許抗吾，魏俊輝，孫林娜，鮑 超，劉啟明

(北京市勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100038)

建筑能耗一直是全社會(huì)能源消耗的大戶，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018年我國建筑建造和運(yùn)行用能占全社會(huì)總能耗的37%[1]。在建筑運(yùn)行能耗中，供暖空調(diào)能耗比重最大，一般能占到建筑總能耗的40%～50%[2]。

長久以來，在建筑節(jié)能領(lǐng)域人們常常致力于建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能的改善及供熱制冷系統(tǒng)能效的提升[3-5]。目前有學(xué)者針對(duì)住宅建筑的能耗模擬進(jìn)行過一些研究，段良飛等[6]采用eQUEST模擬軟件對(duì)石家莊市某住宅建筑不同外圍護(hù)結(jié)構(gòu)條件下的冷熱負(fù)荷情況進(jìn)行模擬，分析外墻、外窗、遮陽和屋面等因素對(duì)能耗的影響；張澤超等[7]利用YBPA2019軟件進(jìn)行青島市某節(jié)能住宅樓的模擬分析，對(duì)比了分別采用兩種空調(diào)方案的住宅能耗情況；孟文強(qiáng)等[8]采用DeST-h軟件，模擬山東半島沿海地區(qū)不同類型的外窗、屋頂保溫構(gòu)造的住宅建筑能耗，考慮了提高空調(diào)的能效比、可再生能源的節(jié)能效果，并提出了住宅建筑節(jié)能的建議。

然而，建筑的室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)以及使用者的行為對(duì)建筑能耗的影響是不可忽視的，甚至對(duì)建筑負(fù)荷大小起著關(guān)鍵性的作用。本文針對(duì)北京市某住宅建筑，采用DeST-h能耗模擬軟件，研究不同的室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)該建筑空調(diào)負(fù)荷的影響，并分析住宅建筑運(yùn)行節(jié)能的思路。

1 模型建立

1.1 建筑概況

以北京市某多層住宅建筑為模擬研究對(duì)象，該建筑為正南朝向，層高為3 m，共6層，總建筑面積1 033 m2。夏季采用多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行制冷，冬季采用地板采暖系統(tǒng)進(jìn)行供暖，總供能面積為896 m2。夏季制冷起止時(shí)間：6月1日～8月31日；冬季供暖起止時(shí)間：11月15日～次年3月15日[9]。

建筑平面圖與能耗模擬模型分別如圖1，圖2所示。

1.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

該住宅建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)嚴(yán)格按照J(rèn)GJ 26—2018嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[10]設(shè)置，具體參數(shù)見表1。

表1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.3 室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)

住宅建筑的室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)包括空調(diào)室內(nèi)設(shè)計(jì)溫濕度、人員、照明功率、設(shè)備功率、通風(fēng)換氣次數(shù)等。該住宅建筑戶型中有起居室、主臥、次臥、廚房、衛(wèi)生間等房間類型，相關(guān)室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)見表2。

表2 室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)

除了基本的室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)，模擬建筑逐時(shí)負(fù)荷需要設(shè)置詳細(xì)的室內(nèi)熱擾作息，包括人員在室率、照明使用率和設(shè)備使用率，如表3所示。

2 模擬結(jié)果分析

住宅建筑基礎(chǔ)模型的全年逐時(shí)負(fù)荷如圖3所示。

負(fù)荷模擬結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表4所示，該住宅建筑的冷負(fù)荷峰值為77.01 kW，熱負(fù)荷峰值為23.84 kW。由于建筑位于寒冷地區(qū)，供暖時(shí)間較制冷時(shí)間長，全年累計(jì)熱負(fù)荷與冷負(fù)荷相當(dāng)。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，北京地區(qū)此類住宅建筑單位面積采暖耗熱量指標(biāo)限值為30.56 kW·h/(m2·a)，空調(diào)制冷量指標(biāo)限值為21 kW·h/(m2·a)(綜合COP=3)[11]，可見基礎(chǔ)模型的設(shè)定滿足設(shè)計(jì)要求。

表3 室內(nèi)熱擾作息時(shí)間表

表4 基礎(chǔ)模型模擬結(jié)果統(tǒng)計(jì)值

2.1 室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度

室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度是決定空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷的最主要的參數(shù)之一。對(duì)于舒適性空調(diào)，供冷工況下的室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為26 ℃～28 ℃，供熱工況下的室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為18 ℃～22 ℃[12]。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，分析不同室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度對(duì)冷熱負(fù)荷的影響。

2.1.1 制冷設(shè)計(jì)溫度

制冷設(shè)計(jì)溫度調(diào)整為24 ℃～28 ℃，模擬得到的結(jié)果如圖4所示。隨著制冷設(shè)計(jì)溫度的升高，室內(nèi)外溫差減小，冷負(fù)荷的峰值與累計(jì)值整體呈現(xiàn)出降低的趨勢。冷負(fù)荷在制冷設(shè)計(jì)溫度為28 ℃時(shí)達(dá)到最小值，峰值為72.09 kW，累計(jì)值為12 207.21 kW·h。與制冷設(shè)計(jì)溫度26 ℃相比，冷負(fù)荷峰值與累計(jì)值分別降低了6.49%和19.35%。

