對(duì)比 | 寒冷地區(qū)被動(dòng)房能耗模擬值與實(shí)際值

采用Design Builder軟件對(duì)河北省建筑科技研發(fā)中心被動(dòng)式低能耗辦公建筑進(jìn)行能耗模擬計(jì)算分析，并結(jié)合實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比分析差異原因，為寒冷地區(qū)被動(dòng)式低能耗建筑能耗模擬應(yīng)用的合理性以及運(yùn)營(yíng)管理與模擬優(yōu)化運(yùn)行策略的可行性提供參考。

被動(dòng)式低能耗建筑起源于德國(guó)，自2007年起，引入我國(guó)并開(kāi)始研究推廣應(yīng)用。被動(dòng)式低能耗建筑在室內(nèi)環(huán)境、氣密性、能耗等方面均有嚴(yán)格的指標(biāo)要求，因此對(duì)被動(dòng)式低能耗建筑進(jìn)行能耗模擬計(jì)算，以及與實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)的對(duì)比分析研究有著重要的意義。

本項(xiàng)目總建筑面積14527m2，地上六層，地下一層，被動(dòng)式低能耗建筑區(qū)域?yàn)榈厣弦恢亮鶎樱ㄖ娣e為12362.3 m2。主體結(jié)構(gòu)形式為框架結(jié)構(gòu)，建設(shè)性質(zhì)為辦公樓，一到六層為建筑節(jié)能新技術(shù)展示、研發(fā)及試驗(yàn)、辦公、小型會(huì)議等，地下一層為車(chē)庫(kù)、設(shè)備用房。建筑實(shí)景見(jiàn)圖1。項(xiàng)目建設(shè)起止時(shí)間為2012年2月至2015年3月，于2015年4月投入使用。本項(xiàng)目獲得“中德被動(dòng)式低能耗建筑質(zhì)量標(biāo)識(shí)”證書(shū)、“三星級(jí)綠色建筑設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)標(biāo)識(shí)”證書(shū)。

圖1 建筑實(shí)景圖

1 建筑模型

能耗模擬計(jì)算采用英國(guó)Design Builder公司開(kāi)發(fā)的DesignBuilder建筑模擬軟件，建筑模型見(jiàn)圖2所示。

圖2 建筑模型

2 計(jì)算參數(shù)

2.1 室外氣象參數(shù)

　　項(xiàng)目位于石家莊市鹿泉區(qū)上莊鎮(zhèn)大車(chē)行村北側(cè)，中心地理坐標(biāo)為北緯38°1′31.39″、東經(jīng)114°21′34.18″，屬于寒冷(B)區(qū)。石家莊市地處中低緯度亞歐大陸東緣，臨近太平洋所屬渤海海域，屬于暖溫帶季風(fēng)氣候。太陽(yáng)輻射的季節(jié)性變化顯著，地面的高低氣壓活動(dòng)頻繁，四季分明，年平均氣溫為13.4℃。石家莊年總降水量為401.1~752.0mm，雨量集中于夏秋季節(jié)。干濕期明顯，夏冬季長(zhǎng)，春秋季短。主導(dǎo)風(fēng)向：東南風(fēng)(夏季)，次主導(dǎo)風(fēng)：西北風(fēng)(冬季)，風(fēng)頻10%。采用石家莊市典型氣象年氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。

2.2 室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)

室內(nèi)空氣設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)具體見(jiàn)表1所示。

表1 室內(nèi)空氣設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)

2.3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要參數(shù)

圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要參數(shù)見(jiàn)表2所示。

表2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要參數(shù)

2.4 照明功率密度、人員逐時(shí)在室率和照明開(kāi)關(guān)時(shí)間表

建筑照明功率密度根據(jù)《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB50034—2004及《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》DB(J)81—2009中各功能房間類(lèi)型照明密度目標(biāo)值設(shè)置;人數(shù)設(shè)置及人員逐時(shí)在室率、照明開(kāi)關(guān)時(shí)間表，按《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》DB(J)81-2009中辦公建筑類(lèi)型確定。

2.5 空調(diào)系統(tǒng)、空調(diào)運(yùn)行時(shí)間參數(shù)

空調(diào)系統(tǒng)設(shè)置參數(shù)及空調(diào)運(yùn)行時(shí)間表詳見(jiàn)表3、4所示。

表3 空調(diào)系統(tǒng)設(shè)置參數(shù)

