eQUEST对某建筑进行能耗模拟

　　摘要：eQUEST能耗模拟软件是当前最被认可的能耗模拟软件之一。本文利用该软件对郑州市某建筑进行了模拟，得到了如下结论：采用传热系数小的墙体材料节能效果显著；改变屋面材料，对能耗的影响不大；而改变空调设定温度，虽然节能效果不太明显，但是可以通过优化管理来实现，是一种可行的节能方案。
　　
　　关键词：能耗模拟；eQUEST；节能
　　
　　0 引言
　　
　　继西方发达国家２０世纪７０年代末的能源危机掀起的节能运动高潮以来，由于能源的不合理使用所造成的不可再生能源的枯竭和环境污染的全球化，使这一趋势在发展中国家得以延续和发展[1]。近年来，石油价格的一再上涨，使得人们对节能有了更加深刻的认识。
　　建筑是能源消耗中的大户，其所消耗的能源占社会总能耗的三分之一左右[2]，因此，对建筑采取节能措施，会对节能社会的建设有重要意义。
　　本文以郑州某商用办公楼为例，采用eQUEST建筑能耗软件，对不同墙体材料，不同屋面材料，空调系统的不同设定温度三种情况进行了能耗模拟。
　　
　　1 eQUEST能耗模拟软件简介
　　
　　eQUEST是一款基于DOE-2基础上开发的界面建筑能耗模拟软件[3,4]，它允许设计者进行多种类型的建筑能耗模拟，并且也向设计者提供了建筑物能耗经济分析、日照和照明系统的控制以及通过从列表中选择合适的测定方法自动完成能源利用效率。eQUEST建筑能耗模拟软件的计算核心是DOE-2的高级版本DOE-2.2，并在其基础上做了许多优化。开发eQUEST软件的主要目的就在于逐时能耗模拟能够为更多的设计人员更方便的应用。
　　DOE-2是目前世界上最为流行的建筑全能耗分析软件[5]，包括负荷计算模块、空气系统模块、机组模块、经济分析模块。负荷模块是基于反应系数法利用建筑描述信息以及气象数据计算建筑全年逐时冷热负荷。冷热负荷，包括显热和潜热，与室外气温、湿度、风速、太阳辐射、人员班次、灯光、设备、渗透、建筑结构的传热延迟以及遮阳等因素有关。整个负荷分为外部负荷和内部负荷，其中外部负荷来自围护结构的传导、从窗户进入的太阳辐射以及渗透；内部负荷包括人员、设备及照明负荷，由于负荷计算中，假定没有空调运行且每个区域的温度保持在用户设定的温度值，所以eQUEST的负荷模块计算的冷热负荷是为保持房间设定温度所带走的热量。
　　空气系统模块利用负荷模块的结果以及用户输入的系统描述信息，确定需要系统移去或加入的热量。该模块考虑了新风需求、系统设备控制策略、送回风机功率以及系统运行特性。
　　机组模块利用系统模块结果以及用户输入的设备信息，计算建筑及能量系统的燃料耗量和耗电量。该模块考虑了部分负荷性能。经济模块进行寿命周期分析。输入数据通常包括建筑及设备成本、维护费用、利率等。这四个模块相互联系形成一个建筑系统模型。
　　eQUEST软件模拟前必须收集大量信息，包括建筑场地信息和气象数据，建筑外形、结构、材料，建筑的运营及时刻表，内部负荷，空调系统各设备及性能及公用事业等。
　　eQUEST能够模拟常见的60多种空调系统，其中可模拟的一些特殊的空调系统有：地源热泵系统、水侧变流量系统、双风机双风管变风量系统、自然通风、热电联产、蓄能系统、光电转换、热回收通风等。[1]
　　
　　2 建筑模型建立
　　
　　2.1建筑模型参数设置
　　本文的研究对象为郑州市某商用办公楼，总长45.4m，宽15.8m,第一层层高5m,主要为设备房间；第二层高4.5m，第三层高3.9m，主要是办公室。建筑总高度为14.6m，围护结构及其他相关参数如表1。
　　
　　表1建筑围护结构的相关参数列表
　　建筑参数 取值
　　外墙 240实心砖墙，表面吸收率0.7，总传热系数
　　1.97W/(m2•K)
　　外窗 铝合金窗框，3mm普通浮法玻璃，无外遮阳，
