严寒地区超低能耗公共建筑的能耗模拟分析★

瞿萧羽 刘子恒

(1.吉林建筑科技学院，吉林 长春 130111； 2.长春华大房地产开发有限责任公司，吉林 长春 130000)

1 超低能耗建筑和能耗模拟

随着全球变暖现象加剧，健康舒适的超低能耗建筑成为严寒地区建筑的发展重点。据调查，欧洲各国目前都在逐步建造和推广超低能耗建筑甚至近零能耗建筑。以德国为例，德国被动房建筑的节能达90%。超低能耗建筑的发展使得建筑能耗的模拟分析成为必须。通过对超低能耗建筑的能耗模拟与分析，可以使能耗评价更加准确，使其符合相关的标准和规范，进行经济性分析等。

我国目前已建成的严寒地区常规公共建筑节能都达到65%，吉林省现行的采暖设计是《公共建筑节能设计标准(节能65%)》，而超低能耗建筑节能达80%及以上。目前在全世界范围建筑能耗模拟得到很大发展，相关的研究与应用在建筑设计、建筑调适、既有建筑节能改造、优化控制等方面展开。基于建筑信息模型的集成化设计是建筑设计的发展方向，建筑能耗模拟将成为被集成的一个功能，真正起到辅助和优化建筑设计的作用。对于既有建筑，建筑能耗模拟的应用主要在于建立建筑能源系统的基准线模型，用于建筑能耗系统的能效评价、经济性评价和优化基准。

2 超低能耗建筑示范工程

2.1 项目工程概况

吉林建筑科技学院超低能耗建筑示范工程及其研发中心，超低能耗建筑部分与工程实训中心形成主辅体，总建筑面积3 925 m2，超低能耗部分建筑面积约1 200 m2，总高度8.1 m，二层框架结构。内设实验室、体验室及会议室等。项目总投资约500万元，是全国首批超低能耗建筑标志性项目。

2.2 围护结构设计

该工程外墙保温构造采用外墙外保温系统，在190 mm厚的砌块墙体外做140 mm厚苯板，外加80 mm厚岩棉和50 mm厚保温砂浆，加上饰面板及抹灰后外墙总厚度480 mm，外墙平均传热系数K<0.1 W/(m2·K)。

屋顶为钢筋混凝土屋面板上做300 mm厚B1级保温板，上铺1∶10水泥膨胀珍珠岩(最薄处30厚)，上面做干湿两道4 mm厚SBS改性沥青防水卷材。将保温厚度提高到300 mm，实现屋顶传热系数K<0.1 W/(m2·K)。

外门与外窗均采用哈尔滨森鹰窗业股份有限公司的被动式门窗。外窗森鹰铝包木窗内侧为实木窗框，外侧包铝窗框。目前推广使用的新型环保节能窗户一般采用三层玻璃，本项目采用单框三玻，即中间为三玻两腔结构，玻璃间充满氩气，传热系数比普通的中空玻璃大大降低，可以达到0.8 W/(m2·K)。同时配备高性能密封暖边间隔条，整窗热工性能满足超低能耗建筑要求。

地面保温在沿建筑底层外墙周边2 000 mm的宽度范围内加铺50 mm厚挤塑聚苯板保温，上做80厚C20混凝土垫层，以提高地面的保温性能。

气密性及热桥处理。本项目采用20 mm的抹灰层做气密层，确保气密层连续地包围整个外围护结构。对门窗洞口、管线贯穿部位、电气接线盒等进行气密性处理措施。以上措施保证在室内外压差50 Pa的条件下，换气次数不大于0.6/h。

2.3 采用主要技术

屋顶太阳能光伏发电系统采用多晶硅太阳能光伏板，为建筑提供部分电能；采用微风力发电，设置在屋顶的微风力发电机，形成风光互补式的连续发电保障，并将多余的电量并入国家电网；太阳能补热，采用土壤源热泵，在夏季将制冷产生的热量存储于地下，在冬季当太阳能吸收热量不足时，利用储存于地下的热量作为补给。

3 建筑能耗模拟分析

3.1 长春地区气候分析

长春市采暖度日数(HDD18)为4 642，属于严寒C区。地处东北松辽平原腹地，地势较为平坦，在气候分区上属大陆性季风气候。长春一年中四季分明，冬季较为寒冷而漫长。长春市的日照时数为2 688 h，7月是最热月，1月为最冷月，平均温度分别为23 ℃和-16 ℃。四季中夏季的相对湿度最大，春季的相对湿度较小，冬季夜间的相对湿度小于秋季，而白天大于秋季，一般最大相对湿度出现在5时～6时，最小相对湿度出现在14时～15时。

