能耗控制指標(biāo)由年供暖量、年供冷量、年供暖空調(diào)和照明一次能源消耗量三項指標(biāo)組成。通過軟件的模擬計算， 得出該超低能耗建筑設(shè)計冷負(fù)荷81.8 W/m2，設(shè)計熱負(fù)荷69.7 W/m2，年供暖量值為13.41 kWh/(m2·年),供冷量值為14.10 kWh/(m2·年)，建筑能耗指標(biāo)51.43 kWh/m，即年供暖、供冷和照明一次能源消耗量能夠控制在60 kWh/(m2·年)以內(nèi)。

超低能耗建筑全年能耗包括照明、設(shè)備及暖通空調(diào)系統(tǒng)，耗能總量達(dá)132 118 kWh，而節(jié)能65%的建筑耗能483 976 kWh，經(jīng)計算，建筑節(jié)能率為72.7%。因此該超低能耗建筑在常規(guī)建筑節(jié)能65%的基礎(chǔ)上，又節(jié)能72.7%，即在達(dá)到同樣舒適度情況下，有效地降低了建筑能耗。暖通空調(diào)系統(tǒng)年耗電量包括制熱、制冷、水泵、風(fēng)機(jī)能耗，共計60 174 kWh，參照節(jié)能65%建筑為393 892 kWh，暖通空調(diào)系統(tǒng)能耗降低了84.7%，電價按0.52元/kWh，暖通空調(diào)系統(tǒng)總電費(fèi)一年減少173 533元。

4 結(jié)語

通過對該項目進(jìn)行能耗模擬，在建筑運(yùn)行和使用過程中發(fā)現(xiàn)，超低能耗建筑能夠保證更好地滿足室內(nèi)環(huán)境舒適度，達(dá)到健康和高質(zhì)量的同時，顯著地降低建筑能耗。經(jīng)測算，該超低能耗建筑每年可減少能耗約47萬kW·h，其中主要降低的是暖通空調(diào)系統(tǒng)中的制熱能耗，即冬季的供暖能耗，因此在嚴(yán)寒地區(qū)建造超低能耗公共建筑極大降低了年供暖運(yùn)行費(fèi)用。隨著新型保溫材料發(fā)展、可再生能源設(shè)備價格的降低，超低能耗建筑能夠帶來更好的經(jīng)濟(jì)性和社會效益，同時也提供更多的選擇性與可能性。通過對嚴(yán)寒地區(qū)超低能耗建筑的模擬與分析，可以對設(shè)計方案進(jìn)行優(yōu)化比較，使超低能耗建筑更加滿足設(shè)計規(guī)范和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，在嚴(yán)寒地區(qū)具有經(jīng)濟(jì)競爭力和長遠(yuǎn)的發(fā)展優(yōu)勢。