基于EnergyPlus的被动式超低能耗建筑能耗模拟分析

周文倩 李祥立 王群鹤

大连理工大学建设工程学部

鉴于日益严峻的能源形势，世界各国逐步开启了节能减排计划。1988年，瑞典的Bo Adamson和德国Feist想设计一种不需要“采暖空调主动供冷热”的房屋，称为“被动房”[1]，此后完成了一整套被动式建筑技术和施工规范的工作。被动房作为实现超低能耗建筑的一种有效途径，现已在多个国家被推广实施。位于德国海德堡市中心的海德堡铁路城，是目前世界上最大的被动房建设项目[2]。清华大学环境能源楼、新疆的“幸福堡”综合楼等项目是国内在被动式技术上的初步探索。

本文选择济南市为研究地点，参照不同的标准计算建筑能耗，以EnergyPlus全能耗分析软件为主要技术手段，分析不同节能标准下建筑的节能率。

1 建筑模型信息

1.1 建筑概况

本文选取的二层别墅位于济南市长清区，南北朝向，建筑高度为9.88 m，总建筑面积为288 m2。别墅内常住人口为5人。该建筑属于居住建筑，主要房间设置有：厨房、餐厅、客厅、起居室、卧室、卫生间、车库。建筑平面图如图1、图2所示。

图1 一层平面图

图2 二层平面图

1.2 建筑围护结构

模拟建筑的围护结构主要包含有地面、外墙、外窗等构件。在本文所选的建筑中，外门只存在门厅处，其面积占比相对于其他构件来讲很小，所以不列入考虑。模拟建筑的主要外围护结构热工参数参照山东省的《被动式超低能耗居住建筑节能设计标准》DB37/T 5074-2016[3]（以下简称《标准》一）和山东省《居住建筑节能设计标准》DB37/5026-2014[4]以下简称《标准》二）分别选取。在软件EnergyPlus的dataset里为用户提供了材料库，包括墙体以及窗户的构造材料，也含有特定传热系数的构件模板。用户既能够按照工程实际情况自行定义材料的导热系数，厚度，比热来构造需要的材料供围护结构选用，也可以直接选定系统预先设定的模板。本研究的外窗采取系统模板，定义《标准》一和《标准》二的传热系数分别为1.0 W/（m2·K）和1.5 W/（m2·K），围护结构的主要热工性能参数见表1，窗墙比见表2。

表1 别墅外围护结构传热系数设定值

表2 窗墙比

1.3 室外设计参数

研究对象位于山东省济南市，寒冷地区，室外设计参数按照EnergyPlus气象数据库选取，来源为CSWD，如表3所示。

表3 室外设计参数

1.4 室内环境控制参数

室内温湿度控制的高低直接影响了建筑能耗的大小，本着节能的原则，夏季室内温度不宜过低，冬季室内温度不宜过高，具体设置如表4。

表4 室内环境参数

1.5 室内热扰及作息安排

1）人员设置。建筑内主要有5名成员，为方便软件参数设置，假设各个房间人员活动规律一致，根据EnergyPlus软件的Documents文件查得室内人员活动功率为70 W/m2，且待在室内时间取6 h/天。

2）通风设置。依据《标准》一规定，以满足每人每小时30立方米新风量为原则，室内通风作息与人员作息设置相同。研究对象的暖通空调系统采用定风量系统，在系统中添加新风热回收装置，并且采用全热回收的形式，热回收率为65%。同时，保证建筑良好的气密性，规定空气渗透换气次数为0.042 h-1。

3）照明及用电设备设置。根据《标准》一规定，建筑冷热负荷计算过程中，照明功率密度统一取值5 W/m2，家电功率密度统一取值8 W/m2。照明和用电设备的作息分为两种：卫生间、走廊、楼梯间设置为2 h/天，其余房间设置为6 h/天。

4）为避免太阳辐射造成的夏季供冷能耗增加，建筑的外窗设置这样构件。选择内置百叶式遮阳方式，室内人员可按照不同需求对其进行手动调节。

2 能耗模拟

本文采用EnergyPlus软件进行建筑能耗模拟，EnergyPlus主要用于建筑能量特性模拟与负荷计算，它吸收了DOE-2和BLAST两个软件的优点，并具备很多新的功能[5]。

2.1 能耗模拟时间

模拟时间为全年，8760 h，参照《标准》一确定供暖期和供冷期。

1）供暖时间设置。除车库以外，各房间保证在11月13日至次年3月14日的供暖期期间室内温度在20℃以上，室内相对湿度在30%以上，累计供暖天数122 d。采取间歇供暖方式，间歇供暖时间为5:00～13:00，17:00～ 次日 1:00。

