北方地區(qū)被動(dòng)式辦公建筑能耗分析研究

呂冬杰，張子平，康 熙，楊 震，沈曉峰

(1.河北工程大學(xué) 能源與環(huán)境工程學(xué)院，河北 邯鄲056038；2.河北省建筑科學(xué)研究院，河北 石家莊 050200)

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北方地區(qū)被動(dòng)式辦公建筑能耗分析研究

呂冬杰1，張子平1，康 熙2，楊 震1，沈曉峰1

(1.河北工程大學(xué) 能源與環(huán)境工程學(xué)院，河北 邯鄲056038；2.河北省建筑科學(xué)研究院，河北 石家莊 050200)

以寒冷地區(qū)某一具體被動(dòng)式辦公建筑為原型，應(yīng)用eQUEST能耗計(jì)算軟件分別按照工程實(shí)際和我國(guó)公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)建立模型，選取我國(guó)北方地區(qū)10個(gè)城市為研究對(duì)象，對(duì)比被動(dòng)式辦公建筑在北方地區(qū)相對(duì)于我國(guó)《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)建筑的空調(diào)能耗情況。結(jié)果表明：按照德國(guó)被動(dòng)式辦公建筑參數(shù)設(shè)計(jì)的辦公建筑夏季制冷能耗基本與常規(guī)節(jié)能建筑持平，而冬季采暖能耗有大幅度下降；就空調(diào)綜合能耗來看，太原地區(qū)空調(diào)綜合能耗節(jié)能潛力最大，空調(diào)綜合能耗比常規(guī)節(jié)能建筑降低54.16%；哈爾濱地區(qū)最低，但也比常規(guī)節(jié)能建筑能耗減少了34.06%。

被動(dòng)式辦公建筑；北方地區(qū)；能耗分析；eQUEST

被動(dòng)式建筑是指采用各種節(jié)能技術(shù)構(gòu)造最佳的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，由于其良好的建筑保溫隔熱性能和氣密性，夏季有效阻擋了室外熱量進(jìn)入室內(nèi)，但同時(shí)也不利于室內(nèi)的散熱，而冬季在阻擋室外冷量進(jìn)入室內(nèi)的同時(shí)也最大限度的減少了室內(nèi)熱量散失。近幾年國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)我國(guó)被動(dòng)房進(jìn)行了大量研究，宿金成等人對(duì)哈爾濱地區(qū)被動(dòng)式房屋的能耗進(jìn)行了分析[1]，邱樂對(duì)被動(dòng)房在大連地區(qū)的應(yīng)用進(jìn)行了研究[2]，任晉對(duì)被動(dòng)房在烏魯木齊地區(qū)的適用性進(jìn)行了探討[3]。但到目前為止，對(duì)于被動(dòng)式公共建筑的研究相對(duì)較少。而不同建筑功能以及不同地點(diǎn)對(duì)建筑物及建筑系統(tǒng)的要求差別很大[4]，在設(shè)計(jì)方面照搬照抄居住建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)顯然是不可取的[5]，基于此，本文選取北方地區(qū)不同省份的10個(gè)城市來研究分析被動(dòng)式辦公建筑的空調(diào)能耗情況，旨在發(fā)現(xiàn)被動(dòng)式辦公建筑在我國(guó)北方地區(qū)的性能表現(xiàn)，為被動(dòng)式辦公建筑進(jìn)一步推廣提供參考。

表1示范工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能

Tab.1Thermal performance of building envelope

圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)/W·m-2k-1屋面、底面接觸室外空氣的架空或外挑樓板、地下室頂板0.14外墻0.14外窗0.8

表2　中德標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比

1　工程概況及中德標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比

1.1工程概況

本工程為某被動(dòng)式低能耗示范工程，位于河北省石家莊市，地下一層為停車庫(kù)，建筑面積2164m2。地上6層為辦公區(qū)，建筑面積12362m2。建筑高度28 m，體形系數(shù)為0.161，效果圖見圖1。室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度冬季20℃，夏季26℃[6]。圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)見表1。

1.2中德標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比

德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于公共建筑規(guī)定：采暖需求不大于15kWh/(m2·a)；制冷需求不大于15kWh/(m2·a)。一次能源需求不大于120 kWh/(m2·a)；氣密性要求在室內(nèi)外壓差50 Pa的條件下，每小時(shí)換氣次數(shù)不超過0.6 次。[7]圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能對(duì)比見表2。

