建筑节能设计中的办公楼能耗模拟与分析

2021-09-18张建飞马金良丛满义

成组技术与生产现代化 2021年2期

张建飞，马金良，丛满义，杜旭

(机械工业第六设计研究院有限公司数字化工程院，河南郑州450007)

随着城市化进程的不断加快，我国已经成为全球第二大能源消耗国，建筑能耗在社会能耗中占很大部分，根据相关数据统计，大型公共建筑面积虽然只占城镇建筑总面积的5%～7%，但是其能耗却占全国建筑总能耗的20%～25%[1-3]，因此对公共建筑能耗情况进行研究意义重大。根据建筑能耗特性，可将办公建筑用能系统分为空调系统、照明插座系统、动力系统、特殊用电系统等[4-5]。其中，空调系统主要包括制冷机组、冷冻水泵、冷却水泵、空调末端、新风系统等；照明插座系统包括公共区域、办公区域照明和其他形式用电的办公设备等；动力系统包括电梯、水泵、通风机等；特殊用电系统主要指建筑内餐厅、信息机房的用电设备[6]。

能耗模拟是分析建筑节能潜力的有效手段，可用于节能措施的定量分析，它不仅能指导节能改造工作，还可为新建建筑提供参考[7]。本文将采用Design Builder软件[8-10]模拟计算西安市某办公楼符合现行公共建筑节能设计要求的节能率，以指导建筑节能设计。

1 建筑概况

本文选取的西安市某办公楼位于西安高新技术产业开发区，建筑面积为6 270.78 m2，建筑高度为13.60 m，地上主体为2层、局部为3层；建筑空调冷热源采用水源热泵空调机组，夏季制冷的供回水温度为7 ℃/12 ℃，冬季供热的供回水温度为45 ℃/40 ℃；空调机组的末端是风机盘管加新风系统，新风机组采用全热新风交换器。其运行模式依据公共建筑节能设计标准[11]确定。该办公楼的一、二层建筑高度为5.0 m，局部三层建筑高度为3.6 m，体形系数为0.21。西安市某办公楼的建筑物几何模型如图1所示。

图1 西安市某办公楼的建筑物几何模型

2 建筑设计相关参数

采用Design Builder软件进行模拟计算时，需依据建筑所在地的室外气象参数，设置建筑围护结构热工参数、室内设计参数(如温湿度、新风量、人员密度、电器功率)、照明系统和空调系统的设计参数等。模拟对象为参照建筑和设计建筑。参照建筑采用公共建筑节能设计标准中要求的限值，设计建筑采用实际设计参数。

2.1 气象数据

气象数据来源于清华大学和中国气象局的数据库，是国内的实测数据。某办公楼所在地典型气象年的气象数据如图2所示。

图2 典型气象年的气象数据

2.2 围护结构热工参数和室内设计参数

参照建筑和设计建筑的围护结构热工参数见表1—表3。参照建筑和设计建筑的室内设计参数如表4所示。

表1 幕墙、屋顶透明部分的传热系数和遮阳参数

表2 屋面、外墙的传热系数 W/(m2·K)

表3 地面、地下室外墙的热阻 m2·K/W

表4 室内设计参数

2.3 照明系统和采暖空调系统设计参数

建筑照明系统的设计参数如表5所示。它包括建筑主要功能房间照明功率的现行值和设计值。建筑工作制(图3)依据公共建筑节能设计标准确定。

表5 建筑照明系统的设计参数 W/m2

(a) 照明逐时开启率柱状图

(b) 人员逐时在室率柱状图图3 建筑工作制

参照建筑水源热泵制冷量为479.0 kW，制冷系数为4.10，制热量为460.2 kW，制热系数为4.10；设计建筑水源热泵制冷量为479.0 kW，制冷系数为7.08；制热量为460.2 kW，制热系数为4.84。

3 建筑能耗模拟与分析

通过建筑能耗模拟，参照建筑照明系统全年累计能耗为176 465.93 kWh；合理降低照明功率后，设计建筑照明系统全年累计能耗为127 957.01 kWh，比参照建筑照明系统全年累计能耗降低了27.49%。

通过提高围护结构的保温性能，降低墙体、门窗、屋面的传热系数，采用变频水泵、变频风机，提高热泵机组的制热制冷系数，将排风热回收技术用于新风系统等，参照建筑采暖空调系统全年累计能耗为572 453.47 kWh，设计建筑采暖空调系统全年累计能耗为279 352.10 kWh。相比参照建筑，设计建筑采暖空调系统全年累计能耗降低了51.20 %。建筑采暖空调系统逐月能耗如图4所示。