2.1.2 供暖設(shè)計(jì)溫度

由于本項(xiàng)目住宅建筑采用地板采暖系統(tǒng)，輻射供暖室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度宜降低2 ℃，因此供暖設(shè)計(jì)溫度為16 ℃～20 ℃。不同設(shè)計(jì)工況下的熱負(fù)荷如圖5所示。顯然，隨著供暖設(shè)計(jì)溫度的降低，熱負(fù)荷是不斷降低的。熱負(fù)荷在供暖設(shè)計(jì)溫度為16 ℃時(shí)達(dá)到最小值，峰值22.41 kW，累計(jì)值為10 439.58 kW·h。與供暖設(shè)計(jì)溫度18 ℃相比，熱負(fù)荷峰值與累計(jì)值分別降低了15.78%和34.01%。

改變室內(nèi)的設(shè)計(jì)溫度對(duì)住宅建筑空調(diào)冷熱負(fù)荷的影響較為顯著，提高制冷設(shè)計(jì)溫度或者降低供暖設(shè)計(jì)溫度，能夠有效降低冷熱負(fù)荷。

2.2 室內(nèi)設(shè)計(jì)濕度

除了溫度，空氣相對(duì)濕度也是空調(diào)供暖系統(tǒng)的重要設(shè)計(jì)參數(shù)。舒適性空調(diào)在熱舒適度Ⅱ級(jí)規(guī)定：供冷工況下室內(nèi)相對(duì)濕度應(yīng)不大于70%，供熱工況下無要求。分別調(diào)整室內(nèi)設(shè)計(jì)濕度的上下限，分析相對(duì)濕度對(duì)負(fù)荷的影響。

2.2.1 相對(duì)濕度上限

相對(duì)濕度下限為20%，上限分別為80%,70%和60%，負(fù)荷模擬計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

由于空氣相對(duì)濕度在夏季通常較高，冬季偏低，因此降低相對(duì)濕度上限只影響空調(diào)的冷負(fù)荷。常規(guī)的空調(diào)器采用表面式換熱器對(duì)空氣進(jìn)行熱濕處理，當(dāng)相對(duì)濕度上限降低時(shí)，需要進(jìn)一步降低表面式換熱器中冷媒的溫度來達(dá)到除濕的目的，因此冷負(fù)荷隨著相對(duì)濕度上限的降低而升高。室內(nèi)相對(duì)濕度上限降低10%，冷負(fù)荷峰值增加約7.4 kW，冷負(fù)荷累計(jì)值增加約1 500 kW·h。

2.2.2 相對(duì)濕度下限

相對(duì)濕度上限為80%，調(diào)整下限為20%,30%和40%，對(duì)建筑負(fù)荷進(jìn)行模擬。

相對(duì)濕度下限提高時(shí)，在冬季供熱工況下需要對(duì)室內(nèi)空氣進(jìn)行加濕。而表面式換熱器無法對(duì)空氣進(jìn)行加濕處理，只能使用另外的加濕設(shè)備，因此相對(duì)濕度下限對(duì)熱負(fù)荷沒有影響，如圖7所示。

負(fù)荷模擬結(jié)果表明，室內(nèi)相對(duì)濕度上限對(duì)空調(diào)冷負(fù)荷有較大的影響，相對(duì)濕度下限一般不影響空調(diào)的冷熱負(fù)荷。

2.3 室內(nèi)熱擾

人員、照明、設(shè)備等室內(nèi)熱擾是空調(diào)負(fù)荷的組成部分。通過控制變量的方法，模擬分析不同人員、照明功率和設(shè)備功率情況下建筑的冷熱負(fù)荷變化，室內(nèi)熱擾組合模式見表5。

表5 室內(nèi)熱擾組合模式

室內(nèi)熱擾對(duì)建筑負(fù)荷的影響如圖8所示。增加人員、照明、設(shè)備散熱量，一方面建筑的冷負(fù)荷有所升高，另一方面散熱量能夠抵消一部分熱負(fù)荷，從而熱負(fù)荷略有降低。

單戶人員每增加1人，累計(jì)冷負(fù)荷增加約7%，累計(jì)熱負(fù)荷減少約8.6%；照明功率密度每升高1 W/m2，累計(jì)冷負(fù)荷增加約2%，累計(jì)熱負(fù)荷減少約1.8%；設(shè)備功率密度每升高1 W/m2，累計(jì)冷負(fù)荷增加約4.2%，累計(jì)熱負(fù)荷減少約3.3%?？梢?，人員熱擾對(duì)熱負(fù)荷的影響大于冷負(fù)荷，而照明與設(shè)備熱擾對(duì)冷負(fù)荷的影響更加顯著。整體來看，人員數(shù)量影響相對(duì)較大，設(shè)備功率密度其次，照明功率密度影響最小。