表4 空調(diào)運(yùn)行時(shí)間表

3 計(jì)算結(jié)果

主要模擬計(jì)算的是全年范圍內(nèi)逐時(shí)、逐月的建筑能耗、溫度、熱平衡、系統(tǒng)負(fù)荷的變化情況，本建筑能耗分析圖如圖3所示。

圖3 建筑能耗分析圖

經(jīng)模擬計(jì)算分析，本項(xiàng)目全年分項(xiàng)能源消耗如表5所示。

表5 建筑全年分項(xiàng)能耗

本項(xiàng)目空調(diào)面積為12362.3m2，從上表中的模擬結(jié)果可以得出：?jiǎn)挝幻娣e年采暖需求為42356.58kWh×3/12362.3 m2=10.28kWh/(m2·a)，單位面積年制冷需求為53905.45×3/11093.63m2= 1 3 . 0 8 kWh / (m2 · a ) ， 單位面積年一次能源總需求為387447.91×3/11093.63 m2=94.02 kWh/(m2·a);單位面積年一次能源總需求不大于120 kWh/(m2·a)的要求。

該項(xiàng)目自2015年4月8日投入使用以來(lái)，截止目前已運(yùn)行超過(guò)一年，包含完整的制冷期和采暖期，對(duì)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)和記錄，檢測(cè)平臺(tái)見(jiàn)圖4。

圖4 能耗監(jiān)測(cè)平臺(tái)

1 室內(nèi)環(huán)境測(cè)試結(jié)果

對(duì)各樓層室內(nèi)溫度、濕度、外墻內(nèi)表面溫度等進(jìn)行測(cè)量，其效果優(yōu)異;新風(fēng)系統(tǒng)由室內(nèi)CO2監(jiān)測(cè)裝置控制自動(dòng)運(yùn)行，完全滿(mǎn)足被動(dòng)式低能耗建筑的室內(nèi)環(huán)境要求。該項(xiàng)目2015年5月1日至2016年4月30日的具體室內(nèi)溫、濕度監(jiān)測(cè)見(jiàn)表6所示。

表6 室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

表6中所列溫度、濕度均為整個(gè)監(jiān)測(cè)季節(jié)的最低值和最高值，所列房間均為主要功能房間。經(jīng)監(jiān)測(cè)，一般夏季外墻內(nèi)表面溫度低于室內(nèi)空氣溫度(26℃)，因此不進(jìn)行記錄。從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，本項(xiàng)目整年室內(nèi)環(huán)境優(yōu)異，滿(mǎn)足被動(dòng)式低能耗建筑室內(nèi)環(huán)境要求。

2 能耗測(cè)試結(jié)果

本項(xiàng)目設(shè)置能耗監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)，對(duì)用電能耗(照明插座用電、空調(diào)用電、動(dòng)力用電、特殊用電分項(xiàng)能耗)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和管理。該項(xiàng)目2015年5月1日至2016年4月30日的具體能耗數(shù)據(jù)見(jiàn)表7所示。

表7 2015年5月1日至2016年4月30日能耗監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

表7中4月份為過(guò)渡季節(jié)，無(wú)制冷、采暖及新風(fēng)能耗，因此本監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可視為全年數(shù)據(jù)。其它耗電主要包含：電梯耗電、電動(dòng)遮陽(yáng)耗電、太陽(yáng)能熱水耗電、地下配電室照明插座耗電、消防設(shè)備耗電等。本項(xiàng)目空調(diào)面積為12362.3m2，經(jīng)上表計(jì)算可以得出：?jiǎn)挝幻娣e采暖能耗為22.87kWh/(m2·a)，單位面積制冷能耗為17.42 kWh/(m2·a)，單位面積一次能源總消耗為107.85kWh/(m2·a)

1 預(yù)期目標(biāo)滿(mǎn)足程度

通過(guò)2.3能耗模擬計(jì)算結(jié)果與3.2能耗實(shí)測(cè)結(jié)果可以看出，單位面積年采暖需求、單位面積年制冷需求、單位面積年一次能源總需求的能耗模擬的計(jì)算結(jié)果均比實(shí)際的運(yùn)行數(shù)據(jù)要小，尤其是單位面積年采暖數(shù)據(jù)相差較大，以下詳細(xì)分析其差異原因。

2 差異原因分析

2015年6月份為制冷機(jī)組、新風(fēng)機(jī)組調(diào)試階段，由于初期螺桿式冷水機(jī)組與熱泵機(jī)組聯(lián)合運(yùn)行，建筑冷負(fù)荷偏小，導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行效率極低，制冷能耗偏大;經(jīng)調(diào)試，將系統(tǒng)切換，夏季僅采用熱泵機(jī)組制冷，7月份制冷能耗、新風(fēng)能耗均為正常監(jiān)測(cè)狀態(tài)。