2　能耗模擬

2.1軟件介紹

eQUEST是由美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的一款以DOE-2.2為計(jì)算核心的建筑能耗模擬軟件，在DOE-2.2的基礎(chǔ)上提供了更加友好的用戶輸入界面，在假定室內(nèi)溫度為常數(shù)的基礎(chǔ)上采用傳遞系數(shù)法計(jì)算建筑整體能耗[9]。其使用的天氣文件為bin格式，包含了干球溫度、濕球溫度、大氣壓力、云量、降雨、降雪、風(fēng)向、空氣含濕量、空氣密度、空氣焓值、太陽總輻射、直接輻射、云類型和風(fēng)速等參數(shù)[10]，本文采用由EPW格式的中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)氣象數(shù)據(jù)(CSWD)文件轉(zhuǎn)換為bin格式來進(jìn)行模擬計(jì)算。

2.2模型建立

根據(jù)本工程建筑平面圖在eQUEST軟件中建立建筑模型(圖2)，首先根據(jù)本工程實(shí)際熱工參數(shù)建立計(jì)算模型，分別選取鄭州、濟(jì)南、太原、石家莊、北京、天津、呼和浩特、沈陽、長(zhǎng)春、哈爾濱十個(gè)城市標(biāo)準(zhǔn)氣象數(shù)據(jù)文件進(jìn)行模擬計(jì)算。之后分別以表2中中國(guó)公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中寒冷地區(qū)和嚴(yán)寒地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)限值建立參考模型，由于沈陽、長(zhǎng)春、呼和浩特和哈爾濱分別屬于嚴(yán)寒C區(qū)和嚴(yán)寒AB區(qū)，AB區(qū)對(duì)維護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能要求更高，故本次模擬均以嚴(yán)寒AB區(qū)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，保證其在嚴(yán)寒C區(qū)依舊適用。在模擬過程中建筑人員、照明、設(shè)備負(fù)荷設(shè)置保持一致。室內(nèi)負(fù)荷設(shè)置見表3[8]。

表3　室內(nèi)負(fù)荷設(shè)置

3　結(jié)果及分析

3.1石家莊地區(qū)能耗模擬結(jié)果對(duì)比分析

石家莊供冷期為5～9月，采暖期為11月到次年3月，通過對(duì)石家莊地區(qū)被動(dòng)式辦公建筑和常規(guī)建筑進(jìn)行模擬對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)被動(dòng)式辦公建筑較常規(guī)建筑在供冷季節(jié)能耗差別不大(圖3)，但在采暖季節(jié)，由于良好的圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能，被動(dòng)式辦公建筑采暖期總能耗為113200 kWh，而常規(guī)節(jié)能建筑采暖能耗為370 000 kWh，被動(dòng)式建筑比常規(guī)節(jié)能建筑采暖能耗降低69.41%。全年空調(diào)綜合能耗降低49.63%，逐月采暖能耗見圖4。

3.2不同地區(qū)空調(diào)能耗對(duì)比分析

通過導(dǎo)入不同地區(qū)氣象文件，分別模擬了被動(dòng)式辦公建筑和常規(guī)建筑夏季制冷和冬季采暖的能耗情況，結(jié)果表明除石家莊和濟(jì)南被動(dòng)式辦公建筑比常規(guī)建筑制冷能耗稍低以外，其他幾個(gè)城市夏季制冷能耗要比常規(guī)建筑高0.68%到13.7%，見圖5。分析認(rèn)為是由于辦公建筑室內(nèi)人員設(shè)備較多且建筑使用時(shí)間相對(duì)集中，加上被動(dòng)式辦公建筑良好的氣密性導(dǎo)致夏季內(nèi)部得熱不能通過維護(hù)結(jié)構(gòu)散失，造成夏季冷負(fù)荷比常規(guī)節(jié)能建筑偏高。

對(duì)比冬季采暖能耗發(fā)現(xiàn)，被動(dòng)式辦公建筑在鄭州、濟(jì)南、太原、石家莊、北京、天津等地區(qū)較常規(guī)節(jié)能建筑冬季采暖能耗節(jié)能68%以上，而呼和浩特、沈陽、長(zhǎng)春、哈爾濱被動(dòng)式辦公建筑也比常規(guī)節(jié)能建筑采暖能耗節(jié)能40%以上(圖6)。(注：本文所指節(jié)能率均指與我國(guó)65%節(jié)能建筑相比)

