近零能耗建筑“供冷年耗冷量”不确定性分析

苗莉娜 舒海文 赵心怡 啜宏 李泽

大连理工大学土木工程学院

0 引言

发展近零能耗（或超低能耗）建筑能够高效地促进建筑领域的节能减排工作，我国于2019 年正式颁布了国家标准《近零能耗建筑技术标准》（GB/T 51350-2019）[1]（以下简称“标准”），该“标准”为我国近零能耗建筑的设计、施工、检测及评价等环节提供了相应的技术指导与技术支撑。而目前“标准”中关于人员作息模式等方面的规定会给“供冷年耗冷量”这项重要能效指标的计算带来不确定性。

本文将结合“标准”的规定，以某栋寒冷地区近零能耗居住建筑为案例，采用由清华大学开发的建筑热环境模拟软件DeST（Designer’s Simulation Toolkit）对该建筑案例进行模拟计算，结合“标准”中关于人员作息，内遮阳作息和空调运行模式方面的规定，分析由此引起的建筑供冷年耗冷量计算结果的不确定性。

1 寒冷地区典型城市以及近零能耗建筑的选取

根据我国《民用建筑热工设计规范》（GB50176-2016）[2]，按照建筑热工设计二级区划指标，寒冷地区可细分为寒冷A 区和寒冷B 区（空调度日数CDD26≤90 为寒冷A 区，CDD26＞90 为寒冷B 区），本文选取大连，兰州，北京及石家庄分别作为寒冷A区和B 区的典型城市代表，各典型城市CDD26 值见表1，其中大连和兰州的空调度日数CDD26 相同，但两个城市一个沿海，一个内陆，气象方面有较大不同，按《太阳能资源评估方法》（GB/T 37526-2019）[3]大连属于太阳能资源丰富区（第3 类），兰州则属于太阳能资源很丰富区（第2 类）。

表1 典型城市CDD26 值

本文选取的模拟对象为一栋六层住宅建筑，其标准层平面图如图1 所示。该住宅的总建筑面积1416 m2，总空调面积1182 m2，层高为3.0 m，体形系数为0.325，建筑朝向为南北向。

图1 建筑标准层平面图

以下结合“标准”的规定，确定与建筑供冷年耗冷量相关的设计参数。

1.1 室内环境与围护结构参数

依据“标准”的规定，本建筑中室内环境参数的取值见表2。

表2 室内环境参数

新风量按《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》[4]中对居住建筑换气次数的规定而选取，这里人均建筑面积为32 m2，最小换气次数取0.5 次/h。

根据“标准”中对寒冷地区围护结构热工参数的规定，设置本建筑的围护结构热工参数，具体见表3。

表3 围护结构参数设计值及规定值

1.2 房间内热源参数

本建筑按“标准”中附录A 的规定来确定人员、照明与设备情况，详见表4。

表4 不同类型房间各种内热源设置

对内热源的逐时作息做出具体规定可以准确的计算出供冷耗热量指标，尽管“标准”并没有给出内热源的逐时作息，但相应给出了人员密度及在室率等规定，作为内热源代表，本文研究了“标准”中关于室内人员的这种规定对年耗冷量计算结果的影响（不同的人员作息情况详见2.1 节）。本文中，照明和设备的逐时作息是按照《山东省被动式超低能耗居住建筑节能设计标准》[5]而设定，其中照明开启时长及设备使用率均满足表4 的规定，具体设置见图2 和图3。

图2 照明逐时作息

图3 设备逐时作息

1.3 建筑遮阳参数

尽管“标准”对建筑遮阳做出多方面的规定（包括遮阳措施的选择、各朝向建筑宜采用的外遮阳方式、活动遮阳系数、遮阳与照明的联动控制等），但却未对内遮阳作息做出规定，而已有的研究结果表明，内遮阳对建筑冷负荷的影响显著[6-7]，因此，本文还将研究不同内遮阳作息对建筑供冷年耗冷量计算结果的影响，具体见第3.1 节。

现有寒冷地区的居住建筑较少建造外遮阳，一般是在建成后住户自行安装遮阳帘幕或窗帘等内遮阳[8]。依据现有文献对内遮阳形式及遮挡比例的研究结果[9-10]，本文采用浅色窗帘遮阳（短波反射率0.75），窗户被窗帘遮挡比例80%，此时遮阳效果较好且能较好满足室内采光需求。夏季遮阳能够有效降低冷负荷，取遮阳日期为5 月20 日-9 月15 日[11]。本文为研究内遮阳作息的影响，设置了三种遮阳作息，具体见第3 节。

1.4 空调运行模式

根据“标准”规定，空调系统工作时间为0:00～24:00。而大量实际调研结果表明，寒冷地区住宅建筑中，夏季空调几乎没有全天运行的情况，故本文还将研究不同空调运行模式对供冷年耗冷量计算结果的影响，具体情况详见第4 节。

2 人员作息对供冷年耗冷量计算的结果的影响

本节主要研究室内人员在满足“标准”要求的“在室率”前提下，不同的逐时人员作息模式对供冷年耗冷量计算结果的影响。以大连地区为例，计算中采用全天内遮阳作息模式和全天空调运行模式，其它参数设置见第1 节。

