严寒地区超低能耗建筑负荷特性研究

冯国会,崔 航,黄凯良,常莎莎,张 磊

(沈阳建筑大学市政与环境工程学院,辽宁 沈阳 110168)

超低能耗建筑是指在围护结构、能源和设备系统、照明、智能控制、可再生能源利用等方面综合选用各项节能技术,能耗水平远低于常规建筑的建筑物,是一种不用或者尽量少用一次能源,而使用可再生能源的建筑物。我国超低能耗建筑一般可以定义为:以年为计算期,以终端用能形式作为衡量指标,新建建筑采暖供冷能耗比按照节能标准建造的建筑节能70%以上的建筑。其中,住宅按照65%节能率,公共建筑按照50%节能率作为提升的基数。《民用建筑热工设计规范》(GB50716—2016)将我国划分分为5个建筑热工设计气候区域:严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区和温和地区。建筑所处气候区以及室外干球温度对建筑负荷特性都有影响[1-2]。笔者以沈阳建筑大学超低能耗示范建筑为例,运用DeST软件建立超低能耗建筑模型,通过改变DeST软件中模拟建筑所在城市的气象信息,模拟沈阳市、长春市、哈尔滨市负荷特性。用爱必宜(IBE)模拟软件对DeST模拟软件所得结果进行验证。

1 建立建筑的DeST模型及参数设定

1.1 超低能耗建筑简介

沈阳建筑大学超低能耗示范建筑位于沈阳建筑大学校内,建筑共有两层,1层高3.3 m,2层高3.6 m,总建筑面积334.8 m2。建筑包括会议室、开敞办公区、控制室、展厅、设备室及卫生间等,是典型的办公建筑。建筑充分利用了太阳能、地热能和相变储能技术,大幅度地降低了对化石能源的依赖。超低能耗示范建筑主体结构为钢框架+现浇聚苯颗粒泡沫混凝土墙体,外围护结构采用保温性能良好的相变储能技术措施。建筑体型系数为0.47。窗墙面积比:偏西侧为0.09;偏南侧为0.12;偏北侧为0.12;偏东侧为0.05。超低能耗示范建筑如图1所示。

图1 超低能耗示范建筑

1.2 建立DeST模型

DeST软件使用状态空间法对房间的热过程进行动态模拟,能够准确地模拟建筑的负荷情况[3-4]。笔者使用DeST模拟软件进行负荷模拟,分析超低能耗示范建筑的负荷特性。根据超低能耗示范建筑的基础信息,在能耗模拟软件DeST中建立如图2所示的负荷计算模型。

图2 超低能耗建筑的DeST模型

1.3 模拟参数设定

根据《公共机构超低能耗建筑技术标准》(T/CECS713—2020),以严寒气候区沈阳建筑大学超低能耗示范建筑为模型,利用DeST软件设置了建筑物围护结构、建筑人员、灯光和设备等内扰参数以及空调设计参数,表1为超低能耗示范建筑围护结构参数设置,表2为超低能耗示范建筑内扰参数及空调参数设置[5]。

表1 超低能耗建筑围护结构热工性能参数设定

表2 超低能耗建筑内扰参数及空调参数设定

2 模拟结果与分析

通过改变DeST软件中模拟建筑所在城市的气象信息,从而模拟沈阳市、长春市、哈尔滨市的负荷特性[6-8]。3个城市的气象参数如表3所示。

表3 3个城市气象参数设定

2.1 建筑全年逐时负荷模拟及不平衡率分析

2.1.1 建筑全年逐时负荷模拟结果

以超低能耗示范建筑为模型,在DeST软件中改变示范建筑所在城市的气象信息,得出示范建筑在沈阳市、长春市、哈尔滨市全年8 760 h的逐时负荷。表4为3个城市的全年冷热负荷模拟结果。

表4 3个城市建筑全年负荷模拟结果

2.1.2 不平衡率分析

年累计冷热负荷不平衡率的计算方法[9-11]为

(1)

从表4可知沈阳市、长春市、哈尔滨市的全年累计冷负荷以及全年累计热负荷。由年累计冷热负荷不平衡率计算式(1)可得超低能耗示范建筑在沈阳市、长春市、哈尔滨市的年累计冷、热负荷不平衡率(见图3)。

