基于PKPM-CES 软件的湖南省典型居住建筑能耗及碳排放指标研究

2023-09-27王佳员朱峰磊李娟刘平平李杏裴尚慧

重庆建筑 2023年9期

王佳员，朱峰磊，李娟，刘平平，李杏，裴尚慧

（1 中国建筑科学研究院有限公司，北京 100013；2 成都城市天地工程设计咨询有限责任公司，四川成都 610000）

0 引言

《建筑节能与可再生能源利用通用规范》GB50155—2021（以下简称“通用规范”）实施后，湖南全省范围内新建、改建、扩建及既有建筑节能改造项目都应依据通用规范进行设计、审查，《通用规范》的发布对湖南节能设计产生了较大影响，主要体现在建筑节能设计新增建筑碳排放进行计算的要求，且需考虑建筑减碳效果。本文旨在通用规范的要求下，采用中国建研院北京构力科技有限公司开发的PKPM-CES 软件分析湖南省14 个城市典型居住建筑碳排放和能耗指标水平，为全省制定新的节能标准及地方节能政策提供参考依据。

1 分析工具介绍

本文分析工具采用中国建研院北京构力科技有限公司的PKPMCES 软件，该款软件支持Doe 及IBE 内核计算建筑能耗及碳排放量，软件中内置了《湖南省居住建筑节能设计标准》《湖南省公共建筑节能设计标准》以及《建筑节能与可再生能源利用通用规范》GB55015—2021 和《建筑碳排放计算标准》GB/T 51366—2019 等标准，其中建筑全生命周期的碳排放的计算方法依据的是《建筑碳排放计算标准》GB/T 51366—2019。该款分析软件是目前市场上常见的能耗及碳排放计算软件，因此本文研究内容中能耗及碳排放量计算采用PKPM-CES 软件。

2 分析模型建立

利用PKPM-CES 软件对设计建筑的能耗及碳排放强度进行计算分析，分析模型选取了6 层板式住宅建筑，建筑面积3335.64 m2，结构形式为剪力墙结构，地上层数为6 层，建筑总高度21.90 m，建筑朝向为南北向，体形系数0.28，南向窗墙比为0.49，东向窗墙比为0.12，西向窗墙比0.12，北向窗墙比为0.20。设计建筑屋面保温材料采用80 mm 厚挤塑聚苯乙烯泡沫板，外墙保温材料采用40 mm 厚无饰面复合岩棉板，外窗采用隔热金属型材和塑料型材，其整窗传热系数分别为2.80W/(m2·K)和2.00 W/(m2·K)。

图1 PKPM-CES 分析模型

3 分析条件

选取湖南14 个城市，分别为长沙、常德、郴州、衡阳、怀化、娄底、邵阳、湘潭、湘西、益阳、永州、岳阳、张家界、株洲。设计建筑围护结构热工参数取值满足《建筑节能与可再生能源利用通用规范》GB55015—2021 的要求[1]，参照建筑围护结构热工参数取值的取值依据《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》JGJ 134—2010[2]。建筑非透光围护结构热工取值详细情况见表1。

表1 建筑非透光围护结构热工取值

设计建筑及参照建筑的外窗传热系数取值见表2。建筑模拟采用的节能气象数据来自于《建筑节能气象参数标准》JGJT346—2014[3]，计算温度室内冬季取18 ℃，夏季为26 ℃，换气次数1 次/h。设计建筑的耗电量计算依据《通用规范》附录C.0.7，其中建筑供暖耗电量按照全年统计，供冷耗电量只计入日平均温度高于26 ℃时的能耗。建筑的空气调节和供暖系统运行时间、室内温度、照明功率密度值及开关时间、房间人均占有的建筑面积及在室率、人员新风量及新风机组运行时间表、电器设备功率密度及使用率按《通用规范》C.0.6-1 至表C.0.6-13 进行确定。参照建筑按《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》JGJ 134—2010 中5.0.6 条，制冷时额定能效比应取2.3，采暖时额定能效比应取1.9；设计建筑夏季供冷系统综合性能系数按《通用规范》公式C.0.7-2 取3.6，冬季供暖系统综合性能系数按《通用规范》公式C.0.7-5 取2.6。

表2 建筑外窗传热系数取值

4 计算原理

采用PKPM-CES 软件对建筑能耗进行计算，内核能耗计算的方法为反应系数法。反应系数法是先计算围护结构内外表面温度和热流对一个单位三角波温度扰量的反应，计算出围护结构的吸热、放热和传热反应系数，然后将任意变化的室外温度分解成一个个可叠加的三角波，利用导热微分方程可叠加的性质，将围护结构对每个温度三角波的反应叠加起来，得到任一时刻围护结构表面的温度和热流。在反应系数已知后就可利用下式计算任意n 时刻，从室外通过板壁围护结构向室内的传热得热量qn[4]。

其中，tz,n-j为第（n-j）时刻室外综合温度；tr,n-j为第（n-j）时刻室内温度，Yj,zj为反应系数。DOE 2.1 内核采用的是一种正向思维，根据室外气象条件、围护结构情况，计算出室内温度以及室内得热量。对要控制室内热环境的房间，由选定的供暖空调系统根据室内负荷情况提供冷热量，以维持室温在允许的范围内波动。软件的计算过程是一个动态平衡的过程，后一时刻室内温度、冷热负荷以及供暖空调设备的耗电量要受前一时刻的影响。

5 结果与分析

通过对14 个城市的计算，得出各城市供暖空调能耗结果，计算结果见表3。

表3 设计建筑供暖空调能耗

从计算结果来看，14 个城市中郴州的空调能耗最高，通过对《建筑节能气象标准》JGJ/T346—2014 进行气象数据处理，得到郴州日平均温度超过26 ℃的天数为104 天，长沙为75 天，常德为76 天，邵阳为78 天，湘潭为75 天，岳阳为87 天，湘西为36天，衡阳为96 天，怀化为75 天，益阳为78 天，永州为102 天，张家界为65 天，株洲为75 天。而娄底日平均温度均未超过26℃，所以计算空调能耗为0。日平均温度超过26 ℃的天数越多空调能耗也就越大，这与空调能耗计算结果保持一致。长沙、怀化供冷天数一样，但计算出来的供冷能耗不同，这是因为长沙的103 天供冷天数的日平均温度为29.96 ℃、怀化的供冷天数日平均为28.70 ℃，导致在相同的供冷天数下，长沙的空调能耗要高于怀化。湘潭、株洲的日平均温度超过26℃天数都为75 天，但计算出来的空调能耗也存在差异，主要原因为湘潭、株洲两地经纬度不同（图2）。

图2 湖南省14 个城市日平均超过26 ℃的天数

通过《建筑节能气象标准》JGJ/T346—2014 中娄底气象数据库处理分析可知（见图3），娄底全年日平均最高温度最高为25.104 ℃，分别在8 月15、8 月16 这两天。娄底全年温度小于18 ℃的小时数达到6167 h，多于其他城市，因此采暖能耗最高。湘西采暖小时数为5030 h，采暖小时数仅次娄底，体现在采暖能耗上也是同样的趋势。永州采暖小时数最少，为3971 h，因而采暖能耗最小。14 个城市采暖小时数如图4。