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(jìn)行能耗模擬計算分析，并結(jié)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(yīng)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(yīng)用。被動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，因此對被動式低能耗建筑進(jìn)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(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、辦公、小型會議等，地下一層為車庫、設(shè)備用房。建筑實景見圖1。項目建設(shè)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(zhì)量標(biāo)識”證書、“三星級綠色建筑設(shè)計評價標(biāo)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(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(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)行計算。

2.2 室內(nèi)設(shè)計參數(shù)

室內(nèi)空氣設(shè)計計算參數(shù)具體見表1所示。

表1 室內(nèi)空氣設(shè)計計算參數(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、人員逐時在室率和照明開關(guān)時間表

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

2.5 空調(diào)系統(tǒng)、空調(diào)運行時間參數(shù)

空調(diào)系統(tǒng)設(shè)置參數(shù)及空調(diào)運行時間表詳見表3、4所示。

表3 空調(diào)系統(tǒng)設(shè)置參數(shù)

表4 空調(diào)運行時間表

3 計算結(jié)果

主要模擬計算的是全年范圍內(nèi)逐時、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(diào)面積為12362.3m2，從上表中的模擬結(jié)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(jìn)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(nèi)環(huán)境測試結(jié)果

對各樓層室內(nèi)溫度、濕度、外墻內(nèi)表面溫度等進(jìn)行測量，其效果優(yōu)異;新風(fēng)系統(tǒng)由室內(nèi)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(nèi)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(nèi)溫、濕度監(jiān)測見表6所示。

表6 室內(nèi)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(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)測數(shù)據(jù)來看，本項目整年室內(nèi)環(huán)境優(yōu)異，滿足被動式低能耗建筑室內(nèi)環(huán)境要求。

2 能耗測試結(jié)果

本項目設(shè)置能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)，對用電能耗(照明插座用電、空調(diào)用電、動力用電、特殊用電分項能耗)進(jìn)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(fēng)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(shè)備耗電等。本項目空調(diào)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(yù)期目標(biāo)滿足程度

通過2.3能耗模擬計算結(jié)果與3.2能耗實測結(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算結(jié)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(xì)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(fēng)機組調(diào)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(fù)荷偏小，導(dǎo)致機組運行效率極低，制冷能耗偏大;經(jīng)調(diào)試，將系統(tǒng)切換，夏季僅采用熱泵機組制冷，7月份制冷能耗、新風(fēng)能耗均為正常監(jiān)測狀態(tài)。

(6月份新風(fēng)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(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(fēng)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(fēng)機組運行時間為6:20～21:00共14.7h。而正常運行時間應(yīng)為：熱泵機組8:00～17:00共9小時，新風(fēng)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(yù)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(yù)測時間;② 超出的時間段全部為非正常上班期間，設(shè)備末端開啟率較低，故與時間不成正比。

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

(3)照明設(shè)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(yīng)大于模擬預(yù)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(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)采暖實際運行能耗遠(yuǎn)大于模擬預(yù)測值，造成此類現(xiàn)象的原因：① 空調(diào)系統(tǒng)實際運行時間大于預(yù)測值;② 通風(fēng)系統(tǒng)運行時間大于預(yù)測值，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)測值，照明設(shè)備散熱減少;④ 人員密度小于預(yù)測值，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)的各個系統(tǒng)無法按照理論模式運行，會造成模擬預(yù)測與實際運行的偏差。但從分析來看模擬預(yù)測能耗與實際運行存在必然的關(guān)系，而且隨著模擬預(yù)測參數(shù)與實際運行條件的接近，模擬預(yù)測會更加準(zhǔn)確。通過控制能耗模擬預(yù)測能耗，能夠達(dá)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(shè)定合理準(zhǔn)確并與實際吻合的情況下，能耗模擬結(jié)果與實際運行能耗差距在可接受的范圍內(nèi)，為能耗模擬軟件在被動式低能耗建筑中的應(yīng)用提供參考。