基于PKPM-CES 軟件的湖南省典型居住建筑能耗及碳排放指標研究

王佳員，朱峰磊，李娟，劉平平，李杏，裴尚慧

（1 中國建筑科學研究院有限公司，北京 100013；2 成都城市天地工程設計咨詢有限責任公司，四川成都 610000）

0 引言

《建筑節能與可再生能源利用通用規范》GB50155—2021（以下簡稱“通用規范”）實施后，湖南全省范圍內新建、改建、擴建及既有建筑節能改造項目都應依據通用規范進行設計、審查，《通用規范》的發布對湖南節能設計產生了較大影響，主要體現在建筑節能設計新增建筑碳排放進行計算的要求，且需考慮建筑減碳效果。本文旨在通用規范的要求下，采用中國建研院北京構力科技有限公司開發的PKPM-CES 軟件分析湖南省14 個城市典型居住建筑碳排放和能耗指標水平，為全省制定新的節能標準及地方節能政策提供參考依據。

1 分析工具介紹

本文分析工具采用中國建研院北京構力科技有限公司的PKPMCES 軟件，該款軟件支持Doe 及IBE 內核計算建筑能耗及碳排放量，軟件中內置了《湖南省居住建筑節能設計標準》《湖南省公共建筑節能設計標準》以及《建筑節能與可再生能源利用通用規范》GB55015—2021 和《建筑碳排放計算標準》GB/T 51366—2019 等標準，其中建筑全生命周期的碳排放的計算方法依據的是《建筑碳排放計算標準》GB/T 51366—2019。該款分析軟件是目前市場上常見的能耗及碳排放計算軟件，因此本文研究內容中能耗及碳排放量計算采用PKPM-CES 軟件。

2 分析模型建立

利用PKPM-CES 軟件對設計建筑的能耗及碳排放強度進行計算分析，分析模型選取了6 層板式住宅建筑，建筑面積3335.64 m2，結構形式為剪力墻結構，地上層數為6 層，建筑總高度21.90 m，建筑朝向為南北向，體形系數0.28，南向窗墻比為0.49，東向窗墻比為0.12，西向窗墻比0.12，北向窗墻比為0.20。設計建筑屋面保溫材料采用80 mm 厚擠塑聚苯乙烯泡沫板，外墻保溫材料采用40 mm 厚無飾面復合巖棉板，外窗采用隔熱金屬型材和塑料型材，其整窗傳熱系數分別為2.80W/(m2·K)和2.00 W/(m2·K)。

圖1 PKPM-CES 分析模型

3 分析條件

選取湖南14 個城市，分別為長沙、常德、郴州、衡陽、懷化、婁底、邵陽、湘潭、湘西、益陽、永州、岳陽、張家界、株洲。設計建筑圍護結構熱工參數取值滿足《建筑節能與可再生能源利用通用規范》GB55015—2021 的要求[1]，參照建筑圍護結構熱工參數取值的取值依據《夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準》JGJ 134—2010[2]。建筑非透光圍護結構熱工取值詳細情況見表1。

表1 建筑非透光圍護結構熱工取值

設計建筑及參照建筑的外窗傳熱系數取值見表2。建筑模擬采用的節能氣象數據來自于《建筑節能氣象參數標準》JGJT346—2014[3]，計算溫度室內冬季取18 ℃，夏季為26 ℃，換氣次數1 次/h。設計建筑的耗電量計算依據《通用規范》附錄C.0.7，其中建筑供暖耗電量按照全年統計，供冷耗電量只計入日平均溫度高于26 ℃時的能耗。建筑的空氣調節和供暖系統運行時間、室內溫度、照明功率密度值及開關時間、房間人均占有的建筑面積及在室率、人員新風量及新風機組運行時間表、電器設備功率密度及使用率按《通用規范》C.0.6-1 至表C.0.6-13 進行確定。參照建筑按《夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準》JGJ 134—2010 中5.0.6 條，制冷時額定能效比應取2.3，采暖時額定能效比應取1.9；設計建筑夏季供冷系統綜合性能系數按 《通用規范》公式C.0.7-2 取3.6，冬季供暖系統綜合性能系數按《通用規范》公式C.0.7-5 取2.6。

