对比 | 寒冷地区被动房能耗模拟值与实际值

以河北省建筑科技研发中心办公楼为例

采用Design Builder软件对河北省建筑科技研发中心被动式低能耗办公建筑进行能耗模拟计算分析，并结合实际运行数据对比分析差异原因，为寒冷地区被动式低能耗建筑能耗模拟应用的合理性以及运营管理与模拟优化运行策略的可行性提供参考。

被动式低能耗建筑起源于德国，自2007年起，引入我国并开始研究推广应用。被动式低能耗建筑在室内环境、气密性、能耗等方面均有严格的指标要求，因此对被动式低能耗建筑进行能耗模拟计算，以及与实际运行数据的对比分析研究有着重要的意义。

工程概况

本项目总建筑面积14527m2，地上六层，地下一层，被动式低能耗建筑区域为地上一至六层，建筑面积为12362.3 m2。主体结构形式为框架结构，建设性质为办公楼，一到六层为建筑节能新技术展示、研发及试验、办公、小型会议等，地下一层为车库、设备用房。建筑实景见图1。项目建设起止时间为2012年2月至2015年3月，于2015年4月投入使用。本项目获得“中德被动式低能耗建筑质量标识”证书、“三星级绿色建筑设计评价标识”证书。

图1 建筑实景图

能耗模拟计算

1 建筑模型

能耗模拟计算采用英国Design Builder公司开发的DesignBuilder建筑模拟软件，建筑模型见图2所示。

图2 建筑模型

　

2 计算参数

2.1 室外气象参数

　　项目位于石家庄市鹿泉区上庄镇大车行村北侧，中心地理坐标为北纬38°1′31.39″、东经114°21′34.18″，属于寒冷(B)区。石家庄市地处中低纬度亚欧大陆东缘，临近太平洋所属渤海海域，属于暖温带季风气候。太阳辐射的季节性变化显著，地面的高低气压活动频繁，四季分明，年平均气温为13.4℃。石家庄年总降水量为401.1~752.0mm，雨量集中于夏秋季节。干湿期明显，夏冬季长，春秋季短。主导风向：东南风(夏季)，次主导风：西北风(冬季)，风频10%。采用石家庄市典型气象年气象数据进行计算。

2.2 室内设计参数

室内空气设计计算参数具体见表1所示。

表1 室内空气设计计算参数

2.3 围护结构主要参数

围护结构主要参数见表2所示。

表2 围护结构主要参数

2.4 照明功率密度、人员逐时在室率和照明开关时间表

建筑照明功率密度根据《建筑照明设计标准》GB50034—2004及《公共建筑节能设计标准》DB(J)81—2009中各功能房间类型照明密度目标值设置;人数设置及人员逐时在室率、照明开关时间表，按《公共建筑节能设计标准》DB(J)81-2009中办公建筑类型确定。

2.5 空调系统、空调运行时间参数

空调系统设置参数及空调运行时间表详见表3、4所示。

表3 空调系统设置参数

表4 空调运行时间表

3 计算结果

主要模拟计算的是全年范围内逐时、逐月的建筑能耗、温度、热平衡、系统负荷的变化情况，本建筑能耗分析图如图3所示。

图3 建筑能耗分析图

经模拟计算分析，本项目全年分项能源消耗如表5所示。

表5 建筑全年分项能耗

本项目空调面积为12362.3m2，从上表中的模拟结果可以得出：单位面积年采暖需求为42356.58kWh×3/12362.3 m2=10.28kWh/(m2·a)，单位面积年制冷需求为53905.45×3/11093.63m2= 1 3 . 0 8 kWh / (m2 · a ) ， 单位面积年一次能源总需求为387447.91×3/11093.63 m2=94.02 kWh/(m2·a);单位面积年一次能源总需求不大于120 kWh/(m2·a)的要求。

实际运行数据

该项目自2015年4月8日投入使用以来，截止目前已运行超过一年，包含完整的制冷期和采暖期，对实际运行数据进行了监测和记录，检测平台见图4。

图4 能耗监测平台

1 室内环境测试结果

对各楼层室内温度、湿度、外墙内表面温度等进行测量，其效果优异;新风系统由室内CO2监测装置控制自动运行，完全满足被动式低能耗建筑的室内环境要求。该项目2015年5月1日至2016年4月30日的具体室内温、湿度监测见表6所示。

