超低能耗办公建筑能耗模拟分析

王 震

（潍坊市建筑设计研究院有限责任公司，山东 潍坊 261000）

0 引言

由于环境恶化，世界能源短缺，各国开始大力发展节能建筑，如超低能耗建筑、近零能耗建筑以及零能耗建筑等。在欧洲各国，被动式超低能耗建筑已经普及，从2020年12月31日起，欧盟的27个国家要求所有新建建筑必须采用被动式超低能耗建筑的建设标准，美国要求“零能耗建筑”在2025年商业化，通过推动“净零能耗公共建筑倡议”，到2030年所有新建公共建筑达到净零能耗状态，到2050年所有公共建筑达到净零能耗。我国对相应建筑的研究较晚，从20世纪80年代才开始，虽然建立了多个示范项目，出台了多项政策，但是我国相应的技术规范和设计标准体系并不完善。国内的超低能耗建筑大多数以居住建筑为主，公共建筑相对较少，且因公共建筑的类型众多，情况相对复杂，用单一的能耗及热工指标去分析并准确描述相应的能效水平已经无法实现，需要对每种类型的建筑进行研究，从而得到相应的指标。该文通过运用Design Builder能耗软件，对山东省某超低能耗办公楼进行模拟计算以及能耗分析，为设计超低能耗建筑提供研究方向，同时为制定山东省公共建筑超低能耗标准提供参考价值。

1 工程概况

该项目位于山东省潍坊市，为多层公共建筑，主楼地上主体为三层。一层设置休闲区和值班室，中庭一直通至屋面，顶部为采光窗；一层、二层分别为办公区、卫生间、新风机房；三层为办公室、会议室、卫生间以及新风机房。建筑高度为17.6m，建筑面积为8364 m。

为达到超低能耗建筑的节能设计要求，在保证室内环境舒适的前提下，消耗更少的能源，该工程的设计要点如下。1）围护结构具有高气密性以及良好的保温性能。2）无热桥设计。3）新风的热回收效率高。4）合理利用日照以及自然通风。

2 模型建立

常规设计中，在计算建筑物的负荷时，只需要计算最大冷负荷及热负荷即可，但是超低能耗建筑因为其特性，室内温度场的变化与常规建筑相比，要有延迟和衰减，能耗较常规建筑少，常规设计不再能满足设计要求，因此需要对建筑物进行全年逐时负荷分析。Design Builder能耗模拟软件，在设计时已经充分考虑墙体的结构材料对温度波的延迟和衰减，且可以对建筑内环境进行全年8760h的动态模拟计算和不同空调方案的模拟计算，其结果更加准确。Design Builder软件首先根据实际建筑在软件中建立模型，这是一款能够对建筑物的采光、照明、制冷、供暖和通风等进行能耗模拟分析的建筑节能设计型软件。建立完建筑物的模型后，通过输入相应的参数（包括室内房间设计温度、室外气象参数、建筑物的围护结构系数及体型系数、空调系统及运行方案，房间人员数量及停留时间、新风需求、电器设备及照明相关参数），对全年进行8760h的动态模拟计算，得到该建筑物全年的能源消耗情况，进而得到相应的各项指标，以便应用于后续的各项分析工作。

2.1 模拟模型

根据建筑平面图建立模拟模型如图1所示。模型建立的模拟面积为8935.92 m，其中空调面积为8175.78 m，非空调面积为760.14 m。

图1 Design Builder建筑模拟示意图

2.2 室外设计参数选取

潍坊市属于寒冷A区，其气象参数如图2所示。根据图2给出的逐时干球温度，输入至软件，用以模拟计算该工程的逐时动态冷热负荷及其他的能耗指标。

图2 潍坊地区典型气象年逐时干球温度分布

2.3 室内设计参数选取及空调系统设计

该工程室内空调采用直流变频多联机空调系统，使用空调的空间同时采用新风换气机进行通风换气。主要功能房间基本参数见表1，该工程人数设定见表2。新风机组同时具有热回收功能以及自带冷热源，热回收效率高于70%。

表1 主要功能房间基本参数设定

表2 主要功能房间人数设定

新风机组选择空气源热泵机组，冷热源为空气能。夏季供水温度为7℃，回水温度为12℃；冬季回水温度为40℃，供水温度为55℃。新风系统的空调供回水干管采用异程式系统，各新风机组回水管加设比例积分电动阀，系统最高处设自动排气阀，最低处设泄水阀。在负荷较小时，仅通过新风系统供热、供冷，当负荷较大时，多联机与新风系统一起对室内联合供冷、供暖，新风系统只承担新风负荷，处理至室内状态点（焓值状态），多联机系统承担室内负荷。 房间内设置CO浓度检测装置，一旦房间内CO浓度超过限值，自动启动新风机组，并且设置开关装置与送风口联动，能够人为关闭、开启风口，新风机组变风量运行。空调室外机均采用变频控制方式，可实现根据负荷变化全自动控制的低能耗运行模式。该工程围护结构气密性好，为保证室内空气品质，新风机组采用带PM2.5净化功能设备，新风通过本层进入，排风风井排至屋面排出。