3.2 能耗模拟软件

随着计算机技术的发展，在世界范围内出现许多建筑能耗模拟软件，如eQUEST，DeST等能耗模拟软件。本项目采用eQUEST作为建筑能耗的模拟工具，它是在DOE-2基础上研发出的针对建筑能耗的分析软件，通过运用软件可以针对不同类型的建筑进行能耗模拟，并且可以进行建筑的经济性分析、对建筑照明进行控制以及从模拟结果的表格中自行选取适合的测算方法，进而完成能源的利用效率。

eQUEST的计算核心是目前使用最为广泛的能耗模拟软件DOE-2。DOE-2.2用反应系数法计算建筑围护结构的传热量，根据软件输入的建筑基础条件，如空调采暖、建筑结构形式、围护结构所选择的不同材料组合、照明条件、室内的温度等，通过动态计算得出建筑物全年的能源消耗，并以表格的形式输出，可以清晰的得出材料—构造—技术—建筑—能耗之间的相互关系。

3.3 建筑能耗模拟计算

首先利用eQUEST能耗模拟软件构建模型，软件模拟前必须收集大量信息。例如气象数据中，供暖室外计算温度为-21.1 ℃，冬季室内设定温度18 ℃，夏季室内设定温度26 ℃，冬季室内相对湿度30%。建筑模型中的外形尺寸、外围护结构中的材料与构造、建筑开窗朝向和窗墙比(见表1)、室内设备及照明、采暖与通风、内扰等在模拟之前需要提前设置。

表1 外窗类型及参数

根据研究建筑的图纸及资料，利用eQUEST软件建立计算模型，主要模拟计算的是设计日和典型日建筑的冷热负荷的变化走向。冬季的采暖期为每年的10月～次年的4月，夏季采取间歇式开启空调的方式。利用eQUEST软件建立计算模型，模拟得出建筑的负荷变化以及建筑耗能结果。

对于严寒地区，主要研究分析的是建筑的热负荷。通过模拟计算得出，设计日逐时空调热负荷结果如图1所示。空调热负荷中除了建筑的热负荷以外，还有新风的热负荷以及其他热量的抵消。通过计算还得出设计日建筑围护结构的逐时热负荷，如图2所示。其中围护结构有屋顶、外墙及外窗、地面的温差传热，还包括通过外窗的辐射热量。从图中分析得出，建筑围护结构单位面积热负荷从上午9时开始急剧下降，在下午14时到达峰值并延续至下午15时，从15时以后开始再逐渐上升。通过模拟还得出建筑总负荷与建筑围护结构负荷值变化相同。

严寒地区被动式超低能耗建筑中，技术体系的核心是能耗控制指标，这也是严寒地区中的被动式超低能耗建筑所应达到的性能要求，其值的确定对被动式超低能耗绿色建筑的发展有着至关重要的意义。能耗控制指标由年供暖量、年供冷量、年供暖空调和照明一次能源消耗量三项指标组成。通过软件的模拟计算， 得出该超低能耗建筑设计冷负荷81.8 W/m2，设计热负荷69.7 W/m2，年供暖量值为13.41 kWh/(m2·年),供冷量值为14.10 kWh/(m2·年)，建筑能耗指标51.43 kWh/m，即年供暖、供冷和照明一次能源消耗量能够控制在60 kWh/(m2·年)以内。

超低能耗建筑全年能耗包括照明、设备及暖通空调系统，耗能总量达132 118 kWh，而节能65%的建筑耗能483 976 kWh，经计算，建筑节能率为72.7%。因此该超低能耗建筑在常规建筑节能65%的基础上，又节能72.7%，即在达到同样舒适度情况下，有效地降低了建筑能耗。暖通空调系统年耗电量包括制热、制冷、水泵、风机能耗，共计60 174 kWh，参照节能65%建筑为393 892 kWh，暖通空调系统能耗降低了84.7%，电价按0.52元/kWh，暖通空调系统总电费一年减少173 533元。

4 结语

通过对该项目进行能耗模拟，在建筑运行和使用过程中发现，超低能耗建筑能够保证更好地满足室内环境舒适度，达到健康和高质量的同时，显著地降低建筑能耗。经测算，该超低能耗建筑每年可减少能耗约47万kW·h，其中主要降低的是暖通空调系统中的制热能耗，即冬季的供暖能耗，因此在严寒地区建造超低能耗公共建筑极大降低了年供暖运行费用。随着新型保温材料发展、可再生能源设备价格的降低，超低能耗建筑能够带来更好的经济性和社会效益，同时也提供更多的选择性与可能性。通过对严寒地区超低能耗建筑的模拟与分析，可以对设计方案进行优化比较，使超低能耗建筑更加满足设计规范和相关标准，在严寒地区具有经济竞争力和长远的发展优势。