2.4 建筑通風(fēng)

建筑的自然通風(fēng)對(duì)空調(diào)的冷熱負(fù)荷起著非常關(guān)鍵的作用。一般來說，夏季在室外氣溫適宜時(shí)增加室外通風(fēng)可以有效帶走室內(nèi)的余熱和余濕，從而降低空調(diào)制冷能耗。

在DeST-h軟件的室外通風(fēng)設(shè)置中有“逐時(shí)通風(fēng)”和“通風(fēng)范圍”兩種模式。其中“逐時(shí)通風(fēng)”是按照用戶設(shè)定的逐時(shí)通風(fēng)次數(shù)進(jìn)行計(jì)算，而“通風(fēng)范圍”反映了住戶利用開關(guān)窗通風(fēng)調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度的行為，即室外溫度適宜(介于室內(nèi)設(shè)定溫度范圍)時(shí)，開窗通風(fēng)(此時(shí)按最大通風(fēng)量計(jì)算)；當(dāng)溫度不適宜時(shí)，關(guān)閉窗戶(此時(shí)按最小通風(fēng)量計(jì)算)。

考慮到住宅建筑的使用特點(diǎn)，基礎(chǔ)模型采用“通風(fēng)范圍”的通風(fēng)模式，其中最小與最大通風(fēng)換氣次數(shù)均為0.5次/h，即在不開窗通風(fēng)的情況下，模擬建筑的全年冷熱負(fù)荷。通過改變最大通風(fēng)量，當(dāng)最大通風(fēng)換氣次數(shù)分別為1次/h,2次/h,3次/h,4次/h和5次/h，模擬建筑全年負(fù)荷變化，分析開窗通風(fēng)對(duì)該建筑冷熱負(fù)荷的影響(見圖9)。

如圖9所示，通風(fēng)換氣次數(shù)對(duì)熱負(fù)荷幾乎沒有影響，這是因?yàn)槟Ｐ筒捎谩巴L(fēng)范圍”的室外通風(fēng)模式，而冬季絕大部分時(shí)間的室外氣溫低于室內(nèi)的設(shè)計(jì)溫度，并不會(huì)選擇開窗通風(fēng)，所以熱負(fù)荷受最大通風(fēng)換熱次數(shù)的影響很?。粚?duì)于冷負(fù)荷，隨著最大通風(fēng)換氣次數(shù)的增加，冷負(fù)荷累計(jì)值不斷減少。顯然，在夏季室外氣溫低于室內(nèi)氣溫時(shí)選擇開窗通風(fēng)，有利于去除室內(nèi)余熱、余濕，從而減少空調(diào)開啟的時(shí)間，降低空調(diào)冷負(fù)荷；并且通風(fēng)換氣量越大，對(duì)于降低空調(diào)能耗越有利。

3 結(jié)論

基于DeST-h搭建的住宅建筑能耗模擬基礎(chǔ)模型，本文模擬分析了室內(nèi)設(shè)計(jì)溫濕度、室內(nèi)熱擾參數(shù)以及建筑通風(fēng)對(duì)建筑能耗的影響。主要結(jié)論如下：

1)室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度對(duì)住宅建筑的空調(diào)能耗影響較大，提高制冷設(shè)計(jì)溫度或者降低供暖設(shè)計(jì)溫度有利于減少供暖空調(diào)的冷熱負(fù)荷，降低能耗。

2)室內(nèi)設(shè)計(jì)相對(duì)濕度主要影響住宅建筑的空調(diào)冷負(fù)荷，若對(duì)夏季除濕要求較高，必然會(huì)相應(yīng)增加空調(diào)能耗。

3)人員、照明、設(shè)備等室內(nèi)熱擾對(duì)住宅建筑冷熱負(fù)荷的影響相對(duì)較小，增加人員、照明功率密度或設(shè)備功率密度會(huì)增加冷負(fù)荷、減少熱負(fù)荷。

4)建筑的通風(fēng)，尤其是室外通風(fēng)對(duì)空調(diào)的冷熱負(fù)荷起著非常關(guān)鍵的作用。在冬季由于室外氣溫較低，應(yīng)盡量減少室外通風(fēng)；而夏季增強(qiáng)室外通風(fēng)，冷負(fù)荷累計(jì)值大幅降低。

綜上所述，室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度、建筑通風(fēng)對(duì)住宅建筑冷熱負(fù)荷的影響較大。因此，從建筑運(yùn)行節(jié)能的角度來看，適當(dāng)升高夏季空調(diào)室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度或者降低冬季供暖室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度，并且在室外溫濕度適宜時(shí)開窗通風(fēng)是降低住宅建筑供暖空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行能耗的有效手段。