2.4 建筑主要围护结构参数设定

参照GB 50189—2019《公共建筑节能设计标准》要求，该工程的实际围护结构参数以及模拟用参数见表3，建筑体形系数及各朝向窗墙面积比参数见表4。

表3 围护结构参数

表4 建筑体形系数及各朝向窗墙面积比

3 主要模拟参数设定及空调运行方案

在办公建筑中，能耗最大的属于空调耗能，其中包括冬季供暖和夏季制冷耗能，其次为照明及设备耗能。因为本次模拟的主要模拟参数包括房间被人员使用的概率、使用照明的概率、使用电器设备的概率，以及电脑、打印机等电器设备的功率密度，照明设备的照度值及空调运行时间等。

3.1 房间被人员使用的概率、照明开关时间、使用电器设备的概率

办公建筑因其功能，作息时间与居住建筑不同，是与办公单位的工作性质与作息时间息息相关的，这次模拟考虑大多数情况，参照GB 50189—2019《公共建筑节能设计标准》要求，办公区域工作时间为周一～周五的08：00～18：00，周末休息。参数设置分为非采暖空调房间和采暖空调房间。1）非采暖空调房间包括机房、楼梯间等，在07：00～19：00期间房间被人员使用的概率、使用照明的概率、使用电器设备的概率均为10%，其余时间为0。2）采暖空调房间包括办公室、会议室等，办公室的房间被人员使用的概率、使用照明的概率见表5，使用电器设备的概率见表6；会议室的房间被人员使用的概率、使用照明的概率、使用电器设备的概率在10：00、15：00为50%，其余为0。

表5 人员在室率、照明时间开关（办公室）

表6 电器设备逐时使用率（办公室）

3.2 电器设备功率密度、照度、照明功率密度值、灯具选择

根据规范要求，办公建筑用电指标在30 W/m～70 W/m，这次计算根据办公室的用电设备使用情况，将办公室的电器设备功率设置为15.0 W/m，会议室的电器设备功率设置为5.0W/m（以上数据不考虑空调用电功率）。

同时，根据GB 50034-2013《建筑照明设计标准》中第5.3.2及第6.3.3条的要求，规定公共建筑中，办公室、会议室、值班室、公共大厅等具有办公用途场所的照度均为300 LX，照明功率密度值均为8.0W/m，参考高度为0.75m水平面，照明灯具维修系数设定为0.8。

灯具选择：在公共区域以及长时间无人停留的位置，采用LED灯具（例如走道、卫生间等地），控制方式采用就地感应控制，整个照明配电系统的功率因数为0.95。

3.3 空调运行时间

该工程处于寒冷地区，具有冬季寒冷、夏季炎热的特点，所以空调运行是根据天气的变化而调整的，参照DB37/T 5074-2016《被动式超低能耗居住建筑节能设计标准》的要求，空调运行时间见表7。

表7 空调运行时间

该工程空调系统非24 h不间断连续运行，根据办公建筑的实际性质，将办公室空调运行的时间设定为周一～周五的08：00～18：00，周末休息；会议室空调运行时间在周一～周五的10：00、15：00开启。

4 模拟计算结果

利用软件对建筑物全年共8760h的动态模拟计算，得出了空调及供暖的负荷图，如图3所示。根据图3，可以得出最大热负荷出现时间为1月21日11：00，最大冷负荷出现时间为7月29日09：00。最大冷、热负荷出现日的各时刻逐时负荷见表8。根据模拟数据显示，项目建筑负荷及累计需求结果见表9。

图3 建筑全年供暖及空调负荷图

表8 最大冷/热负荷出现日各时刻逐时负荷统计

表9 建筑负荷及累计需求结果汇总表

5 结论

通过上述全年8760 h逐时动态模拟计算的结果可以看出，该超低能耗绿色建筑办公楼全年空调累计需求指标为19.70 kW·h/m·a，全年供热累计需求指标为 9.33 kW·h/m·a，一次能源消耗为108.73 kW·h/m，能够满足被动式超低能耗建筑要求。因此该模拟模型的结果具有良好的可靠性，后期可以利用该模型进行下一步研究工作。