表2 建筑外窗傳熱系數取值

4 計算原理

采用PKPM-CES 軟件對建筑能耗進行計算，內核能耗計算的方法為反應系數法。反應系數法是先計算圍護結構內外表面溫度和熱流對一個單位三角波溫度擾量的反應，計算出圍護結構的吸熱、放熱和傳熱反應系數，然后將任意變化的室外溫度分解成一個個可疊加的三角波，利用導熱微分方程可疊加的性質，將圍護結構對每個溫度三角波的反應疊加起來，得到任一時刻圍護結構表面的溫度和熱流。在反應系數已知后就可利用下式計算任意n 時刻，從室外通過板壁圍護結構向室內的傳熱得熱量qn[4]。

其中，tz,n-j為第（n-j）時刻室外綜合溫度；tr,n-j為第（n-j）時刻室內溫度，Yj,zj為反應系數。DOE 2.1 內核采用的是一種正向思維，根據室外氣象條件、圍護結構情況，計算出室內溫度以及室內得熱量。對要控制室內熱環境的房間，由選定的供暖空調系統根據室內負荷情況提供冷熱量，以維持室溫在允許的范圍內波動。軟件的計算過程是一個動態平衡的過程，后一時刻室內溫度、冷熱負荷以及供暖空調設備的耗電量要受前一時刻的影響。

5 結果與分析

通過對14 個城市的計算，得出各城市供暖空調能耗結果，計算結果見表3。

表3 設計建筑供暖空調能耗

從計算結果來看，14 個城市中郴州的空調能耗最高，通過對《建筑節能氣象標準》JGJ/T346—2014 進行氣象數據處理，得到郴州日平均溫度超過26 ℃的天數為104 天，長沙為75 天，常德為76 天，邵陽為78 天，湘潭為75 天，岳陽為87 天，湘西為36天，衡陽為96 天，懷化為75 天，益陽為78 天，永州為102 天，張家界為65 天，株洲為75 天。而婁底日平均溫度均未超過26℃，所以計算空調能耗為0。日平均溫度超過26 ℃的天數越多空調能耗也就越大，這與空調能耗計算結果保持一致。長沙、懷化供冷天數一樣，但計算出來的供冷能耗不同，這是因為長沙的103 天供冷天數的日平均溫度為29.96 ℃、懷化的供冷天數日平均為28.70 ℃，導致在相同的供冷天數下，長沙的空調能耗要高于懷化。湘潭、株洲的日平均溫度超過26℃天數都為75 天，但計算出來的空調能耗也存在差異，主要原因為湘潭、株洲兩地經緯度不同（圖2）。

圖2 湖南省14 個城市日平均超過26 ℃的天數

通過《建筑節能氣象標準》JGJ/T346—2014 中婁底氣象數據庫處理分析可知（見圖3），婁底全年日平均最高溫度最高為25.104 ℃，分別在8 月15、8 月16 這兩天。婁底全年溫度小于18 ℃的小時數達到6167 h，多于其他城市，因此采暖能耗最高。湘西采暖小時數為5030 h，采暖小時數僅次婁底，體現在采暖能耗上也是同樣的趨勢。永州采暖小時數最少，為3971 h，因而采暖能耗最小。14 個城市采暖小時數如圖4。

圖3 婁底全年日平均溫度

圖4 湖南14 個城市采暖小時數

另外本文還研究了設計建筑與2016 年正在執行節能標準對比，分析不同項目地點的能耗及碳排放降低比例，結果如表4所示。

表4 供暖空調總能耗及碳排放強度降低比例

由表4 可知，14 個地市州的設計建筑能耗相對于參照建筑平均降低39.19% 碳排放強度平均下降了10.96 kgCO2/m2·a。綜上研究得出結論：

1）13 個地市州中益陽的供冷供暖總能耗最高，達到19.51 kWh/m2；

2）14 個城市州中湘西州的供暖能耗最大，為10.6 kWh/m2，供冷能耗最大為郴州，為13.89 kWh/m2；

3）與參照建筑對比，平均碳排放強度下降10.96 kgCO2/m2·a，平均碳排放強度降低比例為39.19%。主要原因為相對于2016 年節能標準，通用規范對于圍護結構熱工性能和供暖空調綜合性能系數都有了提升；

4）從研究可知，在滿足《通用規范》圍護結構指標的要求下，建筑的碳排放強度及降低比例也會存在達不到全國平均值（即7 kgCO2/m2·a 及40 %）的情況，需考慮應用可再生能源，實現進一步減碳。