蘭州地區被動式超低能耗建筑設計及能耗分析

摘 要：蘭州地區某公共建筑為實現超低能耗綠色建筑，應用多項被動節能技術，耦合高效冷熱源和光伏發電系統。文章基于建筑信息化模型（BIM）節能技術平臺和瞬時系統模擬程序（TRNSYS）仿真軟件對建筑能耗及建筑節能進行計算分析，得出以下結論：該建筑基準能耗綜合值為51.651 kW·h/（m2·a），在屋面設置200 m2太陽能光伏發電系統時，年均發電量可達6.42萬 kW·h/a，單位建筑面積發電指標約為27.80 kW·h/（m2·a）；基于可再生能源設計的建筑能耗綜合值僅為5.1 kW·h/（m2·a），該辦公樓建筑綜合節能率可達90.12%；建筑本體節能率為35.32%，可再生能源利用率為85.96%，生產總量大于建筑年終端能源消耗量，性能指標完全滿足能效指標的約束性要求。上述設計及結論可為西北地區公建項目近零能耗建筑提供良好的示范。

關鍵詞：蘭州地區；被動式超低能耗建筑；可再生能源；能耗分析

中圖分類號：TU201.5"""""" 文獻標志碼：A

0引言

如今，在全球范圍內，建筑業作為世界上最大的能源消耗行業，其中公共建筑和住宅建筑占總能源消耗的20.1%；在中國，建筑行業更是消耗了約20%的一次能源和約23%的電力[1]。同時，隨著建筑總面積的快速增加和居民生活水平的不斷提高，建筑能耗所占的比重也在不斷上升。因此為了緩解建筑能耗壓力和應對環境變化，必須采取嚴格措施提高建筑能效以節約能源和降低碳排放[2-3]。

近幾年，被動式超低能耗建筑迅速發展并有大量學者對其進行探究，Liao等[4]以普通中空玻璃、熱反射中空玻璃和三倍銀中空玻璃這3種透明建筑圍護結構為研究對象，探究了不同建筑透明圍護結構對輻射天花板采暖制冷系統能耗及熱環境的影響。Ma等[5]以天津某建筑為研究對象，采用了大量的節能技術，其中被動節能技術優先，主動節能技術互補；在運行過程中，隨著控制策略的不斷改進，能耗和運行費用逐年降低，最終實現了建筑低能耗和低運行費用。Xu等[6]提出了一種創新的太陽能空氣收集器+空氣源熱泵+儲能混合能源系統，用于內蒙古海拉爾地區的超低能耗建筑節能，并探究了這種混合能源系統的性能和可行性。總體上，學術界關于國內西北地區超低能耗建筑的研究較少，同時因為西北地區的氣候和海拔與其他地區差異明顯，導致在建造技術及特征等方面與國內其他地區差異性較大，上述研究成果不一定能夠適用西北地區。因此無論是設計標準還是技術質量上，都需要建立適應西北地區的被動式超低能耗建筑技術體系。

綜上所述，文章以蘭州地區某公共建筑為例，設計超低能耗綠色建筑技術體系，耦合蘭州地區可再生資源，優選適用該公共建筑的被動式節能技術方案，并針對此建筑技術方案進行能耗仿真，計算建筑節能效果，為蘭州地區被動式低能耗建筑發展提供有益參考。

1項目概況

1.1工程概述

該項目為甘肅省蘭州新區某辦公樓。該辦公樓總建筑面積為2270.01 m2，建筑主體高度15.3 m，地上3層，局部4層，為多層公共建筑；建筑功能為辦公建筑，各樓層的使用包含功能會客室、會議室、對外辦事大廳、問詢室、展示廳等。

1.2室外氣象參數

甘肅省蘭州新區四季分明，1月份平均氣溫-7.3℃ ， 7月份平均氣溫20℃ ， 年平均溫度在7℃左右，屬于寒冷（A 區），最大凍土深度約1.1 m。蘭州新區海拔較高約1550 m，太陽能資源較為豐富，年平均太陽總輻射量約為1268.8 kcal/cm2，年平均日照時數約為2446 h，日照率60%，年總平均日輻照量可達到14.322 MJ/m2·d。通過以上數據可知甘肅省蘭州新區雖然較為寒冷但具有良好的太陽能資源。

1.3室內設計參數

根據房間功能設定房間溫度和新風量，室內溫度和新風參數見表1。其中設定辦公用房、會議室、多功能廳、展示廳、閱覽室及辦事大廳的最高和最低溫度分別為26℃和20℃;樓梯、衛生間為非空調區，但冬季仍然有采暖需求，因此設定其最高和最低溫度分別為18℃和16℃。辦公用房、會議室、多功能廳、展示廳及閱覽室的新風量為30 m3/h ·人、辦事大廳的新風量為10 m3/h ·人；辦公建筑的衛生間、樓梯間需考慮通風，設換氣次數為10次/h。該建筑物溫度和新風量的設定均滿足建筑節能要求。

