寒冷地区近零能耗建筑参数优化研究.pdf

第2 7 卷第1期2024年2 月扬州大学学报（自然科学版）Journal of Yangzhou University(Natural Science Edition)Vol.27 No.1Feb.2024寒冷地区近零能耗建筑参数优化研究宋错，段鹏飞，薛庆雯，陈京磊，谷妹，白鹏云（太原理工大学土木工程学院，太原0 30 0 2 4）摘要：针对寒冷地区近零能耗建筑的围护结构在夏季会增加室内制冷能耗的问题，提出在夏季和过渡季采用空调与自然通风系统相结合的节能方法，运用EnergyPlus软件模拟研究窗墙面积比、外窗太阳得热因数、窗户传热系数、外墙传热系数、外遮阳悬挑梁长度等5个参数对建筑能耗的影响，通过正交试验确定最优因素水平组合.研究结果显示，优化建筑与既有建筑相比，全年供暖制冷综合能耗可节约43.7%.关键词：近零能耗建筑；自然通风；建筑能耗中图分类号：TU831.3D0I:10.19411/j.1007-824x.2024.01.010文献标志码：A文章编号：10 0 7-8 2 4X(2024)01-0069-05建筑采暖、制冷和照明等需要大量能源，随着能源消耗问题日益突出，近零能耗建筑已成为国内外研究热点1.近零能耗建筑利用可再生能源减少能源消耗，同时采用高保温、高气密的围护结构和自然通风等被动式建筑设计以最大程度地降低能源需求，结合相应的主动技术措施以提高能源设备和系统的工作效率2.针对近零能耗建筑围护结构的性能，学者们进行了大量研究，如Liu等3对哈尔滨某近零能耗建筑进行了综合分析，将其围护结构关键参数作为模拟变量，计算冷负荷、热负荷、用电量和二氧化碳排放量，得到适用于严寒地区的最优节能参数；李晓萍等4以新疆地区建筑的围护结构为研究对象，以经济节能为优化目标，寻求最优设计参数；张帅等5 则采用热可视化方法分析严寒地区近零能耗建筑的地面和周边部分的传热情况，并以围护结构内表面温度和建筑下方土壤温度为评价参数，验证了节能保温效果。近零能耗建筑的核心技术之一是加强围护结构的保温性和气密性，在有效降低建筑供暖能耗的同时，也产生了夏季室内过热的问题.自然通风作为一种有效的节能方式，近年来在近零能耗建筑领域取得了一定的应用进展。杨华等6 以河北省石家庄市某被动式公共建筑为例，研究了过渡季全天不同时段自然通风对房间室温和建筑负荷的影响，结果表明自然通风不仅可以提供良好的室内空气环境，还能降低建筑能耗，与近零能耗建筑的可持续发展理念相契合.为了进一步改进围护结构的热工性能，解决夏季室内过热问题，减少制冷能耗，本文拟在夏季和过渡季引人自然通风，设计空调-自然通风系统，并采用正交试验，研究不同建筑参数对全年供暖和制冷能耗的影响，寻求最优设计参数组合，以最大程度降低建筑的供暖和制冷能耗。1近零能耗建筑模型设计1.1模型建立本文以太原市转型综合改革示范区某近零能耗建筑为研究对象，该办公建筑坐北朝南，层高3.6m，共4层，建筑面积共8 9 50 m，其中空调面积37 48.5m，窗墙面积比0.4，其标准层平面收稿日期：2 0 2 3-0 6-2 0.联系人，E-mail：d u a n p e n g f e i t y u t.e d u.c n,基金项目：山西省科技厅重点研发计划资助项目（2 0 19 0 3D321043）；山西省回国留学人员科研资助项目（2 0 2 2 0 7 7）。引文格式：宋错，段鹏飞，薛庆雯，等：寒冷地区近零能耗建筑参数优化研究J.扬州大学学报（自然科学版），2 0 2 4，2 7（1）：69-73.70图如图1（a)所示，包括会议室、办公区、休息室及卫生间等.采用SketchUp软件建立的商业办公建筑模型如图1(b）所示.(a)休息室1-1办公室扬州大学学报（自然科学版）(b)会议室第2 7 卷1-2办公室中庭1-3办公室1-10办公室1-4办公室1-5办公室1-6 办公室1-7 办公室1-8 办公室1-9 办公室图1某近零能耗建筑的标准层平面图(a)和建筑模型图(b)Fig.1 Standard floor plan(a)and building model diagram(b)of a near zero energy consumption building1.2参数设置根据近零能耗建筑技术标准GB/T51350一2 0 19 等相关标准规定，建筑模型的人员密度设置为3人m-，灯光设备负荷为8.5Wm，运行时间为每天8：0 0 一21：0 0.围护结构参数设置如表1所示.1.3空调-自然通风系统设置太原市属于寒冷地区，温带大陆性气候，夏季气温高、湿度大，春秋两季气候温和，平均气温12 15，且季风环流交替明显，风力资源丰富，适合自然通风。本文采用理想空调系统，在EnergyPlus软件中设置冬季制热时间为11月1日至次年3月31日，夏季和过渡季启用空调-自然通风系统，时间为4月1日至10 月31日，换气频率为2.5次h-1，室内温度为18 2 6.当室内超过2 6 且室外温度低于室内温度时，开窗通风；当室内低于18，或室内超过2 6 且室外温度高于室内温度时，则关窗并启动空调系统.利用这样的自然通风策略，可以调节室内温度，并降低对空调系统的需求7.