嚴寒地區公共建筑超低能耗模擬分析
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摘要:嚴寒地區超低能耗建筑的發展使得建筑能耗模擬分析成為必須。對吉林建筑科技學院超低能耗建筑示范工程進行簡要介紹，利用eQUEST能耗模擬軟件對該建筑進行能耗模擬，得到建筑負荷及能耗結果，通過計算節能率并對模擬結果進行對比分析，得出建筑暖通空調系統能耗顯著降低，極大地節省了冬季供暖運行費用。
關鍵詞:超低能耗建筑，能耗模擬，能耗分析
1超低能耗建筑和能耗模擬
隨著全球變暖現象加劇，健康舒適的超低能耗建筑成為嚴寒地區建筑的發展重點。據調查，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能達90%。超低能耗建筑的發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確，使其符合相關的標準和規范，進行經濟性分析等。我國目前已建成的嚴寒地區常規公共建筑節能都達到65%，吉林省現行的采暖設計是《公共建筑節能設計標準(節能65%)》，而超低能耗建筑節能達80%及以上。目前在全世界范圍建筑能耗模擬得到很大發展，相關的研究與應用在建筑設計、建筑調適、既有建筑節能改造、優化控制等方面展開。基于建筑信息模型的集成化設計是建筑設計的發展方向，建筑能耗模擬將成為被集成的一個功能，真正起到輔助和優化建筑設計的作用。對于既有建筑，建筑能耗模擬的應用主要在于建立建筑能源系統的基準線模型，用于建筑能耗系統的能效評價、經濟性評價和優化基準。
2超低能耗建筑示范工程
2．1項目工程概況
吉林建筑科技學院超低能耗建筑示范工程及其研發中心，超低能耗建筑部分與工程實訓中心形成主輔體，總建筑面積3925m2，超低能耗部分建筑面積約1200m2，總高度8．1m，二層框架結構。內設實驗室、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志性項目。
2．2圍護結構設計
該工程外墻保溫構造采用外墻外保溫系統，在190mm厚的砌塊墻體外做140mm厚苯板，外加80mm厚巖棉和50mm厚保溫砂漿，加上飾面板及抹灰后外墻總厚度480mm，外墻平均傳熱系數K＜0．1W/(m2•K)。屋頂為鋼筋混凝土屋面板上做300mm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4mm厚SBS改性瀝青防水卷材。將保溫厚度提高到300mm，實現屋頂傳熱系數K＜0．1W/(m2•K)。外門與外窗均采用哈爾濱森鷹窗業股份有限公司的被動式門窗。外窗森鷹鋁包木窗內側為實木窗框，外側包鋁窗框。目前推廣使用的新型環保節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構，玻璃間充滿氬氣，傳熱系數比普通的中空玻璃大大降低，可以達到0．8W/(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2000mm的寬度范圍內加鋪50mm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20mm的抹灰層做氣密層，確保氣密層連續地包圍整個外圍護結構。對門窗洞口、管線貫穿部位、電氣接線盒等進行氣密性處理措施。以上措施保證在室內外壓差50Pa的條件下，換氣次數不大于0．6/h。
2．3采用主要技術
屋頂太陽能光伏發電系統采用多晶硅太陽能光伏板，為建筑提供部分電能;采用微風力發電，設置在屋頂的微風力發電機，形成風光互補式的連續發電保障，并將多余的電量并入國家電網;太陽能補熱，采用土壤源熱泵，在夏季將制冷產生的熱量存儲于地下，在冬季當太陽能吸收熱量不足時，利用儲存于地下的熱量作為補給。
3建筑能耗模擬分析
3．1長春地區氣候分析
長春市采暖度日數(HDD18)為4642，屬于嚴寒C區。地處東北松遼平原腹地，地勢較為平坦，在氣候分區上屬大陸性季風氣候。長春一年中四季分明，冬季較為寒冷而漫長。長春市的日照時數為2688h，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在5時～6時，最小相對濕度出現在14時～15時。
3．2能耗模擬軟件
