基于EnergyPlus的被動式超低能耗建筑能耗模擬分析

周文倩 李祥立 王群鶴

大連理工大學建設工程學部

鑒于日益嚴峻的能源形勢，世界各國逐步開啟了節能減排計劃。1988年，瑞典的Bo Adamson和德國Feist想設計一種不需要“采暖空調主動供冷熱”的房屋，稱為“被動房”[1]，此后完成了一整套被動式建筑技術和施工規范的工作。被動房作為實現超低能耗建筑的一種有效途徑，現已在多個國家被推廣實施。位于德國海德堡市中心的海德堡鐵路城，是目前世界上最大的被動房建設項目[2]。清華大學環境能源樓、新疆的“幸福堡”綜合樓等項目是國內在被動式技術上的初步探索。

本文選擇濟南市為研究地點，參照不同的標準計算建筑能耗，以EnergyPlus全能耗分析軟件為主要技術手段，分析不同節能標準下建筑的節能率。

1 建筑模型信息

1.1 建筑概況

本文選取的二層別墅位于濟南市長清區，南北朝向，建筑高度為9.88 m，總建筑面積為288 m2。別墅內常住人口為5人。該建筑屬于居住建筑，主要房間設置有：廚房、餐廳、客廳、起居室、臥室、衛生間、車庫。建筑平面圖如圖1、圖2所示。

圖1 一層平面圖

圖2 二層平面圖

1.2 建筑圍護結構

模擬建筑的圍護結構主要包含有地面、外墻、外窗等構件。在本文所選的建筑中，外門只存在門廳處，其面積占比相對于其他構件來講很小，所以不列入考慮。模擬建筑的主要外圍護結構熱工參數參照山東省的《被動式超低能耗居住建筑節能設計標準》DB37/T 5074-2016[3]（以下簡稱《標準》一）和山東省《居住建筑節能設計標準》DB37/5026-2014[4]以下簡稱《標準》二）分別選取。在軟件EnergyPlus的dataset里為用戶提供了材料庫，包括墻體以及窗戶的構造材料，也含有特定傳熱系數的構件模板。用戶既能夠按照工程實際情況自行定義材料的導熱系數，厚度，比熱來構造需要的材料供圍護結構選用，也可以直接選定系統預先設定的模板。本研究的外窗采取系統模板，定義《標準》一和《標準》二的傳熱系數分別為1.0 W/（m2·K）和1.5 W/（m2·K），圍護結構的主要熱工性能參數見表1，窗墻比見表2。

表1 別墅外圍護結構傳熱系數設定值

表2 窗墻比

1.3 室外設計參數

研究對象位于山東省濟南市，寒冷地區，室外設計參數按照EnergyPlus氣象數據庫選取，來源為CSWD，如表3所示。

表3 室外設計參數

1.4 室內環境控制參數

室內溫濕度控制的高低直接影響了建筑能耗的大小，本著節能的原則，夏季室內溫度不宜過低，冬季室內溫度不宜過高，具體設置如表4。

表4 室內環境參數

1.5 室內熱擾及作息安排

1）人員設置。建筑內主要有5名成員，為方便軟件參數設置，假設各個房間人員活動規律一致，根據EnergyPlus軟件的Documents文件查得室內人員活動功率為70 W/m2，且待在室內時間取6 h/天。

2）通風設置。依據《標準》一規定，以滿足每人每小時30立方米新風量為原則，室內通風作息與人員作息設置相同。研究對象的暖通空調系統采用定風量系統，在系統中添加新風熱回收裝置，并且采用全熱回收的形式，熱回收率為65%。同時，保證建筑良好的氣密性，規定空氣滲透換氣次數為0.042 h-1。

3）照明及用電設備設置。根據《標準》一規定，建筑冷熱負荷計算過程中，照明功率密度統一取值5 W/m2，家電功率密度統一取值8 W/m2。照明和用電設備的作息分為兩種：衛生間、走廊、樓梯間設置為2 h/天，其余房間設置為6 h/天。

4）為避免太陽輻射造成的夏季供冷能耗增加，建筑的外窗設置這樣構件。選擇內置百葉式遮陽方式，室內人員可按照不同需求對其進行手動調節。

2 能耗模擬

本文采用EnergyPlus軟件進行建筑能耗模擬，EnergyPlus主要用于建筑能量特性模擬與負荷計算，它吸收了DOE-2和BLAST兩個軟件的優點，并具備很多新的功能[5]。

2.1 能耗模擬時間

模擬時間為全年，8760 h，參照《標準》一確定供暖期和供冷期。

1）供暖時間設置。除車庫以外，各房間保證在11月13日至次年3月14日的供暖期期間室內溫度在20℃以上，室內相對濕度在30%以上，累計供暖天數122 d。采取間歇供暖方式，間歇供暖時間為5:00～13:00，17:00～ 次日 1:00。

