基于DeST-C的通风对办公建筑能耗影响的模拟分析

杨志伟，　于瑾， 李奎波， 王程

（沈阳建筑大学市政与环境工程学院，沈阳110168）

基于DeST-C的通风对办公建筑能耗影响的模拟分析

杨志伟，于瑾， 李奎波， 王程

（沈阳建筑大学市政与环境工程学院，沈阳110168）

以沈阳某高校办公楼为研究对象，利用DeST能耗模拟软件研究既有办公建筑围护结构热工性能，分析不同通风条件下办公建筑的能耗变化情况以及通风对建筑能耗的节能效果.结果表明：夜间通风比白天通风和不通风方案更节能，且高层节能效果较底层更明显，西、南朝向办公室节能效果较其他朝向更明显.因此，在夏季应加强高层和西、南朝向办公室的夜间通风，以减少建筑能耗.

热工性能；建筑能耗；节能效果；通风

0　引言

随着我国经济的发展和人民生活水平的提高，建筑用能将持续增长.据相关资料预测显示，到2020年我国建筑面积将突破600亿m2，而建筑能耗将达到10.9亿t标煤［1］.因此，有必要对建筑能耗尤其是公共建筑能耗进行研究，以确定建筑节能改造方法和途径，减少建筑能耗.

在节能改造过程中，建筑能耗分析为节能改造工作提供了重要理论依据和数据支持.国内不少学者利用能耗分析软件对建筑能耗进行了模拟计算［2-6］.其中，姜玉双［4］在分析沈阳地区办公建筑能耗分析中，研究了空调季夜间通风对建筑能耗的影响，指出沈阳地区增加夜间通风对建筑能耗有利.除此之外，针对自然通风方法、换气次数及最佳通风时段对建筑能耗进行了分析［7-9］，研究了自然通风对室内空气温度场和速度场的影响［10］，且利用流体模拟软件模拟了自然通风在不同建筑布局时的通风效果［11］.

然而，在节能改造中不仅需要清楚自然通风对整体建筑的节能效果，还要了解建筑各楼层和各朝向的房间在不同通风情况下的节能情况，以便提出更加合理的改造措施.本文主要从建筑不同楼层和不同朝向两方面研究了通风条件下房间的能耗变化情况，并比较了不同楼层和不同朝向房间在不同通风方案中的节能效果，给出合理的建议.

1　能耗分析方法

本研究通过DeST软件建立模型，并根据相关设计参数利用DeST软件对建筑冷热负荷进行了模拟.DeST［12］采用了建立建筑热过程的动态模型的方法，全面考虑了建筑围护结构和物体的蓄热与放热，包括房间各围护内表面之间的长波辐射换热以及空气的对流换热，其中运用了房间热平衡法［13］等，通过计算机作全年8760小时或某一期间的逐时模拟，得出建筑全年或某一期间的能耗.相反，由于静态模拟计算方法（如度日法、当量满负荷运行时间法和负荷频率表法等）忽略了日照得热和围护结构蓄热的影响，只将冷热负荷和室外温度考虑成线性关系.因此，动态模型的方法与简化的静态模拟计算方法相比，DeST采用的模拟方法更精确.

根据热房间平衡模型［13］可知，建筑房间k的室温计算式如下：

其中：

tk（τ）、tj（τ）——第k、j房间当前时刻的室温；

tbzk（τ）——不计当前时刻空调、白然通风、邻室通风、邻室传热的影响时，房间k的室温；

Φj，0，k——房间j对房间k当前时刻的室温的影响系数；

qhvac，k（τ）——当前时刻投入房间k的空调热量（或冷量）；

Φhvac，k——空调对房间k当前时刻的室温的影响系数；

Gout，k（τ）——当前时刻的室外通风量；

tout（τ）——当前时刻的室外温度；

Gjk（τ）——从第j个邻室到房间k的通风量.

2　建筑概况及参数设置

本建筑是沈阳市某高校办公楼，该办公建筑共有6层，其中地上5层，地下1层，建筑高度为18m，标准层高为3.6 m，建筑面积为13932 m2，南北朝向.建筑平面图和卫星图如图1所示.

图1　办公楼建筑卫星图

根据该建筑的设计要求，查得公共建筑围护结构热工参数如表1所示，利用DeST软件进行能耗分析时按照表1进行模拟计算.

