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摘要:嚴寒地區(qū)超低能耗建筑的發(fā)展使得建筑能耗模擬分析成為必須。對吉林建筑科技學(xué)院超低能耗建筑示范工程進行簡要介紹,利用eQUEST能耗模擬軟件對該建筑進行能耗模擬,得到建筑負荷及能耗結(jié)果,通過計算節(jié)能率并對模擬結(jié)果進行對比分析,得出建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)能耗顯著降低,極大地節(jié)省了冬季供暖運行費用。
關(guān)鍵詞:超低能耗建筑,能耗模擬,能耗分析
1超低能耗建筑和能耗模擬
隨著全球變暖現(xiàn)象加劇,健康舒適的超低能耗建筑成為嚴寒地區(qū)建筑的發(fā)展重點。據(jù)調(diào)查,歐洲各國目前都在逐步建造和推廣超低能耗建筑甚至近零能耗建筑。以德國為例,德國被動房建筑的節(jié)能達90%。超低能耗建筑的發(fā)展使得建筑能耗的模擬分析成為必須。通過對超低能耗建筑的能耗模擬與分析,可以使能耗評價更加準確,使其符合相關(guān)的標準和規(guī)范,進行經(jīng)濟性分析等。我國目前已建成的嚴寒地區(qū)常規(guī)公共建筑節(jié)能都達到65%,吉林省現(xiàn)行的采暖設(shè)計是《公共建筑節(jié)能設(shè)計標準(節(jié)能65%)》,而超低能耗建筑節(jié)能達80%及以上。目前在全世界范圍建筑能耗模擬得到很大發(fā)展,相關(guān)的研究與應(yīng)用在建筑設(shè)計、建筑調(diào)適、既有建筑節(jié)能改造、優(yōu)化控制等方面展開?;诮ㄖ畔⒛P偷募苫O(shè)計是建筑設(shè)計的發(fā)展方向,建筑能耗模擬將成為被集成的一個功能,真正起到輔助和優(yōu)化建筑設(shè)計的作用。對于既有建筑,建筑能耗模擬的應(yīng)用主要在于建立建筑能源系統(tǒng)的基準線模型,用于建筑能耗系統(tǒng)的能效評價、經(jīng)濟性評價和優(yōu)化基準。
2超低能耗建筑示范工程
2.1項目工程概況
吉林建筑科技學(xué)院超低能耗建筑示范工程及其研發(fā)中心,超低能耗建筑部分與工程實訓(xùn)中心形成主輔體,總建筑面積3925m2,超低能耗部分建筑面積約1200m2,總高度8.1m,二層框架結(jié)構(gòu)。內(nèi)設(shè)實驗室、體驗室及會議室等。項目總投資約500萬元,是全國首批超低能耗建筑標志性項目。
2.2圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計
該工程外墻保溫構(gòu)造采用外墻外保溫系統(tǒng),在190mm厚的砌塊墻體外做140mm厚苯板,外加80mm厚巖棉和50mm厚保溫砂漿,加上飾面板及抹灰后外墻總厚度480mm,外墻平均傳熱系數(shù)K<0.1W/(m2•K)。屋頂為鋼筋混凝土屋面板上做300mm厚B1級保溫板,上鋪1∶10水泥膨脹珍珠巖(最薄處30厚),上面做干濕兩道4mm厚SBS改性瀝青防水卷材。將保溫厚度提高到300mm,實現(xiàn)屋頂傳熱系數(shù)K<0.1W/(m2•K)。外門與外窗均采用哈爾濱森鷹窗業(yè)股份有限公司的被動式門窗。外窗森鷹鋁包木窗內(nèi)側(cè)為實木窗框,外側(cè)包鋁窗框。目前推廣使用的新型環(huán)保節(jié)能窗戶一般采用三層玻璃,本項目采用單框三玻,即中間為三玻兩腔結(jié)構(gòu),玻璃間充滿氬氣,傳熱系數(shù)比普通的中空玻璃大大降低,可以達到0.8W/(m2•K)。