2）供冷时间设置。除车库以外，各房间保证在5月2日至9月24日之间室内温度在26℃以下，同时室内相对湿度在60%以下，累计供冷天数146 d。供冷策略分为厅室与卧室两种。其中，厅室供冷时间设置为周一至周五7:00～8:00，16:00～22:00，而周六周日8:00～24:00。卧室供冷时间设置为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中构件EnergyPlus模拟运行所需要的几何模型，本文的建筑模型如图3所示。

图3 建筑能耗模型

2.3 能耗模拟结果

按照上述室内外计算参数、模拟时间等基本设置用EnergyPlus对建筑进行模拟计算，得到的负荷计算结果和建筑能耗模拟结果如下。

1）被动式超低能耗建筑各个热区的设计冷负荷和设计热负荷如表5所示，根据表格计算冷负荷指标和热负荷指标分别为19.41 W/m2和13.71 W/m2。《标准》一中未给出房屋单位面积的负荷控制指标，参考河北省《被动式低能耗居住建筑节能设计标准》DB 13(J)/T177-2015[6]。该《标准》规定采暖负荷指标不大于10 W/m2，最大制冷负荷指标不大于20 W/m2。由此可见，本文计算结果与该标准规定值较为接近。

表5 被动式超低能耗建筑设计冷热负荷

2）被动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别为0.14 kWh/m2和24.86 kWh/m2，符合《标准》一规定。图4显示了分项能耗占总能耗的百分比，采暖空调能耗约占总能耗的50%。

表6 全年建筑能耗

图4 分项能耗对比

表7 计算结果比较

3）被动式超低能耗建筑与山东省现行节能标准下的居住建筑相比，热区的负荷值与耗能量均有降低，通过比较可得节能率约为35%，具体结果见表7。

2.4 模拟结果分析

1）由模拟结果可知，单位面积建筑年累计耗热量为0.14 kWh/m2，计算值远远小于《被动式超低能耗居住建筑节能设计标准》中规定的“不大于10 kWh/m2”。热负荷主要来自于围护结构和室外新风，而被动式建筑围护结构的传热系数一般都不大，所以这说明了新风热回收在降低建筑能耗方面效果显著，建议新建节能建筑加强对热回收技术的使用。

2）夏季的能耗相较于冬季能耗来说，明显偏大。一方面是因为济南市供冷季时间过长，所以适当缩短供冷天数，加强对通风技术的应用对降低夏季能耗可以有所帮助。由于建筑通过围护结构传热量很小，说明室内热扰在建筑负荷中具有重要的影响，由图4可以看出照明和用电设备在建筑能耗中所占比例较大，建议新建建筑设计时采用光导管、设置自动可调百叶遮阳等技术减少室内照明能耗。用电设备在不使用时关闭电源，减少耗能量。

3）从上世纪80年代至今，节能率从最初的30%提升到现如今的75%，这说明建筑节能技术在不断改进。通过本文被动式建筑和现行节能居住建筑的比较，可以看出暖通空调在建筑节能领域发展潜力巨大，所以加强对暖通空调系统的优化改进对建筑节能的进一步发展具有重要的意义。

3 结论及展望

本文通过借助EnergyPlus能耗模拟软件对济南市某二层别墅的能耗进行能耗模拟，并对计算结果进行了分析，可得结论如下。

1）建筑能耗模拟结果符合《被动式超低能耗居住建筑节能设计标准》中的规定值，对该标准中的围护结构、气密性、热回收技术等相关条例的规定进行了很好的验证。其中，热回收技术对降低建筑负荷作用较明显。

2）室内热扰（如：照明，用电设备）对夏季负荷影响较大，可通过被动式技术来降低夏季能耗，同时也要增强室内人员的节能意识，养成良好的用电习惯。

3）被动式超低能耗建筑相对于山东省现行的节能居住建筑节能率达35%，即暖通空调系统的优化设计对提升建筑节能率大有帮助。

建筑节能技术会随着世界能源危机的加剧发展得越来越快，而我国建筑节能相对于欧美发达国家来说起步较晚。本文中的《被动式超低能耗居住建筑节能设计标准》是山东省发布的适用于山东省新建、扩建居住建筑的节能设计，而我国有34个省、市、自治区，五大气候区，不同省份或不同气候区对建筑节能技术的要求也有所不同，所以加强对中国各地节能技术的研究并编写适用性技术标准的任务任重而道远。