隨著計算機技術的發展，在世界范圍內出現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基礎上研發出的針對建筑能耗的分析軟件，通過運用軟件可以針對不同類型的建筑進行能耗模擬，并且可以進行建筑的經濟性分析、對建筑照明進行控制以及從模擬結果的表格中自行選取適合的測算方法，進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用反應系數法計算建筑圍護結構的傳熱量，根據軟件輸入的建筑基礎條件，如空調采暖、建筑結構形式、圍護結構所選擇的不同材料組合、照明條件、室內的溫度等，通過動態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—構造—技術—建筑—能耗之間的相互關系。
3．3建筑能耗模擬計算
首先利用eQUEST能耗模擬軟件構建模型，軟件模擬前必須收集大量信息。例如氣象數據中，供暖室外計算溫度為－21．1℃，冬季室內設定溫度18℃，夏季室內設定溫度26℃，冬季室內相對濕度30%。建筑模型中的外形尺寸、外圍護結構中的材料與構造、建筑開窗朝向和窗墻比(見表1)、室內設備及照明、采暖與通風、內擾等在模擬之前需要提前設置。根據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計日和典型日建筑的冷熱負荷的變化走向。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的方式。利用eQUEST軟件建立計算模型，模擬得出建筑的負荷變化以及建筑耗能結果。對于嚴寒地區，主要研究分析的是建筑的熱負荷。通過模擬計算得出，設計日逐時空調熱負荷結果如圖1所示。空調熱負荷中除了建筑的熱負荷以外，還有新風的熱負荷以及其他熱量的抵消。通過計算還得出設計日建筑圍護結構的逐時熱負荷，如圖2所示。其中圍護結構有屋頂、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，建筑圍護結構單位面積熱負荷從上午9時開始急劇下降，在下午14時到達峰值并延續至下午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荷與建筑圍護結構負荷值變化相同。嚴寒地區被動式超低能耗建筑中，技術體系的核心是能耗控制指標，這也是嚴寒地區中的被動式超低能耗建筑所應達到的性能要求，其值的確定對被動式超低能耗綠色建筑的發展有著至關重要的意義。能耗控制指標由年供暖量、年供冷量、年供暖空調和照明一次能源消耗量三項指標組成。通過軟件的模擬計算，得出該超低能耗建筑設計冷負荷81．8W/m2，設計熱負荷69．7W/m2，年供暖量值為13．41kWh/(m2•年)，供冷量值為14．10kWh/(m2•年)，建筑能耗指標51．43kWh/m，即年供暖、供冷和照明一次能源消耗量能夠控制在60kWh/(m2•年)以內。超低能耗建筑全年能耗包括照明、設備及暖通空調系統，耗能總量達132118kWh，而節能65%的建筑耗能483976kWh，經計算，建筑節能率為72．7%。因此該超低能耗建筑在常規建筑節能65%的基礎上，又節能72．7%，即在達到同樣舒適度情況下，有效地降低了建筑能耗。暖通空調系統年耗電量包括制熱、制冷、水泵、風機能耗，共計60174kWh，參照節能65%建筑為393892kWh，暖通空調系統能耗降低了84．7%，電價按0．52元/kWh，暖通空調系統總電費一年減少173533元。
4結語
通過對該項目進行能耗模擬，在建筑運行和使用過程中發現，超低能耗建筑能夠保證更好地滿足室內環境舒適度，達到健康和高質量的同時，顯著地降低建筑能耗。經測算，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系統中的制熱能耗，即冬季的供暖能耗，因此在嚴寒地區建造超低能耗公共建筑極大降低了年供暖運行費用。隨著新型保溫材料發展、可再生能源設備價格的降低，超低能耗建筑能夠帶來更好的經濟性和社會效益，同時也提供更多的選擇性與可能性。通過對嚴寒地區超低能耗建筑的模擬與分析，可以對設計方案進行優化比較，使超低能耗建筑更加滿足設計規范和相關標準，在嚴寒地區具有經濟競爭力和長遠的發展優勢。
參考文獻:
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作者：瞿蕭羽 劉子恒 單位：吉林建筑科技學院