2）供冷時間設置。除車庫以外，各房間保證在5月2日至9月24日之間室內溫度在26℃以下，同時室內相對濕度在60%以下，累計供冷天數146 d。供冷策略分為廳室與臥室兩種。其中，廳室供冷時間設置為周一至周五7:00～8:00，16:00～22:00，而周六周日8:00～24:00。臥室供冷時間設置為周一至周五16:00～24:00，周六周日 8:00～24:00。

2.2 建筑模型建立

EnergyPlus的建模操作需要借助Google Sketch Up的插件Open Studio Plug-in，在Sketch Up中構件EnergyPlus模擬運行所需要的幾何模型，本文的建筑模型如圖3所示。

圖3 建筑能耗模型

2.3 能耗模擬結果

按照上述室內外計算參數、模擬時間等基本設置用EnergyPlus對建筑進行模擬計算，得到的負荷計算結果和建筑能耗模擬結果如下。

1）被動式超低能耗建筑各個熱區的設計冷負荷和設計熱負荷如表5所示，根據表格計算冷負荷指標和熱負荷指標分別為19.41 W/m2和13.71 W/m2。《標準》一中未給出房屋單位面積的負荷控制指標，參考河北省《被動式低能耗居住建筑節能設計標準》DB 13(J)/T177-2015[6]。該《標準》規定采暖負荷指標不大于10 W/m2，最大制冷負荷指標不大于20 W/m2。由此可見，本文計算結果與該標準規定值較為接近。

表5 被動式超低能耗建筑設計冷熱負荷

2）被動式超低能耗建筑的全年建筑能耗如表6所示，其中年采暖需求和年制冷需求分別為0.14 kWh/m2和24.86 kWh/m2，符合《標準》一規定。圖4顯示了分項能耗占總能耗的百分比，采暖空調能耗約占總能耗的50%。

表6 全年建筑能耗

圖4 分項能耗對比

表7 計算結果比較

3）被動式超低能耗建筑與山東省現行節能標準下的居住建筑相比，熱區的負荷值與耗能量均有降低，通過比較可得節能率約為35%，具體結果見表7。

2.4 模擬結果分析

1）由模擬結果可知，單位面積建筑年累計耗熱量為0.14 kWh/m2，計算值遠遠小于《被動式超低能耗居住建筑節能設計標準》中規定的“不大于10 kWh/m2”。熱負荷主要來自于圍護結構和室外新風，而被動式建筑圍護結構的傳熱系數一般都不大，所以這說明了新風熱回收在降低建筑能耗方面效果顯著，建議新建節能建筑加強對熱回收技術的使用。

2）夏季的能耗相較于冬季能耗來說，明顯偏大。一方面是因為濟南市供冷季時間過長，所以適當縮短供冷天數，加強對通風技術的應用對降低夏季能耗可以有所幫助。由于建筑通過圍護結構傳熱量很小，說明室內熱擾在建筑負荷中具有重要的影響，由圖4可以看出照明和用電設備在建筑能耗中所占比例較大，建議新建建筑設計時采用光導管、設置自動可調百葉遮陽等技術減少室內照明能耗。用電設備在不使用時關閉電源，減少耗能量。

3）從上世紀80年代至今，節能率從最初的30%提升到現如今的75%，這說明建筑節能技術在不斷改進。通過本文被動式建筑和現行節能居住建筑的比較，可以看出暖通空調在建筑節能領域發展潛力巨大，所以加強對暖通空調系統的優化改進對建筑節能的進一步發展具有重要的意義。

3 結論及展望

本文通過借助EnergyPlus能耗模擬軟件對濟南市某二層別墅的能耗進行能耗模擬，并對計算結果進行了分析，可得結論如下。

1）建筑能耗模擬結果符合《被動式超低能耗居住建筑節能設計標準》中的規定值，對該標準中的圍護結構、氣密性、熱回收技術等相關條例的規定進行了很好的驗證。其中，熱回收技術對降低建筑負荷作用較明顯。

2）室內熱擾（如：照明，用電設備）對夏季負荷影響較大，可通過被動式技術來降低夏季能耗，同時也要增強室內人員的節能意識，養成良好的用電習慣。

3）被動式超低能耗建筑相對于山東省現行的節能居住建筑節能率達35%，即暖通空調系統的優化設計對提升建筑節能率大有幫助。

建筑節能技術會隨著世界能源危機的加劇發展得越來越快，而我國建筑節能相對于歐美發達國家來說起步較晚。本文中的《被動式超低能耗居住建筑節能設計標準》是山東省發布的適用于山東省新建、擴建居住建筑的節能設計，而我國有34個省、市、自治區，五大氣候區，不同省份或不同氣候區對建筑節能技術的要求也有所不同，所以加強對中國各地節能技術的研究并編寫適用性技術標準的任務任重而道遠。