表6 室内环境监测数据

表6中所列温度、湿度均为整个监测季节的最低值和最高值，所列房间均为主要功能房间。经监测，一般夏季外墙内表面温度低于室内空气温度(26℃)，因此不进行记录。从监测数据来看，本项目整年室内环境优异，满足被动式低能耗建筑室内环境要求。

2 能耗测试结果

本项目设置能耗监测管理系统，对用电能耗(照明插座用电、空调用电、动力用电、特殊用电分项能耗)进行监测和管理。该项目2015年5月1日至2016年4月30日的具体能耗数据见表7所示。

表7 2015年5月1日至2016年4月30日能耗监测数据

表7中4月份为过渡季节，无制冷、采暖及新风能耗，因此本监测数据可视为全年数据。其它耗电主要包含：电梯耗电、电动遮阳耗电、太阳能热水耗电、地下配电室照明插座耗电、消防设备耗电等。本项目空调面积为12362.3m2，经上表计算可以得出：单位面积采暖能耗为22.87kWh/(m2·a)，单位面积制冷能耗为17.42 kWh/(m2·a)，单位面积一次能源总消耗为107.85kWh/(m2·a)

对比分析

1 预期目标满足程度

通过2.3能耗模拟计算结果与3.2能耗实测结果可以看出，单位面积年采暖需求、单位面积年制冷需求、单位面积年一次能源总需求的能耗模拟的计算结果均比实际的运行数据要小，尤其是单位面积年采暖数据相差较大，以下详细分析其差异原因。

2 差异原因分析

2015年6月份为制冷机组、新风机组调试阶段，由于初期螺杆式冷水机组与热泵机组联合运行，建筑冷负荷偏小，导致机组运行效率极低，制冷能耗偏大;经调试，将系统切换，夏季仅采用热泵机组制冷，7月份制冷能耗、新风能耗均为正常监测状态。

(6月份新风系统能耗未计入监测平台，但6月仅半月时间为制冷期，其能耗远小于10月份，因此在新风总能耗中不再附加6月份新风能耗);为保证室内通风换气，置换室内装饰装修及办公用具挥发的污染物，10月份新风机仍保持正常开启。此能耗监测期间，夏季热泵机组运行时间为6:30～22:50共16.3h，新风机组运行时间为6:20～22:50共16.5h;冬季热泵机组运行时间为6:30～21:00共14.5h，新风机组运行时间为6:20～21:00共14.7h。而正常运行时间应为：热泵机组8:00～17:00共9小时，新风机组8:00～17:30共9.5h。模拟与实测能耗对比见表8。

表8 实测能耗与模拟能耗对比

由表8可见：

(1)制冷实际运行时间是模拟预测时间的1.60倍，而能耗比为1.33，原因分析：① 实际运行时间超出预测时间;② 超出的时间段全部为非正常上班期间，设备末端开启率较低，故与时间不成正比。

(2)新风系统运行时间是模拟预测时间的1.19倍，能耗比为1.35，原因分析：①新风系统运行时间大于预测时间;② 为降低室内装修、办公设备挥发的污染物，监测期间通风系统在开启时间段全功率运行，未启动自控装置，使通风能耗增加较多。

(3)照明设备能耗运行时间无法精确统计，从运行状况来看，实际运行时间应大于模拟预测时间，但能耗比仅为0.78。原因分析：① 规范提供的人员密度大于实际使用人员密度(实际运行的设备数量减小);② 规范提供的设备功率密度值与目前的节能设备相比数值偏大。

(4)采暖实际运行能耗远大于模拟预测值，造成此类现象的原因：① 空调系统实际运行时间大于预测值;② 通风系统运行时间大于预测值，由新风造成的热负荷增加了采暖能耗;③ 照明设备能耗小于预测值，照明设备散热减少;④ 人员密度小于预测值，建筑内部人体散热减少;

综述，由于受多重因素影响，建筑物内的各个系统无法按照理论模式运行，会造成模拟预测与实际运行的偏差。但从分析来看模拟预测能耗与实际运行存在必然的关系，而且随着模拟预测参数与实际运行条件的接近，模拟预测会更加准确。通过控制能耗模拟预测能耗，能够达到控制实际能耗的目的。

河北省建筑科技研发中心办公楼夜景效果图

结束语

本文以实际工程为案例，介绍了寒冷地区被动式低能耗办公建筑能耗模拟计算数据与实际运行数据的对比分析，在能耗模拟参数设定合理准确并与实际吻合的情况下，能耗模拟结果与实际运行能耗差距在可接受的范围内，为能耗模拟软件在被动式低能耗建筑中的应用提供参考。

[作者：河北省建筑科学研究院