2近零能耗建筑設計方法

研究將通過主動式設計來降低建筑終端用能能耗，通過被動式設計來降低采暖和制冷熱量損失，同時利用可再生能源耦合的方法及無熱橋設計來實現建筑超低近零能耗。

充分考慮到蘭州新區的氣候條件及自然資源，該建筑物將利用高效節能的蒸發冷卻冷水機組、板式換熱器、低溫空氣源熱泵、機械通風熱回收、地道風預冷（預熱）等主動式技術，最大幅度地降低建筑終端用能消耗。同時利用將建筑保溫隔熱、自然采光及自然通風等被動式建筑技術相互融合，并且通過建筑布局規劃、圍護結構高效保溫技術、外窗及外門高效節能技術、無熱橋技術、氣密性技術等具體方法來降低建筑采暖和制冷熱量損失。降低建筑能耗的難點主要在于通過優化建筑圍護結構保溫隔熱與無熱橋設計之間來實現被動式設計，同時將太陽能、空氣熱能與土壤源蓄冷蓄熱這3種可再生能源結合起來利用以實現適應蘭州地區自然資源的高效利用。

3近零能耗建筑技術方案

結合蘭州地區氣候特征和經濟情況，可通過以下方法來降低建筑能耗：

（1）采用高性能保溫系統對外圍建筑物進行保溫及氣密性設計，防止建筑物內冷熱量散發；

（2）由于熱橋會影響室內表面溫度，因此還需對屋面等采用無熱橋設計來降低能耗；

（3）利用高效能的管式間接-直接蒸發冷卻機組提供冷源、低溫空氣源熱泵機組提供熱源及冷源；

（4）通過高效熱回收系統回收建筑物內冷熱量來降低建筑物能耗。其中采用的近零能耗的具體技術方案見表2。

4技術及經濟分析

基于上述設計，利用TRNSYS 瞬態模擬軟件并基于BIM平臺對該建筑物的全年動態冷熱負荷、全年單位面積能耗、全年總能耗、綜合節能率、可再生能源利用率等方面對該近零能耗建筑技術方案進行分析評估。

4.1建筑全年動態冷熱負荷

該建筑全年冷熱負荷隨時間變化規律如圖1（圖中冷熱負荷以0.00為分界，0.00以上為熱負荷，0.00以下為冷負荷）。由圖1可得出該建筑冷負荷最大值為0.06036 kW/m2，平均值為0.00725 kW/m2；熱負荷最大值為0.20459 W/m2，平均值為0.02213 kW/m2。可以根據該建筑物冷熱負荷隨時間的變化規律來制定該建筑全年冷熱源設備優化控制策略。

4.2建筑全年單位面積能耗分析

該建筑單位面積全年供暖及空調能耗隨時間變化規律如圖2（圖中供暖、空調能耗以0.00為分界，0.00以上為供暖能耗，0.00以下為空調能耗）。由圖2可得出該建筑全年單位面積供暖能耗為17.167 kW·h/（m2·a），其中新風加熱能耗為6 kW·h/（m2·a）、基礎采暖能耗為11.168 kW·h/（m2·a），供暖能耗中新風加熱能耗占供暖能耗的34.94%。同時該圖還表明空調能耗為2.144 kW·h/（m2·a），其中新風制冷能耗為1.248 kW·h/（m2·a），而基礎制冷能耗0.896 kW·h/（m2·a）。上述數據表明公用建筑對新風的較大需求，并且新風耗能較多。

4.3建筑全年總能耗分析

基準建筑和設計建筑的全年總能耗比較結果見表3，通過表3的數據可得出設計建筑能耗在基準建筑能耗的基礎上降低了36%。同時在建筑全年總能耗中，供暖及空調能耗最大，因此在設計建筑中對供暖及空調能耗中對新風能量進行控制，當新風量降低7.75 kW·h/（m2·a）時，新風量降低的能耗將占總降低能耗的50%。所以從節能角度出發，控制建筑新風量使其在一定合理的范圍內，必將大大降低建筑能耗，有利于實現建筑近零能耗。

4.4建筑綜合節能率

該辦公樓屋面設置安裝200 m2光伏發電系統，設計年發電量6.42萬kW·h/a，已知光伏逆變器等傳輸和轉化效率為98.3%，因此實際年發電量約為6.31萬kW·h/a，并且對于總面積為2270.01 m2的辦公樓來說，單位建筑面積發電指標約為27.80 kW·h/（m2·a）。由上述數據可得出，基準建筑能耗綜合值為51.651 kW· h/（m2·a），設計建筑能耗綜合值（僅包含可再生能源太陽能）約為5.1 kW·h/（m2·a），此辦公樓建筑綜合節能率約為90.12%。由此可知該節能率遠大于《近零能耗建筑技術標準》（GB∕T 51350—2019）中建筑綜合節能率≥60%的約束性指標。