图3 3个城市建筑全年累计负荷不平衡率

从图3可以看出,沈阳市年累计冷、热负荷不平衡为21.11%,长春市年累计冷、热负荷不平衡率为7.36%,哈尔滨市年累计冷、热负荷不平衡率为47.58%。3个城市年累计冷、热负荷不平衡率从大到小依次为:哈尔滨市、沈阳市、长春市。哈尔滨市冬季气温最低,热负荷最大,即年累计冷、热负荷不平衡率最高。因超低能耗示范建筑所在地区为沈阳市,建筑与当地的匹配程度很高,所以超低能耗示范建筑冷负荷比热负荷大,年累计冷、热负荷不平衡率适中。长春市超低能耗示范建筑的冷、热负荷基本持平,所以长春地区年累计冷、热负荷不平衡率最低[12-14]。

2.2 建筑空调季逐时负荷及不平衡率分析

2.2.1 建筑空调季逐时负荷模拟结果

根据国家标准《民用建筑热工设计规范》(GB 50716—2016),用累年最冷月和最热月平均温度作为主要指标,累年日平均温度低于5 ℃的起始日期规定为供暖季,日平均温度高于25 ℃的起始日期规定为制冷季。根据《民用建筑热工设计规范》(GB50716—2016)的规定,表5为沈阳市、长春市、哈尔滨市空调季和供暖季的具体时间段。通过DeST软件得出了超低能耗示范建筑在沈阳市、长春市、哈尔滨市的全年累计冷、热负荷值以及空调季冷、热负荷值。表6为超低能耗示范建筑在3个城市的制冷季和采暖季负荷模拟结果。

表5 3个城市制冷季和供暖季的划分

表6 3个城市制冷季和采暖季负荷模拟结果

2.2.2 不平衡率分析

空调季冷、热负荷不平衡率的计算式为

空调季冷热负荷不平衡率=

(2)

从表6可知沈阳市、长春市、哈尔滨市的空调季冷负荷以及空调季热负荷。由空调季冷热负荷不平衡率式(2)可得超低能耗示范建筑在沈阳市、长春市、哈尔滨市的空调季冷热负荷不平衡率(见图4)。

图4 建筑空调季负荷不平衡率

从图4可以看出,沈阳市空调季累计冷、热负荷不平衡为11.41%,长春市空调季累计冷、热负荷不平衡率为31.54 %,哈尔滨市空调季累计冷、热负荷不平衡率为63.65%。3个城市空调季累计冷、热负荷不平衡率从大到小依次为:哈尔滨市、长春市、沈阳市。哈尔滨市制冷天数季将近90 d,供暖天数将近150 d。即哈尔滨市空调季累计冷、热负荷不平衡率最高;长春市供暖天数比哈尔滨市短,即长春市空调季累计冷、热负荷不平衡率适中;沈阳市供暖季和制冷季时间较其他两个城市短,所以沈阳市空调季累计冷、热负荷不平衡率最低[12-14]。

3 模拟结果验证

采用软件验证法是进行评估与自检比较有效的方法。IBE软件包含超低、近零以及零能耗建筑设计阶段能耗、性能指标计算及方案评估等功能,能够计算建筑全年累计冷热负荷,是一种较权威的能耗模拟软件[15]。以沈阳市模拟结果为例,采用IBE软件来验证模拟结果的准确性,IBE软件模拟结果如表7所示。

表7 IBE软件负荷模拟结果

累加1至12月的单位建筑面积热负荷得全年累计单位建筑面积热负荷为31.62(kW·h)/m2,全年累计单位建筑面积冷负荷为45.23(kW·h)/m2。从表6可知,DeST模拟软件全年累计单位建筑面积热负荷值为34.89(kW·h)/m2,全年累计单位建筑面积冷负荷44.22(kW·h)/m2。两种软件计算全年累计单位建筑面积热负荷值误差在9%以内,全年累计单位建筑面积冷负荷值误差在3%以内。

4 结 论

(1)利用DeST软件得到严寒气候区3个城市超低能耗示范建筑的全年峰值负荷及全年累计负荷值。沈阳市冷负荷值大于热负荷值,长春市冷负荷值和热负荷值相差不多,哈尔滨市热负荷值大于冷负荷值。

(2)3个城市年累计冷、热负荷不平衡率从大到小依次为:哈尔滨市、沈阳市、长春市;3个城市空调季累计冷、热负荷不平衡率从大到小依次为:哈尔滨市、长春市、沈阳市。

(3)将DeST模拟软件所得结果与IBE模拟软件所得结果进行了对比分析。两种模拟软件全年累计热负荷值误差在9%以内,全年累计冷负荷值误差在3%以内。DeST能耗模拟软件能够精确地模拟严寒地区超低能耗示范建筑的负荷特性。