同時配備高性能密封暖邊間隔條,整窗熱工性能滿足超低能耗建筑要求。地面保溫在沿建筑底層外墻周邊2000mm的寬度范圍內(nèi)加鋪50mm厚擠塑聚苯板保溫,上做80厚C20混凝土墊層,以提高地面的保溫性能。氣密性及熱橋處理。本項目采用20mm的抹灰層做氣密層,確保氣密層連續(xù)地包圍整個外圍護結(jié)構(gòu)。對門窗洞口、管線貫穿部位、電氣接線盒等進行氣密性處理措施。以上措施保證在室內(nèi)外壓差50Pa的條件下,換氣次數(shù)不大于0.6/h。
2.3采用主要技術(shù)
屋頂太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)采用多晶硅太陽能光伏板,為建筑提供部分電能;采用微風力發(fā)電,設(shè)置在屋頂?shù)奈L力發(fā)電機,形成風光互補式的連續(xù)發(fā)電保障,并將多余的電量并入國家電網(wǎng);太陽能補熱,采用土壤源熱泵,在夏季將制冷產(chǎn)生的熱量存儲于地下,在冬季當太陽能吸收熱量不足時,利用儲存于地下的熱量作為補給。
3建筑能耗模擬分析
3.1長春地區(qū)氣候分析
長春市采暖度日數(shù)(HDD18)為4642,屬于嚴寒C區(qū)。地處東北松遼平原腹地,地勢較為平坦,在氣候分區(qū)上屬大陸性季風氣候。長春一年中四季分明,冬季較為寒冷而漫長。長春市的日照時數(shù)為2688h,7月是最熱月,1月為最冷月,平均溫度分別為23℃和-16℃。四季中夏季的相對濕度最大,春季的相對濕度較小,冬季夜間的相對濕度小于秋季,而白天大于秋季,一般最大相對濕度出現(xiàn)在5時~6時,最小相對濕度出現(xiàn)在14時~15時。
3.2能耗模擬軟件
隨著計算機技術(shù)的發(fā)展,在世界范圍內(nèi)出現(xiàn)許多建筑能耗模擬軟件,如eQUEST,DeST等能耗模擬軟件。本項目采用eQUEST作為建筑能耗的模擬工具,它是在DOE-2基礎(chǔ)上研發(fā)出的針對建筑能耗的分析軟件,通過運用軟件可以針對不同類型的建筑進行能耗模擬,并且可以進行建筑的經(jīng)濟性分析、對建筑照明進行控制以及從模擬結(jié)果的表格中自行選取適合的測算方法,進而完成能源的利用效率。eQUEST的計算核心是目前使用最為廣泛的能耗模擬軟件DOE-2。DOE-2.2用反應(yīng)系數(shù)法計算建筑圍護結(jié)構(gòu)的傳熱量,根據(jù)軟件輸入的建筑基礎(chǔ)條件,如空調(diào)采暖、建筑結(jié)構(gòu)形式、圍護結(jié)構(gòu)所選擇的不同材料組合、照明條件、室內(nèi)的溫度等,通過動態(tài)計算得出建筑物全年的能源消耗,并以表格的形式輸出,可以清晰的得出材料—構(gòu)造—技術(shù)—建筑—能耗之間的相互關(guān)系。
3.3建筑能耗模擬計算
首先利用eQUEST能耗模擬軟件構(gòu)建模型,軟件模擬前必須收集大量信息。例如氣象數(shù)據(jù)中,供暖室外計算溫度為-21.1℃,冬季室內(nèi)設(shè)定溫度18℃,夏季室內(nèi)設(shè)定溫度26℃,冬季室內(nèi)相對濕度30%。建筑模型中的外形尺寸、外圍護結(jié)構(gòu)中的材料與構(gòu)造、建筑開窗朝向和窗墻比(見表1)、室內(nèi)設(shè)備及照明、采暖與通風、內(nèi)擾等在模擬之前需要提前設(shè)置。根據(jù)研究建筑的圖紙及資料,利用eQUEST軟件建立計算模型,主要模擬計算的是設(shè)計日和典型日建筑的冷熱負荷的變化走向。