(6月份新風(fēng)系統(tǒng)能耗未計(jì)入監(jiān)測(cè)平臺(tái)，但6月僅半月時(shí)間為制冷期，其能耗遠(yuǎn)小于10月份，因此在新風(fēng)總能耗中不再附加6月份新風(fēng)能耗);為保證室內(nèi)通風(fēng)換氣，置換室內(nèi)裝飾裝修及辦公用具揮發(fā)的污染物，10月份新風(fēng)機(jī)仍保持正常開(kāi)啟。此能耗監(jiān)測(cè)期間，夏季熱泵機(jī)組運(yùn)行時(shí)間為6:30～22:50共16.3h，新風(fēng)機(jī)組運(yùn)行時(shí)間為6:20～22:50共16.5h;冬季熱泵機(jī)組運(yùn)行時(shí)間為6:30～21:00共14.5h，新風(fēng)機(jī)組運(yùn)行時(shí)間為6:20～21:00共14.7h。而正常運(yùn)行時(shí)間應(yīng)為：熱泵機(jī)組8:00～17:00共9小時(shí)，新風(fēng)機(jī)組8:00～17:30共9.5h。模擬與實(shí)測(cè)能耗對(duì)比見(jiàn)表8。

表8 實(shí)測(cè)能耗與模擬能耗對(duì)比

由表8可見(jiàn)：

(1)制冷實(shí)際運(yùn)行時(shí)間是模擬預(yù)測(cè)時(shí)間的1.60倍，而能耗比為1.33，原因分析：① 實(shí)際運(yùn)行時(shí)間超出預(yù)測(cè)時(shí)間;② 超出的時(shí)間段全部為非正常上班期間，設(shè)備末端開(kāi)啟率較低，故與時(shí)間不成正比。

(2)新風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間是模擬預(yù)測(cè)時(shí)間的1.19倍，能耗比為1.35，原因分析：①新風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間大于預(yù)測(cè)時(shí)間;② 為降低室內(nèi)裝修、辦公設(shè)備揮發(fā)的污染物，監(jiān)測(cè)期間通風(fēng)系統(tǒng)在開(kāi)啟時(shí)間段全功率運(yùn)行，未啟動(dòng)自控裝置，使通風(fēng)能耗增加較多。

(3)照明設(shè)備能耗運(yùn)行時(shí)間無(wú)法精確統(tǒng)計(jì)，從運(yùn)行狀況來(lái)看，實(shí)際運(yùn)行時(shí)間應(yīng)大于模擬預(yù)測(cè)時(shí)間，但能耗比僅為0.78。原因分析：① 規(guī)范提供的人員密度大于實(shí)際使用人員密度(實(shí)際運(yùn)行的設(shè)備數(shù)量減小);② 規(guī)范提供的設(shè)備功率密度值與目前的節(jié)能設(shè)備相比數(shù)值偏大。

(4)采暖實(shí)際運(yùn)行能耗遠(yuǎn)大于模擬預(yù)測(cè)值，造成此類(lèi)現(xiàn)象的原因：① 空調(diào)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行時(shí)間大于預(yù)測(cè)值;② 通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間大于預(yù)測(cè)值，由新風(fēng)造成的熱負(fù)荷增加了采暖能耗;③ 照明設(shè)備能耗小于預(yù)測(cè)值，照明設(shè)備散熱減少;④ 人員密度小于預(yù)測(cè)值，建筑內(nèi)部人體散熱減少;

綜述，由于受多重因素影響，建筑物內(nèi)的各個(gè)系統(tǒng)無(wú)法按照理論模式運(yùn)行，會(huì)造成模擬預(yù)測(cè)與實(shí)際運(yùn)行的偏差。但從分析來(lái)看模擬預(yù)測(cè)能耗與實(shí)際運(yùn)行存在必然的關(guān)系，而且隨著模擬預(yù)測(cè)參數(shù)與實(shí)際運(yùn)行條件的接近，模擬預(yù)測(cè)會(huì)更加準(zhǔn)確。通過(guò)控制能耗模擬預(yù)測(cè)能耗，能夠達(dá)到控制實(shí)際能耗的目的。

河北省建筑科技研發(fā)中心辦公樓夜景效果圖

本文以實(shí)際工程為案例，介紹了寒冷地區(qū)被動(dòng)式低能耗辦公建筑能耗模擬計(jì)算數(shù)據(jù)與實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，在能耗模擬參數(shù)設(shè)定合理準(zhǔn)確并與實(shí)際吻合的情況下，能耗模擬結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行能耗差距在可接受的范圍內(nèi)，為能耗模擬軟件在被動(dòng)式低能耗建筑中的應(yīng)用提供參考。