對比 | 寒冷地區(qū)被動房能耗模擬值與實際值

采用Design Builder軟件對河北省建筑科技研發(fā)中心被動式低能耗辦公建筑進行能耗模擬計算分析，并結合實際運行數(shù)據(jù)對比分析差異原因，為寒冷地區(qū)被動式低能耗建筑能耗模擬應用的合理性以及運營管理與模擬優(yōu)化運行策略的可行性提供參考。

被動式低能耗建筑起源于德國，自2007年起，引入我國并開始研究推廣應用。被動式低能耗建筑在室內環(huán)境、氣密性、能耗等方面均有嚴格的指標要求，因此對被動式低能耗建筑進行能耗模擬計算，以及與實際運行數(shù)據(jù)的對比分析研究有著重要的意義。

本項目總建筑面積14527m2，地上六層，地下一層，被動式低能耗建筑區(qū)域為地上一至六層，建筑面積為12362.3 m2。主體結構形式為框架結構，建設性質為辦公樓，一到六層為建筑節(jié)能新技術展示、研發(fā)及試驗、辦公、小型會議等，地下一層為車庫、設備用房。建筑實景見圖1。項目建設起止時間為2012年2月至2015年3月，于2015年4月投入使用。本項目獲得“中德被動式低能耗建筑質量標識”證書、“三星級綠色建筑設計評價標識”證書。

圖1 建筑實景圖

1 建筑模型

能耗模擬計算采用英國Design Builder公司開發(fā)的DesignBuilder建筑模擬軟件，建筑模型見圖2所示。

圖2 建筑模型

2 計算參數(shù)

2.1 室外氣象參數(shù)

　　項目位于石家莊市鹿泉區(qū)上莊鎮(zhèn)大車行村北側，中心地理坐標為北緯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，屬于暖溫帶季風氣候。太陽輻射的季節(jié)性變化顯著，地面的高低氣壓活動頻繁，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，春秋季短。主導風向：東南風(夏季)，次主導風：西北風(冬季)，風頻10%。采用石家莊市典型氣象年氣象數(shù)據(jù)進行計算。

2.2 室內設計參數(shù)

室內空氣設計計算參數(shù)具體見表1所示。

表1 室內空氣設計計算參數(shù)

2.3 圍護結構主要參數(shù)

圍護結構主要參數(shù)見表2所示。

表2 圍護結構主要參數(shù)

2.4 照明功率密度、人員逐時在室率和照明開關時間表

建筑照明功率密度根據(jù)《建筑照明設計標準》GB50034—2004及《公共建筑節(jié)能設計標準》DB(J)81—2009中各功能房間類型照明密度目標值設置;人數(shù)設置及人員逐時在室率、照明開關時間表，按《公共建筑節(jié)能設計標準》DB(J)81-2009中辦公建筑類型確定。

2.5 空調系統(tǒng)、空調運行時間參數(shù)

空調系統(tǒng)設置參數(shù)及空調運行時間表詳見表3、4所示。

表3 空調系統(tǒng)設置參數(shù)

表4 空調運行時間表

3 計算結果

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

圖3 建筑能耗分析圖

經(jīng)模擬計算分析，本項目全年分項能源消耗如表5所示。

表5 建筑全年分項能耗

本項目空調面積為12362.3m2，從上表中的模擬結果可以得出：單位面積年采暖需求為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。

該項目自2015年4月8日投入使用以來，截止目前已運行超過一年，包含完整的制冷期和采暖期，對實際運行數(shù)據(jù)進行了監(jiān)測和記錄，檢測平臺見圖4。

圖4 能耗監(jiān)測平臺

1 室內環(huán)境測試結果

對各樓層室內溫度、濕度、外墻內表面溫度等進行測量，其效果優(yōu)異;新風系統(tǒng)由室內CO2監(jiān)測裝置控制自動運行，完全滿足被動式低能耗建筑的室內環(huán)境要求。該項目2015年5月1日至2016年4月30日的具體室內溫、濕度監(jiān)測見表6所示。

表6 室內環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)

表6中所列溫度、濕度均為整個監(jiān)測季節(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，一般夏季外墻內表面溫度低于室內空氣溫度(26℃)，因此不進行記錄。從監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，本項目整年室內環(huán)境優(yōu)異，滿足被動式低能耗建筑室內環(huán)境要求。