所需的自然通风量V=Nta 十blT一T。十cu十d().式中，V为通风量，mh-；N为换气频率，次h-1；t 为通风时间，h；T 和T。分别为室内外温度，；为室外风速，ms-1；a,b,c,d 为相关系数.2近零能耗建筑参数优化2.1空空调-自然通风系统制冷能耗分析制冷能耗是反映建筑物能源利用效率和对环境影响程度的一项重要指标，本文采用EnergyPlus软件对近零能耗建筑进行模拟，分析采用空调-自然通风系统前后夏季和过渡季的制冷能耗降低效果8，具体情况如图2 所示.由图2 可知，6，7，8 月室外温度较高，建筑制冷能耗达到高峰，采用空调-自然通风系统后，可以有效缓解室内温度过高现象，制冷能耗分别减少了2 7%，2 4%和2 5%；在春秋过渡季，室外温度适宜，自然通风可以满足室内降温需求，减少空调系统的使用，采用空调-自然通风系统后，4，5，9，10 月的制冷能耗均减少了30%以上，最高达44%.以上结果表明，自然通风作为一种环保有效的制冷措施，能在寒冷地区的不同季节实现节能减排目标，具有良好的应用前景和推广价值。表1围护结构参数Tab.1Envelope structure parameters结构参数屋顶传热系数/（Wm-2K-1)外墙传热系数/(Wm-K-1)外窗传热系数/(Wm-K-1)外窗太阳得热因数地板及外挑楼板传热系数/(W m-2.K-1)窗墙面积比规定值0.100.300.150.300.701.200.200.600.240.400.200.50设置值0.150.301.200.450.300.40第1期2.2近零能耗建筑参数优化采用空调-自然通风系统，将机械通风与自然通风相结合，可以显著减少夏季近零能耗建筑的制冷能耗，但可能增加冬季的供暖能耗.为了优化围护结构的热工性能，结合相关文献9-11，本文以全年建筑总能耗为指标，采用EnergyPlus软件，研究窗墙面积比（因素A）、外窗太阳得热因数（solarheat gain coefficient，SH G C)（因素 B)、外遮阳悬挑梁长度(因素 C)、窗户传热系数(因素 D)和外墙传热系数(因素E)5个因素对近零能耗建筑全年总能耗的影响12 7.参考近零能耗建筑技术标准GB/T51350一2 0 19 的规定，对每个因素分别选取4个水平值，并用SPSS软件设计正交试验表.模拟试验中，在冬季和夏季分别打开和关闭外遮阳百叶以增减太阳辐射得热13，在不增减外窗数量的情况下，通过改变外窗面积调整窗墙面积比，试验结果如表2 所示.Tab.2 Orthogonal test results试验窗墙SHGC号面积比10.2020.2030.2040.2050.3060.3070.3080.3090.40100.40110.40120.40130.50140.50150.50160.50根据16 组正交试验的数据，计算每个因素各个水平值中平均值的最大值与最小值之差，采用极差分析法分析不同因素对试验结果的影响程度.各因素水平均值如图3所示.由图3可知，对于夏季105-A+Bi Ci+Di+E(M)/1009590F85F80|2341234123412341234(a)制冷能耗Fig.3Average energy consumption at each level under various factor states宋错等：寒冷地区近零能耗建筑参数优化研究5图2 建筑制冷能耗对比Fig.2 Comparison of building refrigerationenergy consumption表2 正交试验结果外遮阳悬挑外窗太阳得热因数梁长度/m/(W.m-2.K-1)0.451.000.480.750.520.500.550.250.450.250.480.500.520.750.551.000.450.500.480.250.521.000.550.750.450.750.481.000.520.250.550.507160r四设置自然通风50未设置自然通风4030201004外墙传热系数/(W.m-?.K-1)1.000.240.800.301.500.101.200.170.800.101.000.171.200.241.500.301.200.301.500.240.800.171.000.101.500.171.200.101.000.300.800.2485rA807570656012341234123412341234(b)供暖能耗图3各因素水平状态下能耗均值6月份制冷能耗供暖能耗/(MW h)/(MW h)/(MW h)71.9780.9378.1273.2184.9470.9688.6559.7190.5349.4885.2060.9881.9875.9480.9389.6387.087.1198.7482.9593.4167.6299.9463.8484.6885.5486.5975.16117.4449.48114.0642.96180-B+D+E7A:+B:-Ci+Di+E175170165160155150|2341234123412341234(c)总能耗89总能耗152.90151.33155.90148.36140.01146.18157.92170.56174.11181.69161.03163.78170.22161.75166.92157.021072制冷能耗,最优的水平组合为A,BiC,D4E2，各因素对建筑制冷能耗的影响顺序为ACBDE；对于冬季供暖能耗，最优的水平组合为A:B,C,DiEi，各因素对建筑供暖能耗的影响顺序为DCABE；对于全年总能耗，最优的水平组合为AB:C,DEi，各因素对建筑总能耗的影响顺序为ADECB.