该办公建筑冬季和夏季的设计温湿度、新风量及换气次数可根据设计要求进行设置，照明、设备功率密度指标和人均占有使用面积指标可根据建筑照明设计规范［14］和实用供热空调设计手册［15］查得，如表2所示.

表1　围护结构材料及传热系数

表2　办公楼室内设计参数

根据该办公建筑的地理位置，沈阳年平均气温为6.2～9.7℃，属于严寒B区.在进行模拟计算时采用能耗分析用典型年逐时气象参数，如图2所示.

图2　沈阳市各月逐时干球温度

3　模型建立及结果分析

3.1模型建立

根据建筑各层平面图和各层门窗尺寸建立DeST模型，图3为DeST建立的整体建筑立体图.

图3　建筑模型图

3.2模拟方案设定

为了研究不同通风条件下，建筑能耗的变化情况和各种通风方案的节能效果，根据窗户的开启情况拟定了3种通风方案，如表3所示.由于沈阳属于严寒B区，在冬季窗户一般处于关闭状态，而在夏季开窗通风.根据洪艳峰等关于自然通风换气次数的研究，设定门窗关闭时通风换气次数为0.5次/h，门窗开启时通风换气次数为8次/h.白天通风时间为8:00～18:00，夜间通风时间为18:00～8:00.

表3　不同通风方案设置

为了更好地分析不同朝向房间在不同方案下的能耗情况和节能效果，从办公建筑中抽取了各朝向的典型办公室进行分析，办公室编号如表4所示，其中第1层东向为展厅，与大堂相连，故将其忽略.

表4　典型房间编号

3.3自然室温对比分析

自然室温是建筑物没有采暖空调系统时，室外气象条件和室内热扰动所引起的室内空气温度，它反映了建筑围护结构对外界气候和建筑使用条件的综合调节作用，决定了建筑是否需采暖空调系统.采用DeST-C软件对办公建筑的自然室温进行了模拟，通过对比3种方案的自然室温分布情况，分析通风对建筑典型办公室自然室温的影响，模拟结果如图4～图6所示.

图4　方案1典型办公室自然室温分布

根据图4可知，在没有通风条件下，各典型房间的自然室温全年大部分时间分布在低于16℃和高于29℃的范围，说明该办公建筑至少半年的时间需要供暖制冷.其中，自然室温出现超过35℃的办公室主要集中西向办公室，其小时数明显多于其他朝向.因此，西向办公室调节性差，是节能改造的首选对象.

根据图5可以明显看出，各典型办公室自然室温主要分布在低于16℃和22～29℃的范围，西向典型房间自然室温少部分时间超过35℃.与图4相比可知，通风条件下各房间自然室温超过29℃的小时数减少，而分布在16～29℃的小时数增加，其中处在22～29℃范围内的小时数增加幅度明显，这主要是由于通风能明显改善房间的自然室温，缓解自然室温出现高温.

对比图4和图6可以看出，各典型房间超过29℃的小时数明显减少，而在16～29℃的小时数有所增加，其中22～29℃范围内的小时数增加显著；与图5相比，各房间处于22～35℃范围内的小时数有所增加，而西向房间自然室温超过35℃的小时数出现小幅度减少，这主要是由于白天通风对室温的影响没有夜间通风效果明显.

3.4建筑冷、热负荷对比分析

根据设定的参数，利用DeST-C对该办公建筑的全年逐时冷、热负荷进行模拟，方案1的模拟结果如图7所示，3种方案的能耗模拟结果如表6所示.

图5　方案2典型办公室自然室温分布

图6　方案3典型办公室自然室温分布

图7　方案1的建筑全年负荷

在图7中，建筑负荷为正值时表示热负荷，负值时表示冷负荷。由图7可知，在没有任何通风时冬季最大热负荷为1313.02 kW，夏季最大冷负荷为1082.17 kW；全年累计热负荷为901532.77W，全年累计冷负荷为330781.60 kW.由此可知，该办公楼在没有通风情况下热负荷远大于冷负荷，若以地下水作为冷热源，利用水源热泵为建筑制冷供热，由于全年冷热负荷不平衡，容易引起地下水水温逐年下降，使得水源热泵机组的运行效率降低.因此，在对该办公建筑进行节能改造时，提高水源热泵机组效率十分必要.

