張建飛，馬金良，叢滿義，杜 旭

(機械工業(yè)第六設(shè)計研究院有限公司 數(shù)字化工程院，河南 鄭州450007)

隨著城市化進程的不斷加快，我國已經(jīng)成為全球第二大能源消耗國，建筑能耗在社會能耗中占很大部分，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，大型公共建筑面積雖然只占城鎮(zhèn)建筑總面積的5%～7%，但是其能耗卻占全國建筑總能耗的20%～25%[1-3]，因此對公共建筑能耗情況進行研究意義重大。根據(jù)建筑能耗特性，可將辦公建筑用能系統(tǒng)分為空調(diào)系統(tǒng)、照明插座系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、特殊用電系統(tǒng)等[4-5]。其中，空調(diào)系統(tǒng)主要包括制冷機組、冷凍水泵、冷卻水泵、空調(diào)末端、新風(fēng)系統(tǒng)等；照明插座系統(tǒng)包括公共區(qū)域、辦公區(qū)域照明和其他形式用電的辦公設(shè)備等；動力系統(tǒng)包括電梯、水泵、通風(fēng)機等；特殊用電系統(tǒng)主要指建筑內(nèi)餐廳、信息機房的用電設(shè)備[6]。

能耗模擬是分析建筑節(jié)能潛力的有效手段，可用于節(jié)能措施的定量分析，它不僅能指導(dǎo)節(jié)能改造工作，還可為新建建筑提供參考[7]。本文將采用Design Builder軟件[8-10]模擬計算西安市某辦公樓符合現(xiàn)行公共建筑節(jié)能設(shè)計要求的節(jié)能率，以指導(dǎo)建筑節(jié)能設(shè)計。

1 建筑概況

本文選取的西安市某辦公樓位于西安高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)，建筑面積為6 270.78 m2，建筑高度為13.60 m，地上主體為2層、局部為3層；建筑空調(diào)冷熱源采用水源熱泵空調(diào)機組，夏季制冷的供回水溫度為7 ℃/12 ℃，冬季供熱的供回水溫度為45 ℃/40 ℃；空調(diào)機組的末端是風(fēng)機盤管加新風(fēng)系統(tǒng)，新風(fēng)機組采用全熱新風(fēng)交換器。其運行模式依據(jù)公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[11]確定。該辦公樓的一、二層建筑高度為5.0 m，局部三層建筑高度為3.6 m，體形系數(shù)為0.21。西安市某辦公樓的建筑物幾何模型如圖1所示。

圖1 西安市某辦公樓的建筑物幾何模型

2 建筑設(shè)計相關(guān)參數(shù)

采用Design Builder軟件進行模擬計算時，需依據(jù)建筑所在地的室外氣象參數(shù)，設(shè)置建筑圍護結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)、室內(nèi)設(shè)計參數(shù)(如溫濕度、新風(fēng)量、人員密度、電器功率)、照明系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)等。模擬對象為參照建筑和設(shè)計建筑。參照建筑采用公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中要求的限值，設(shè)計建筑采用實際設(shè)計參數(shù)。

2.1 氣象數(shù)據(jù)

氣象數(shù)據(jù)來源于清華大學(xué)和中國氣象局的數(shù)據(jù)庫，是國內(nèi)的實測數(shù)據(jù)。某辦公樓所在地典型氣象年的氣象數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 典型氣象年的氣象數(shù)據(jù)

2.2 圍護結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)和室內(nèi)設(shè)計參數(shù)

參照建筑和設(shè)計建筑的圍護結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)見表1—表3。參照建筑和設(shè)計建筑的室內(nèi)設(shè)計參數(shù)如表4所示。

表1 幕墻、屋頂透明部分的傳熱系數(shù)和遮陽參數(shù)

表2 屋面、外墻的傳熱系數(shù) W/(m2·K)

表3 地面、地下室外墻的熱阻 m2·K/W

表4 室內(nèi)設(shè)計參數(shù)

2.3 照明系統(tǒng)和采暖空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)

建筑照明系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)如表5所示。它包括建筑主要功能房間照明功率的現(xiàn)行值和設(shè)計值。建筑工作制(圖3)依據(jù)公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)確定。

表5 建筑照明系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù) W/m2

(a) 照明逐時開啟率柱狀圖

(b) 人員逐時在室率柱狀圖圖3 建筑工作制

參照建筑水源熱泵制冷量為479.0 kW，制冷系數(shù)為4.10，制熱量為460.2 kW，制熱系數(shù)為4.10；設(shè)計建筑水源熱泵制冷量為479.0 kW，制冷系數(shù)為7.08；制熱量為460.2 kW，制熱系數(shù)為4.84。

3 建筑能耗模擬與分析

通過建筑能耗模擬，參照建筑照明系統(tǒng)全年累計能耗為176 465.93 kWh；合理降低照明功率后，設(shè)計建筑照明系統(tǒng)全年累計能耗為127 957.01 kWh，比參照建筑照明系統(tǒng)全年累計能耗降低了27.49%。

通過提高圍護結(jié)構(gòu)的保溫性能，降低墻體、門窗、屋面的傳熱系數(shù)，采用變頻水泵、變頻風(fēng)機，提高熱泵機組的制熱制冷系數(shù)，將排風(fēng)熱回收技術(shù)用于新風(fēng)系統(tǒng)等，參照建筑采暖空調(diào)系統(tǒng)全年累計能耗為572 453.47 kWh，設(shè)計建筑采暖空調(diào)系統(tǒng)全年累計能耗為279 352.10 kWh。相比參照建筑，設(shè)計建筑采暖空調(diào)系統(tǒng)全年累計能耗降低了51.20 %。建筑采暖空調(diào)系統(tǒng)逐月能耗如圖4所示。

(a) 參照建筑

(b) 設(shè)計建筑圖4 建筑采暖空調(diào)系統(tǒng)逐月能耗

對建筑能耗模擬可得：參照建筑全年累計總能耗為1 187 161.17 kWh；設(shè)計建筑全年累計總能耗為843 847.34 kWh；設(shè)計建筑的節(jié)能率達28.92%。建筑逐月綜合能耗如圖5所示。

(a) 參照建筑

(b) 設(shè)計建筑圖5 建筑逐月綜合能耗

4 結(jié) 論

(1) 本文利用Design Builder軟件建立了辦公樓的建筑物幾何模型，介紹了建筑物的圍護結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)和采暖空調(diào)系統(tǒng)運行情況，對參照建筑和設(shè)計建筑進行了模擬分析，通過計算得出了參照建筑和設(shè)計建筑的照明系統(tǒng)能耗和采暖空調(diào)系統(tǒng)能耗。

(2) 參照建筑全年累計總能耗為1 187 161.17 kWh，設(shè)計建筑全年累計總能耗為843 847.34 kWh。相對參照建筑來說，設(shè)計建筑的節(jié)能率為28.92%。

(3) 在建筑設(shè)計時，辦公樓的主要節(jié)能措施包括：①提高圍護結(jié)構(gòu)(包括墻體、門窗及屋面)的保溫性能，以達到減少圍護結(jié)構(gòu)能耗，降低室內(nèi)空調(diào)負荷的目的；②提高主機能效比和鍋爐效率等，以提高能源利用效率；③采用水泵變頻、風(fēng)機變頻等技術(shù)；④合理設(shè)置排風(fēng)熱回收系統(tǒng)；⑤采用節(jié)能照明系統(tǒng)。