2 能耗測試結果

本項目設置能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)，對用電能耗(照明插座用電、空調用電、動力用電、特殊用電分項能耗)進行監(jiān)測和管理。該項目2015年5月1日至2016年4月30日的具體能耗數(shù)據(jù)見表7所示。

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

表7中4月份為過渡季節(jié)，無制冷、采暖及新風能耗，因此本監(jiān)測數(shù)據(jù)可視為全年數(shù)據(jù)。其它耗電主要包含：電梯耗電、電動遮陽耗電、太陽能熱水耗電、地下配電室照明插座耗電、消防設備耗電等。本項目空調面積為12362.3m2，經(jīng)上表計算可以得出：單位面積采暖能耗為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 預期目標滿足程度

通過2.3能耗模擬計算結果與3.2能耗實測結果可以看出，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算結果均比實際的運行數(shù)據(jù)要小，尤其是單位面積年采暖數(shù)據(jù)相差較大，以下詳細分析其差異原因。

2 差異原因分析

2015年6月份為制冷機組、新風機組調試階段，由于初期螺桿式冷水機組與熱泵機組聯(lián)合運行，建筑冷負荷偏小，導致機組運行效率極低，制冷能耗偏大;經(jīng)調試，將系統(tǒng)切換，夏季僅采用熱泵機組制冷，7月份制冷能耗、新風能耗均為正常監(jiān)測狀態(tài)。

(6月份新風系統(tǒng)能耗未計入監(jiān)測平臺，但6月僅半月時間為制冷期，其能耗遠小于10月份，因此在新風總能耗中不再附加6月份新風能耗);為保證室內通風換氣，置換室內裝飾裝修及辦公用具揮發(fā)的污染物，10月份新風機仍保持正常開啟。此能耗監(jiān)測期間，夏季熱泵機組運行時間為6:30～22:50共16.3h，新風機組運行時間為6:20～22:50共16.5h;冬季熱泵機組運行時間為6:30～21:00共14.5h，新風機組運行時間為6:20～21:00共14.7h。而正常運行時間應為：熱泵機組8:00～17:00共9小時，新風機組8:00～17:30共9.5h。模擬與實測能耗對比見表8。

表8 實測能耗與模擬能耗對比

由表8可見：

(1)制冷實際運行時間是模擬預測時間的1.60倍，而能耗比為1.33，原因分析：① 實際運行時間超出預測時間;② 超出的時間段全部為非正常上班期間，設備末端開啟率較低，故與時間不成正比。

(2)新風系統(tǒng)運行時間是模擬預測時間的1.19倍，能耗比為1.35，原因分析：①新風系統(tǒng)運行時間大于預測時間;② 為降低室內裝修、辦公設備揮發(fā)的污染物，監(jiān)測期間通風系統(tǒng)在開啟時間段全功率運行，未啟動自控裝置，使通風能耗增加較多。

(3)照明設備能耗運行時間無法精確統(tǒng)計，從運行狀況來看，實際運行時間應大于模擬預測時間，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際使用人員密度(實際運行的設備數(shù)量減小);② 規(guī)范提供的設備功率密度值與目前的節(jié)能設備相比數(shù)值偏大。

(4)采暖實際運行能耗遠大于模擬預測值，造成此類現(xiàn)象的原因：① 空調系統(tǒng)實際運行時間大于預測值;② 通風系統(tǒng)運行時間大于預測值，由新風造成的熱負荷增加了采暖能耗;③ 照明設備能耗小于預測值，照明設備散熱減少;④ 人員密度小于預測值，建筑內部人體散熱減少;

綜述，由于受多重因素影響，建筑物內的各個系統(tǒng)無法按照理論模式運行，會造成模擬預測與實際運行的偏差。但從分析來看模擬預測能耗與實際運行存在必然的關系，而且隨著模擬預測參數(shù)與實際運行條件的接近，模擬預測會更加準確。通過控制能耗模擬預測能耗，能夠達到控制實際能耗的目的。

河北省建筑科技研發(fā)中心辦公樓夜景效果圖

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