冬季的采暖期為每年的10月~次年的4月,夏季采取間歇式開啟空調(diào)的方式。利用eQUEST軟件建立計算模型,模擬得出建筑的負荷變化以及建筑耗能結(jié)果。對于嚴寒地區(qū),主要研究分析的是建筑的熱負荷。通過模擬計算得出,設(shè)計日逐時空調(diào)熱負荷結(jié)果如圖1所示??照{(diào)熱負荷中除了建筑的熱負荷以外,還有新風的熱負荷以及其他熱量的抵消。通過計算還得出設(shè)計日建筑圍護結(jié)構(gòu)的逐時熱負荷,如圖2所示。其中圍護結(jié)構(gòu)有屋頂、外墻及外窗、地面的溫差傳熱,還包括通過外窗的輻射熱量。從圖中分析得出,建筑圍護結(jié)構(gòu)單位面積熱負荷從上午9時開始急劇下降,在下午14時到達峰值并延續(xù)至下午15時,從15時以后開始再逐漸上升。通過模擬還得出建筑總負荷與建筑圍護結(jié)構(gòu)負荷值變化相同。嚴寒地區(qū)被動式超低能耗建筑中,技術(shù)體系的核心是能耗控制指標,這也是嚴寒地區(qū)中的被動式超低能耗建筑所應(yīng)達到的性能要求,其值的確定對被動式超低能耗綠色建筑的發(fā)展有著至關(guān)重要的意義。能耗控制指標由年供暖量、年供冷量、年供暖空調(diào)和照明一次能源消耗量三項指標組成。通過軟件的模擬計算,得出該超低能耗建筑設(shè)計冷負荷81.8W/m2,設(shè)計熱負荷69.7W/m2,年供暖量值為13.41kWh/(m2•年),供冷量值為14.10kWh/(m2•年),建筑能耗指標51.43kWh/m,即年供暖、供冷和照明一次能源消耗量能夠控制在60kWh/(m2•年)以內(nèi)。超低能耗建筑全年能耗包括照明、設(shè)備及暖通空調(diào)系統(tǒng),耗能總量達132118kWh,而節(jié)能65%的建筑耗能483976kWh,經(jīng)計算,建筑節(jié)能率為72.7%。因此該超低能耗建筑在常規(guī)建筑節(jié)能65%的基礎(chǔ)上,又節(jié)能72.7%,即在達到同樣舒適度情況下,有效地降低了建筑能耗。暖通空調(diào)系統(tǒng)年耗電量包括制熱、制冷、水泵、風機能耗,共計60174kWh,參照節(jié)能65%建筑為393892kWh,暖通空調(diào)系統(tǒng)能耗降低了84.7%,電價按0.52元/kWh,暖通空調(diào)系統(tǒng)總電費一年減少173533元。
4結(jié)語
通過對該項目進行能耗模擬,在建筑運行和使用過程中發(fā)現(xiàn),超低能耗建筑能夠保證更好地滿足室內(nèi)環(huán)境舒適度,達到健康和高質(zhì)量的同時,顯著地降低建筑能耗。經(jīng)測算,該超低能耗建筑每年可減少能耗約47萬kW•h,其中主要降低的是暖通空調(diào)系統(tǒng)中的制熱能耗,即冬季的供暖能耗,因此在嚴寒地區(qū)建造超低能耗公共建筑極大降低了年供暖運行費用。隨著新型保溫材料發(fā)展、可再生能源設(shè)備價格的降低,超低能耗建筑能夠帶來更好的經(jīng)濟性和社會效益,同時也提供更多的選擇性與可能性。通過對嚴寒地區(qū)超低能耗建筑的模擬與分析,可以對設(shè)計方案進行優(yōu)化比較,使超低能耗建筑更加滿足設(shè)計規(guī)范和相關(guān)標準,在嚴寒地區(qū)具有經(jīng)濟競爭力和長遠的發(fā)展優(yōu)勢。
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作者:瞿蕭羽 劉子恒 單位:吉林建筑科技學(xué)院