2.1 满足“标准”要求的不同人员作息模式的设定

依据文献[12-14]调研结果，设置三种人员作息模式，见图4，各种类型房间的人员在室率均符合“标准”规定值。

图4 不同类型房间的三种人员作息模式

2.2 不同人员作息模式的计算结果对比

三种不同人员作息模式条件下的建筑供冷年耗冷量计算结果如表5 所示。

表5 三种人员作息模式下建筑的供冷年耗冷量

由表5 可见：当在室率满足“标准”规定时，不同的逐时人员作息对供冷年耗冷量计算结果的影响较小，与平均值最大相差2.68%。可见，只要人员在室率相同，即使具体作息时间不同，对建筑供冷年耗冷量的影响也很小。

3 内遮阳作息对供冷年耗冷量计算结果的影响

内遮阳作息对供冷年耗冷量的影响，与当地太阳辐射强度有着密切关系，由于大连、石家庄和北京属于寒冷地区中太阳辐射情况相近的城市（参见表6），此处仅以大连为代表，故本这里只对大连和兰州进行模拟计算。计算中，共设定3 种内遮阳作息模式[9]，具体见表7，空调模式设置为全天工作模式、人员作息选取与平均值相差最小的模式1（见2.1 节），其它参数设置见第1 节。

表6 典型城市太阳能辐射情况

表7 不同内遮阳作息时大连、兰州供冷年耗冷量计算结果

由表7 可见：

1）内遮阳作息对供冷年耗冷量计算结果影响显著，相对于无内遮阳，有内遮阳时的供冷年耗冷量降低了35.78%～60.80%。

2）供冷年耗冷量随遮阳时间增长而减小，全天24h 遮阳时最小，这是由于夜间虽然无太阳直射，但白天地面蓄存大量太阳得热，夜间不进行遮阳时，这部分热量会以辐射的形式通过窗户进入室内，导致仅白天遮阳时室内显热负荷增加。

4 空调运行模式对供冷年耗冷量计算结果的影响

为研究空调模式对供冷年耗冷量计算结果的影响，本文设置四种空调模式进行模拟计算。计算中设置内遮阳24h，人员作息选取与平均值相差最小的模式1，其他设置见第1 节。

4.1 空调模式

依据本文的研究目的及普通居民的实际生活规律，参照已有研究的调查问卷结果[13，15]，共设置4 种空调模式，具体见表8，其中的模式1 为连续空调，对应“标准”中空调全天运行。

表8 四种空调模式

4.2 不同空调模式的计算结果与分析

在本文选取的寒冷地区四个典型城市中，该住宅建筑在前面四种不同空调模式下的供冷年耗冷量计算结果分别见表9 和表10。

表9 大连、兰州供冷年耗冷量计算结果

表10 石家庄、北京供冷年耗冷量计算结果

由表9 和10 可以发现：

1）空调运行模式对建筑供冷年耗冷量计算结果的影响较大，总体来说，间歇空调运行模式下的供冷年耗冷量比连续空调运行模式小8.04%～19.62%。可见，间歇空调运行模式能够明显降低供冷年耗冷量。

2）间歇空调的具体运行模式对供冷年耗冷量计算结果影响则较小，相对而言，对大连市近零能耗住宅的影响最大，但各种不同间歇空调模式下的供冷年耗冷量与平均值相差也仅为-4.23%～2.58%。

5 结论与建议

5.1 结论

在满足国家《近零能耗建筑技术标准》规定的前提下，本文通过对寒冷地区近零能耗居住建筑案例进行模拟计算，研究了三个可能对供冷年耗冷量计算结果的确定性有较大影响的因素：室内人员作息、内遮阳作息以及空调运行模式，初步得到以下结论：

1）在满足“标准”规定的人员在室率条件下，对应不同的逐时人员作息，供冷年耗冷量计算结果相差较小（与平均值偏差小于5%），说明“标准”在人员在室率方面的规定所不会明显导致供冷年耗冷量计算结果的不确定性。

2）内遮阳作息对供冷年耗冷量计算结果的影响很显著，不同内遮阳模式的计算结果相差35.78%～60.80%，且供冷年耗冷量随遮阳时间的增加而越小。

3）空调运行模式对建筑供冷年耗冷量计算结果的影响较大，案例中不同的间歇空调运行模式比全天连续运行模式下的计算结果小8.04%～19.62%，但间歇空调不同的具体运行模式对供冷年耗冷量计算结果影响则较小，各种不同间歇空调模式下的供冷年耗冷量与平均值相差的绝对值小于5%。

5.2 建议

根据本文对影响近零能耗居住建筑供冷年耗冷量计算结果确定性的三个因素的模拟计算与分析，提出以下建议：

1）为保证供冷年耗冷量计算结果的确定性，建议“标准”对建筑内遮阳作息进行详细规定。结合本文的模拟计算结果并兼顾生活实际，推荐遮阳作息设置为7:00-18:00。

2）目前“标准”规定的空调全天模式与实际情况存在明显偏差，且会导致供冷年耗冷量模拟计算结果增大，甚至会超过“标准”限值而影响近零能耗居住建筑的评价结果，因此建议“标准”对居住建筑空调运行模式改为适当的间歇运行模式。