综上，全年总能耗最低的最优建筑能耗参数为：窗墙面积比0.3，外窗太阳得热因数0.52，窗户传热系数0.8 Wm-K-1，外墙传热系数0.1Wm-2K-1，外遮阳悬挑梁长度1m.2.3优化后建筑综合能耗将最优建筑能耗参数值应用于采用空调-自然通风系统的近零能耗建筑中，并使用EnergyPlus软件对比计算其与既有近零能耗建筑参数下的能耗值，得出既有建筑全年供暖能耗130 MWh，全年制冷能耗2 14MWh；优化建筑全年供暖能耗6 9 MWh，全年制冷能耗12 7 MWh.根据民用建筑绿色性能计算标准JGJ/T4492018，围护结构节能率=（1一)X100%，式中Ea和E,E.分别为优化建筑和既有建筑的全年供暖制冷综合能耗，MWh；供暖综合能耗和制冷综合能耗分别为E=S和 Ee-%，其中 Qu和 Q。分别为建筑全年供暖能耗和制冷能耗，MW h,通过模拟确扬州大学学报（自然科学版）第2 7 卷Ed定；0 1和0 2 为供暖和制冷系统综合效率折算权重，分别取1.6 和2.5.根据上述公式，计算既有建筑与优化建筑的综合能耗，结果如图4所示.既有建筑的供暖和制冷综合能耗分别为8 1和8 6 MWh，全年供暖制冷综合能耗为16 7 MWh；优化建筑的供暖和制冷综合能耗分别为43和51MWh，全年供暖制冷综合能耗为9 4MWh，优化后节能率约43.7%.优化建筑取得了显著的节能效果，一方面是因为优化建筑在夏季和过渡季开启自然通风，减少了对空调的需求，大大减小了冷负荷；另一方面是因为通过优化外墙传热系数、窗户传热系数、窗墙面积比等5个建筑参数，加强了保温性能，从而减小了冬季的热负荷.3结论本文采用空调-自然通风系统以降低建筑能耗，设计正交试验运用EnergyPlus软件模拟研究建筑参数对近零能耗建筑的能耗影响，得出如下结论：1）在过渡季节和夏季，通过采用空调-自然通风系统可以有效散热，缓解室内温度过高的问题，并减少制冷能耗；2）正交试验结果表明，不同建筑参数对全年工况下近零能耗建筑能耗的影响程度大小为：窗墙面积比窗户传热系数 外墙传热系数外遮阳悬挑梁长度 外窗太阳得热因数；3）寒冷地区近零能耗建筑各建筑参数的最优水平组合为：窗墙面积比为0.3，外窗太阳得热因数为0.52，外遮阳悬挑梁长度为1m，窗户传热系数为0.8 Wm-K-1，外墙传热系数为0.1Wm-K-1.相比既有建筑的综合能耗，优化后的近零能耗建筑节能率约为43.7%.参考文献：1（GAO Weilong,PENG Ying.Energy saving and emission reduction effects of urban digital economy:technologydividends 0r structural dividends?Jl.Environ Sci Pollut Res Int,2022,30(13):36851-36871.2徐伟，杨芯岩，张时聪中国近零能耗建筑发展关键问题及解决路径J建筑科学，2 0 18，34(12）：16 5-17 3.3LIU Chao,SUN Chunhai,LI Guangyuan,et al.Numerical simulation analyses on envelope structures of eco-20016012080400全年综合能耗制冷综合能耗供暖综合能耗图4既有建筑与优化建筑综合能耗对比Fig.4Comparison of comprehensive energy consumptionbetween existing building and optimized building既有建筑优化建筑第1期nomic passive buildings in severe cold region JJ.Buildings,2023,13(4):1098.4李晓萍，李宝伟，王国慧，等基于多目标优化的严寒地区近零能耗建筑适用技术研究J建筑节能，2 0 2 0，48(11):63-66,134.5张帅，宋德萱，杨丽。基于热可视化的近零能耗建筑地面保温构造研究2023,51(6):82-89.6杨华，曹磊，金风云.