4.5建筑可再生能源利用率

可再生能源利用率指供暖、通風、空調、照明、生活熱水、電梯系統中可再生能源利用量占其能量需求量的比例。建筑年電能消耗見表4，通過計算可得辦公樓全年需要的總電量為7.468萬kW·h/a。此時僅考慮辦公樓建筑屋頂光伏板的實際年發電量6.42萬 kW·h/a，并未將地道風、空氣熱能及淺層地熱計算入內時，可計算得出太陽能光伏再生能源利用率已經達到了85.96%。這些數據表明建筑可再生能源的利用幾乎可以實現建筑物的近零能耗。

4.6能效指標綜合分析

該建筑本體節能率約為35.32%、建筑綜合節能率為90.12%及可再生能源利用率為85.96%，這些值均大于指標要求，具體見表5、表6。建筑本體和建筑周邊可再生能源產生量綜合大于建筑年終端能源消耗量，性能指標完全滿足《近零能耗建筑技術標準》（GB∕T 51350—2019）的能效指標的約束性要求。

5創新點

蘭州地區某公共建筑為實現超低能耗綠色建筑，文章通過被動式設計來降低采暖和制冷熱量損失；并耦合可再生能源技術及先進的節能技術平臺對建筑能耗及節能進行分析，該設計方案具有以下創新點：

（1）高效冷熱源，熱源與冷源分別采用低溫空氣源熱泵和蒸發冷卻冷水機組，并設置熱回收系統，降低冷熱量損失。

（2）適宜的光伏發電系統，蘭州太陽能資源較為豐富，擴大太陽能光伏發電系統裝機容量，并實現不同建筑之間用能與產能之間的平衡優化。

6結論

文章以蘭州地區某公共建筑為例，應用多項被動節能技術，耦合高效冷熱源技術和光伏發電系統；并基于BIM節能技術平臺和TRNSYS仿真軟件對建筑能耗及建筑節能綜合分析，可得到以下主要結論：

（1）公用建筑對新風的較大需求，并且新風耗能較多，從節能角度考慮，控制建筑新風量使其在一定合理的范圍內，必將大大降低建筑能耗，有利于實現建筑近零能耗。

（2）太陽能光伏再生能源利用率為85.96%時，辦公樓建筑綜合節能率達到了90.12%，因此建筑可再生能源的利用幾乎可以實現建筑物的近零能耗。

（3）該建筑本體節能率約為35.32%、太陽能可再生能源利用率為85.96%均大于指標要求。建筑本體和建筑周邊可再生能源產生量綜合大于建筑年終端能源消耗量，性能指標完全滿足。因此這種多種近零能耗技術體系與方案，完全滿足超低能耗建筑綠色設計標準。

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Design and Energy Consumption Analysis of Passive Ultra-low EnergyBuilding in Lanzhou Area

XU Lixian1， YUE Tinglong2， LIANG Nuo1

（1. Gansu Construction Design Consulting Group Co.， Ltd.，Lanzhou Gansu 730050， China；

2. Gansu Vocational College of Architecture， Lanzhou Gansu 730000， China）

Abstract： In order to achieve the ultra-low energy consumption green building in a public building in Lanzhou a number of passive energy-saving technologies are applied， and the efficient hot and cold source and the photovol ? taic power generation system are used. The article is based on building information model（BIM）energy-saving technology platform and transient system simulation program（TRNSYS）simulation software to calculate and ana? lyze building energy consumption and building energy conservation，the following conclusions are obtained：The com? prehensive energy consumption value of the building is 51.651 kW·h/（m2·a）.When the 200 m2 solar photovoltaic power generation system in the roof， the annual average power generation can reach 64200 kW·h/a， and the power generation index per unit building area is about 27.80 kW·h/（m2·a）. The comprehensive value of building energy consumption based on renewable energy design is only 5.1 kW · h/（m2· a）， and the comprehensive energy saving rate of the office building can reach 90.12%. The energy saving rate of the building itself is 35.32%， and the utiliza? tion rate of renewable energy is 85.96%， the total production volume is greater than the annual terminal energy con? sumption of the building， and the performance indicators fully meet the constrains of energy efficiency indicators. The above design and conclusion can provide a good demonstration for the near-zero energy consumption buildings in the Northwest Public Construction Project.

Keywords： Lanzhou area; passive ultra-low energy buildings; renewable energy; energy consumption analysis