2.2 建筑模型构建
住宅建筑人员组成及时间表的随机性,常导致模拟结果的不准确,而办公建筑因其固定的时间表和相对稳定的能耗需求,能耗模拟结果相对准确.故本研究采用的建筑模型为一栋12层的办公建筑,建筑面积为19 200 m2,形体系数为0.124,窗墙比为0.4.建筑模型的其他参数设置依据《公共建筑节能设计标准》(GB 50189-2015)[23],表5为各热工设计分区建筑模型的详细参数.建筑模型中的冷热系统采用的是理想空调系统.空调系统由风机、冷热水及直接蒸发盘管、加湿器、转轮除湿装置、蒸发冷却装置、变风量末端装置、风机盘管等多个部件构成,各部件的模型输入复杂性各不相同.这些部件的前后都需设定一个节点,由模拟实际建筑管网的水或空气环路连接起来.这些连接起来的部件还可以与房间进行多环路的连接,因此可以用来模拟双空气环路的空调系统,如独立式新风系统.一些常用的空调系统类型和配置已做成模块,例如变风量空气系统、变风量空气系统热泵、辐射式供热和供冷系统、水环热泵、地源热泵等.
表5 建筑基本参数设置表
Tab.5 Setting table of basic building parameters
2.3 建筑能耗模拟
使用EnergyPlus软件进行各热工设计分区代表城市办公建筑的能耗模拟,哈尔滨、北京、合肥三个城市同时分析制冷与供暖能耗,乌鲁木齐地处严寒地区,制冷季较短,只分析供暖能耗; 海口位于夏热冬暖地区,供暖需求小,只分析制冷能耗.
计算建筑极端能耗气象年、极端气象年(EMY)、典型冷年(TCY)及典型热年(THY)能耗模拟值与30 a能耗极值(最大值、最小值)的比值为
R=e/E (8)
式中:R为比值; e为气象年各月能耗模拟结果; E为各月极值.
图2~图6为五个热工设计分区代表城市的能耗模拟结果的月值数据,使用公式(8),计算各气象年能耗模拟值与极值的比值,结果如下.
图2 哈尔滨能耗值
Fig.2 Energy consumption value in Harbin
图3 北京能耗模拟值
Fig.3 Energy consumption value in Beijing
图4 合肥能耗模拟值
Fig.4 Energy consumption value in Hefei
图5 海口能耗模拟值
Fig.5 Energy consumption value in Haikou
图6 乌鲁木齐能耗模拟值
Fig.6 Energy consumption value in Urumqi
图2为哈尔滨办公建筑制冷与供暖能耗的月值数据,由图可知,在6、7、8月制冷需求较大,在这几个月的制冷能耗的模拟结果中,建筑极端能耗气象年、TCY、EMY数据分别为最大值的94.6%、 88.1%、 83.7%,建筑极端能耗气象年、THY数据分别为最小值的107.9%、165%.在1、2、3、11、12月有较大的供暖能耗需求,在这几个月供暖能耗的模拟结果中,建筑极端能耗气象年、TCY、EMY数据分别为最大值的92.4%、81.9%、70.4%,建筑极端能耗气象年、THY数据分别为最小值的120.1%、167.5%.
图3为北京办公建筑制冷与供暖能耗的月值数据,由图可知,在5~9月制冷需求较大,在这几个月的制冷能耗的模拟结果中,建筑极端能耗气象年、TCY、EMY数据分别为最大值的94.3%、 87.1%、 76.2%,建筑极端能耗气象年、THY数据分别为最小值的105.8%、129.7%.在1、2、11、12月有较大的供暖能耗需求,在这几个月供暖能耗的模拟结果中,建筑极端能耗气象年、TCY、EMY数据分别为最大值的100%、70.2%、73%,建筑极端能耗气象年、THY数据分别为最小值的129%、179.5%.
图4为合肥办公建筑制冷与供暖能耗的月值数据,由图可知,在6~9月制冷需求较大,在这几个月的制冷能耗的模拟结果中,建筑极端能耗气象年、TCY、EMY数据分别为最大值的98.2%、91.6%、 86.5%,建筑极端能耗气象年、THY数据分别为最小值的101.8%、131.9%.在1、2、12月有较大的供暖能耗需求,在这几个月供暖能耗的模拟结果中,建筑极端能耗气象年、TCY、EMY数据分别为最大值的92.4%、92.7%、66.1%,建筑极端能耗气象年、THY数据分别为最小值的135.4%、200%.
图5为海口办公建筑制冷能耗的月值数据,由图可知,在3~11月制冷需求较大,在这几个月制冷能耗的模拟结果中,建筑极端能耗气象年、TCY、EMY数据分别为最大值的94.6%、84.9%、80.4%,建筑极端能耗气象年、THY数据为最小值的106.1%、119.3%.
图6为乌鲁木齐供暖能耗模拟结果,在1、2、11、12月有较大的供暖能耗需求,在供暖能耗的模拟结果中,建筑极端能耗气象年数据为最大值的93.1%,为最小值的122.5%; TCY数据为最大值的81.7%,THY数据为最小值的172.9%,EMY数据为最大值的69.4%.