过渡季不同时段自然通风节能潜力分析J建筑节能，2 0 18，46（3）：8 9-9 2.7XUE Qingwen,WANG Zhaojun,CHEN Qingyan.Multi-objective optimization of building design for life cyclecost and COz emissionA case study of a low-energy residential building in a severe cold climate J.Build Simul,2022,15(1):83-98.8WANG Ran,LU Shilei,FENG Wei,et al.Tradeoff between heating energy demand in winter and indoor over-heating risk in summer constrained by building standards LJ.Build Simul,2020,14(4):987-1003.9ARRIAZU-RAMOS A,BES-RASTROLLO M,SANCHEZ-OSTIZ G A,et al.Building parameters that influ-ence overheating of apartment buildings in a temperate climate in Southern Europe LJJ.Build Env,2023,228:109899.10薛庆雯.严寒地区被动房能耗敏感性分析与热工性能参数优化研究D哈尔滨：哈尔滨工业大学，2 0 2 1.11窦宝月.近零能耗居住建筑能耗影响因素及预测模型研究D沈阳：沈阳建筑大学，2 0 18.12JIANG Zitao,KOBAYASHI T,YAMANAKA T,et al.Validity of Orifice equation and impact of buildingparameters on wind-induced natural ventilation rates with minute mean wind pressure difference JJ.Build Env,2022,219:109248.13XUE Peng,LI Qian,XIE Jingchao,et al.Optimization of window-to-wall ratio with sunshades in China lowlatitude region considering daylighting and energy saving requirements JJ.Appl Energ,2019,233-23462-70.宋等：寒冷地区近零能耗建筑参数优化研究73一以严寒地区为例J.建筑节能，Research on optimization of building parameters fornear zero energy consumption in cold regionsSONG Kai,DUAN Pengfei*,XUE Qingwen,CHEN Jinglei,GU Mei,BAI Pengyun(College of Civil Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China)Abstract:Aiming at the problem that the enclosure structure of near zero energy consuming build-ings in cold regions will increase the indoor cooling energy consumption in summer,a energy-savingmethod using air conditioning natural ventilation system in summer and transitional season isproposed.EnergyPlus software is used to simulate and study the effects of five parameters onbuilding energy consumption,such as window wall area ratio,solar heat gain factor of outerwindow,heat transfer coefficient of window,heat transfer coefficient of external wall and length ofcantilevered beam of outer shade,and the optimal combination of factors is determined by orthogo-nal experiments.The research results show that compared with existing buildings,the annualcomprehensive energy consumption of heating and cooling in the optimal building can be saved by43.7%.Keywords:near zero energy consumption buildings;natural ventilation;building energy consump-tion(责任编辑文采）