就全年空調(diào)能耗來看，太原地區(qū)節(jié)能效果最為明顯，節(jié)能率為54.16%；哈爾濱地區(qū)節(jié)能效果最差，比常規(guī)節(jié)能建筑節(jié)能34.06%，但都體現(xiàn)出了良好的節(jié)能效果。從圖7可以看出，嚴(yán)寒地區(qū)幾個(gè)城市空調(diào)綜合能耗節(jié)能率較寒冷地區(qū)有10%左右的下降，由于本被動(dòng)式建筑模型位于寒冷地區(qū)石家莊市，對(duì)于寒冷地區(qū)來說并不是最優(yōu)的建設(shè)模式，這也提醒我們?cè)诓煌貐^(qū)的被動(dòng)式辦公建筑要結(jié)合氣候條件進(jìn)行合理優(yōu)化。

4　結(jié)論

1)在寒冷地區(qū)，被動(dòng)式辦公建筑冬季采暖能耗較常規(guī)節(jié)能建筑可以降低68%以上，在嚴(yán)寒地區(qū)可降低40%以上。而夏季制冷能耗較常規(guī)節(jié)能建筑節(jié)能效果并不明顯。

2)就全年綜合空調(diào)能耗來看，北方地區(qū)被動(dòng)式辦公建筑較我國(guó)常規(guī)節(jié)能建筑來說還有很大的節(jié)能潛力。

3)當(dāng)把寒冷地區(qū)被動(dòng)式辦公建筑放到嚴(yán)寒地區(qū)時(shí)，節(jié)能效果會(huì)出現(xiàn)10%左右下降，因此在不同熱工分區(qū)推廣建設(shè)被動(dòng)式辦公建筑時(shí)應(yīng)充分考慮氣候條件。

[1]宿金成，張升旺.被動(dòng)式房屋在哈爾濱地區(qū)應(yīng)用探討[J].低溫建筑技術(shù)，2015，18(12)：152-154.

[2]邱 樂.德國(guó)被動(dòng)房在大連地區(qū)多層住宅中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究[D].大連:大連理工大學(xué)，2014.

[3]任 晉.“被動(dòng)式”建筑節(jié)能技術(shù)在烏魯木齊地區(qū)適用性問題初探[D].烏魯木齊:新疆大學(xué)，2014.

[4]江 億.我國(guó)建筑節(jié)能戰(zhàn)略研究[J].中國(guó)工程科學(xué)，2011，13(6)：30-37.

[5]汪 靜.夏熱冬冷地區(qū)被動(dòng)房外保溫系統(tǒng)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)總結(jié)與思考[J].建設(shè)科技，2014，8(13)：47-51.

[6]GB 50736—2012.民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[7]房 濤，高 輝，郭娟利，等.德國(guó)被動(dòng)房對(duì)我國(guó)建筑節(jié)能發(fā)展的啟示[J].新建筑，2013，31(4)：37-40.

[8]GB 50189—2015.公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[9]馬曉云.建筑能耗模擬軟件eQUEST及其應(yīng)用[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2009，28(6)：77-80.

[10]彭 瑤.夏熱冬冷地區(qū)辦公建筑窗戶采光性能對(duì)建筑綜合能耗的影響研究[D].武漢:武漢理工大學(xué)，2014.

(責(zé)任編輯王利君)

Analysis of energy consumption of passive office buildings in North China

LV Dongjie1,ZHANG Ziping1,KANG Xi2,YANG Zhen1,SHEN Xiaofeng1

(1.College of Energy and Environmental Engineering,Hebei University of Engineering,Hebei Handan,056038,China;2.Hebei Academy of Building Research,Hebei Shijiazhuang,056020,China)

Based on an existent passive office building in cold areas, two different models were set up according to actual condition and domestic design standard by using the eQUEST software. Ten cities located in different provinces in North China were selected to compare the energy consumption of air conditioning. The results show that the passivhaus have almost the same energy consumption in summer with the normal buildings, but in winter, the heating energy consumption of the passivhaus has great decline. On the comprehensive energy consumption of air conditioning, Taiyuan has the largest energy saving potential. In Taiyuan and Harbin, the passivhaus’s air conditioning energy consumption is 54.16% and 34.06% less than the domestic normal buildings respectively. Passive office building has great potential for energy saving in northern China.

Passive office building;northern area;energy consumption analysis；eQUEST

2016-01-14

河北省研究生創(chuàng)新能力資助項(xiàng)目(16129026)特約專稿

呂冬杰(1991-)，男，河北石家莊人，碩士，從事建筑節(jié)能方面的研究。

1673-9469(2016)03-0076-04

10.3969/j.issn.1673-9469.2016.03.016

TU111.19

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