由于沈阳地区冬季寒冷，外窗一般处于关闭状态，不考虑冬季通风对热负荷的影响，因此从表5可以看出办公楼冬季全年累计热负荷变化较小，而在夏季可通过开窗增大自然通风，从而减少建筑能耗，在表5中可看出冷负荷变化较大.为了更好地分析各方案的节能情况时，以不通风时的建筑负荷为基准值，分别计算通风时两种方案的冷负荷减小值和节能比，结果如下表6所示.

表5　3种方案冷、热负荷对比

表6　通风时节能效果比较

由表6可知，方案3与方案1相比，白天通风不但不节能，而且增加了建筑全年累计冷负荷和全年总负荷，增加幅度分别为49.59%和13.51%.方案2表明，全年累计冷负荷和全年总负荷有所减少，其中全年累计冷负荷节能比达到7.57%，空调季冷负荷指标节能比为8.19%，全年总负荷节能比为1.98%.为进一步分析夜间通风对建筑冷负荷的影响，现对建筑每一层总冷负荷和典型房间的负荷进行分析，分析结果如下图8、图9所示.

图8　各层累计冷负荷指标图

图9　各层平均冷负荷指标

根据图8可知，不通风（方案1）时的各层空调季累计冷负荷指标和空调季平均冷负荷指标均高于夜间通风（方案2）时的指标，这表明夜间通风能明显减少建筑各层的冷负荷，通过夜间通风能达到节能的目的，各层总负荷和各朝向典型房间的节能比如下图10、图11所示.

从图10可以看出，空调季累计冷负荷指标和空调平均冷负荷指标的节能比随着楼层的增加而增大，当到达第五楼层时节能比反而减小，通风产生的节能效果减弱，主要由于顶层屋顶的传热系数过大，影响了建筑的节能效果.从图11可以看出，通风条件下东向房间节能效果最差，对于西向和东向房间，通风节能效果最好的均出现在第4层，而对于南向房间效果最好的是第3层房间.

图10　各层总负荷节能比

图11　各朝向典型房间节能比

4　结论

本文采用DeST软件对办公建筑进行了全年能耗分析，对比分析了建筑围护结构的热工性能，并讨论了不同通风条件下的建筑自然室温、能耗变化情况和节能效果，主要得到以下结论和建议：

1）通过将办公建筑围护结构热工性能与现有公共建筑节能标准相比，发现该仍有一定差距，有待进一步节能改造，改造的对象主要包括该办公建筑外墙、屋顶及东、西朝向外窗.

2）在夏季室内外温差小时，应加强建筑夜间通风，尤其是高层（除顶层）的办公室，夜间通风对建筑能耗的节能效果较底层更明显；同时，加强西、南向办公室的夜间通风，其节能效果较其他朝向更明显.

3）夏季加强夜间通风是减少建筑能耗的重要手段之一，但在节能改造过程中，更注重多种节能措施的综合使用所带来的节能效果.因此，在未来研究中，还需对建筑围护结构和空调系统的节能改造技术作进一步分析研究.

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［14］GB50034-2013，建筑照明设计标准［S］.

［15］陆耀庆.实用供热空调设计手册［M］.北京：中国建筑工业出版社，2008.

Numerical simulation research on the effects of ventilation on office building energy consumption based on DeST-C

YANG Zhiwei，YU Jin，LIKuibo，WANG Cheng

（School of Municipal and Environmental Engineering，Shenyang Jianzhu University，Shenyang 110168，China）

Taking the office buildings of a college in Shenyang as the research object，the research analyzes the thermal performance of existing office building envelope，energy consumption change and energy-saving effect under different ventilations by applying DeST energy consumption simulation software.The results show that night ventilation ismore energy-efficient than day ventilation and non-ventilation；energy-saving effect of high layer ismore energy-efficient than that of low layer；energy-saving effect of office towards south and west is more energy-efficient than those of the other orientations.Therefore，strengthened ventilation in summer for high layer and offices towards south and west can effectively reduce building energy consumption.

thermal performance；building energy consumption；energy-saving effect；ventilation

TU834.3+5

A

2095-3046（2015）05-0067-07

10.13265/j.cnki.jxlgdxxb.2015.05.012

2015-04-22

国家十二五科技支撑计划项目（2014BAJ01B04）；国家外专局2015年度科教文卫引智项目（W20152100010）

杨志伟（1990-），男，硕士研究生，主要从事建筑节能和污染控制技术等方面的研究，E-mail:xiaoyangjust@163.com.

于瑾（1957-），男，教授，主要从事建筑节能和污染控制技术等方面研究，E-mail:13840079900@163.com.