通过分析哈尔滨、北京、合肥、海口、乌鲁木齐的模拟结果,在制冷能耗最大值的模拟中,建筑极端能耗气象年数据准确性相较于THY分别提升5.1%、29.2%、3.6%、6.7%,相较于EMY数据分别提升5.7%、27%、5.2%、11.2%,在制冷能耗最小值的模拟中,建筑极端能耗气象年数据准确性相较于TCY数据分别提升57%、50%、32%、13%; 在供暖能耗极大值的模拟中,建筑极端能耗气象年数据准确性相较于TCY数据分别提升10.5%、11.4%、-0.3%、9.1%相较于EMY数据分别提升22%、23.7%、27%、26.5%; 在对供暖能耗极小值的模拟中,建筑极端能耗气象年数据准确性相较于THY数据分别提升46.6%、50.4%、50.5%、64.6%.结果表明,建筑极端能耗气象年数据是使用动态阈值计算多参数的极端强度和出现时长,综合评价各参数超过阈值的时长和强度的得分进行选取的,相较与EMY、THY及TCY数据,对建筑能耗极值的模拟的准确性均有显著的改进,能够模拟出极端天气下建筑的极值能耗,其中对极大值的模拟更为准确.
2.4 TMY与建筑极端能耗气象年应用分析
使用Sandia方法选取了五个代表城市的TMY,并进行办公建筑能耗模拟,分析TMY与30个历史年能耗模拟结果,判断TMY数据是否足以模拟多数天气情况下建筑冷热能耗.表6为各城市30个历史年中与TMY能耗值相差20%以上所占的比例.由表可知,与TMY供暖能耗值相差20%以上的历史年约占35%; 与TMY制冷能耗值相差20%以上的历史年约占37%,其中,在海口的制冷能耗模拟中,有62.2%的历史年份与TMY数据相差20%以上,与TMY数据相差50%以上的历史年有27.7%.该数据表明,仅用TMY数据作为室外气象参数的建筑能耗模拟结果无法反映大多数天气状况下的建筑能耗.
表7为五个城市TMY、建筑极端能耗气象年-Ⅰ(表中为BEMY-Ⅰ)、建筑极端能耗气象年-Ⅱ(表中为BEMY-Ⅱ)数据建筑能耗模拟结果,由表可知,建筑极端能耗气象年-Ⅰ数据的制冷能耗相较于TMY数据约高19.5%,供暖能耗相较于TMY数据约低18.6%; 建筑极端能耗气象年-Ⅱ数据的制冷能耗相较于TMY数据约低22.4%,供暖能耗相较于TMY数据约高35.9%.该数据表明,建筑能耗在极端天气与典型天气下有显著差距,且TMY数据无法模拟出建筑在极端天气下的能耗.
表6 历史年能耗与TMY能耗相差20%以上的百分比
Tab.6 Percentage difference of more than 20% between energy consumption and TMY energy consumption in historical years
表7 各气象年能耗模拟年值(kWh/m2)
Tab.7 Simulated annual energy consumption of each meteorological year
由上述分析可知,在建筑设计前期,仅用TMY数据做建筑能耗模拟不够全面,其能耗模拟结果反映长期平均能耗,无法反映极端天气下的建筑能耗.如图7所示,TMY数据的办公建筑能耗模拟值基本和30 a均值相等,上下偏差最大为3%,可以很好的模拟出当地的平均能耗,但无法从其结果预估建筑能耗极大与极小值.
图7 TMY与历史年能耗值
Fig.7 TMY and historical annual energy consumption
表8为各城市30个历史年能模拟结果位于建筑极端能耗气象年(建筑极端能耗气象年-Ⅰ和建筑极端能耗气象年-Ⅰ)能耗之间所占的百分比.对于制冷能耗,94.5%的历史年份能耗模拟结果位于建筑极端能耗气象年能耗模拟值覆盖范围为内; 对于供暖能耗,93%的历史年份能耗模拟结果位于建筑极端能耗气象年能耗模拟值覆盖范围内.结果表明,使用本文选取的建筑极端能耗气象年数据用于建筑能耗模拟,可很好的模拟出绝大多数状况下的建筑能耗,如图8所示,灰色阴影部分为新建筑极端能耗气象年能耗模拟值的覆盖范围.
表8 建筑极端能耗气象年能耗值涵盖范围
Tab.8 Coverage of energy consumption of meteorological year of extreme energy consumption of buildings
图8 建筑极端能耗气象年和历史年能耗值
Fig.8 Energy consumption of meteorological year of extreme energy consumption of buildings and historical years
由上述分析可知,TMY数据可用于平均能耗的模拟,但无法预估能耗的极值; 建筑极端能耗气象年数据可用于极端天气下的建筑极值能耗的模拟,两组数据结合使用,可更加全面的反映建筑耗能情况,如图9所示.通过组合使用TMY和建筑极端能耗气象年数据,可模拟建筑的平均能耗以及极端天气状况下的极值能耗.组合数据集在不损失模拟结果全面性的前提下减少了模拟次数.
图9 TMY、建筑极端能耗气象年及历史年能耗值
Fig.9 Energy consumption of TMY and Meteorological year of extreme Energy consumption of buildings and historical year