　　总传热系数5.5W/(m2•K)
　　屋面 钢筋混凝土加保温层结构，总体传热系数
　　2.87W/(m2•K)
　　外门 玻璃外门
　　
　　2.2空调系统及设计参数
　　
　　该建筑的空调系统采用标准变风量加热回收系统，选用的冷水机组能效比取为4.2，锅炉效率为85%。郑州地区的电价0.1美元/度，天然气价格0.25美元/m3，工作时间为每周一~周五，空调运行时间为每个工作日的8：00~17：00。室内主要设计参数见表2。
　　
　　表2室内主要设计参数
　　设计参数 值
　　夏季室内设计温度/℃ 26
　　冬季室内设计温度/℃ 22
　　人员密度/(m2/人) 5
　　照明负荷/（W/m2） 20
　　设备负荷/(W/m2) 20
　　
　　3 模型建立及模拟
　　
　　根据已知信息，利用能耗分析软件eQUEST建立分析模型，如图1。
　　针对郑州地区典型气象特征，对所建立的模型，进行能耗模拟，得到当前条件下的建筑能耗情况。图2，图3分别是该建筑全年工况下，每月的耗电，耗气情况，图4是全年各种设备耗能的分配情况。
　　在郑州地区，夏季温度很高，需要空调制冷，消耗的主要是电能；而冬季，气温较低，需要供暖，所消耗的热量由锅炉燃烧天然气提供。温度最高的月份出现在七八月份，这两个月非常炎热，给建筑物内的工作人员造成了很大影响。为保持良好的工作状态，这段时间内，空调设备往往会大功率运行，消耗大量的电。因而七八月份耗电量很大，其中七月略微高出一些。在寒冷的冬天，尤其是十二月和一月，温度较低，供暖消耗大量的天然气，其中一月更多一些。对全年而言，暖通空调消耗建筑总能耗的38%之多，而照明和其他设备则消耗总能耗的41.18%。
　　
　　
　　图1建筑模型图图2全年各月的耗电量
　　
　　相对于照明和其他设备而言，暖通空调所消耗的电能具有很大的变动性，各个季节和月份都不一样；而照明和其他设备则全年比较稳定，变化小，并且不宜改变，否则会影响正常的工作生活。暖通空调系统主要是满足人体的舒适性，因而从建筑的围护结构以及空调系统的优化方面来考虑节能是具有可行性的。
　　
　　
　　图3全年各月的耗气量图4全年耗电分配情况
　　
　　4计算结果及分析
　　
　　4.1不同墙体能耗比较
　　外墙是围护结构中，与外界进行热交换面积最大的部分，其热工性能的好坏对建筑能耗有着重大的影响。比较不同墙体材料对能耗的影响，进而对墙体材料的选择进行指导，有现实性的意义。所选取的墙体参数如表3。
　　
　　表3常用建筑外墙传热系数
　　外墙名称 墙体构造 传热系数W/（㎡•K）
　　钢筋混凝土 20mm水泥砂浆+200mm钢筋混凝土+20mm水泥砂浆 4.1
　　粉煤灰空心砌块 20mm水泥砂浆+190mm粉煤灰空心砌块+20mm水泥砂浆 2.45
　　粘土实心砖 20mm水泥砂浆+240mm砖墙+20mm白灰粉刷 1.97
　　粘土空心砖 20mm水泥砂浆+190mm空心砖+20mm水泥砂浆 1.82
　　加气砼砌块 20mm水泥砂浆+180mm加气混凝土+20mm石灰砂浆 0.98
　　
　　针对不同的墙体材料，进行全年度该建筑对电能和天然气的耗费情况进行对比，如图5，图6。由图可知，采用加气砼砌块，会耗费最少的电能和天然气，因而在设计建筑的时候采用热阻大的材料，会达到节能的目的。
　　
　　
　　图5不同材料耗电情况比较
　　
　　
　　图6不同材料耗气情况比较
　　
　　4.2不同屋顶对能耗的影响
　　
　　对于该建筑而言，由于其上层使用面积和下层使用面积不一样，其屋顶分为三层，屋顶面积不可忽略。常用建筑屋面及其参数如表4。本文对现有的常用屋面材料进行模拟，比较器对总能耗的影响，其比较结果如图7，图8。
　　表4常用建筑屋面传热系数
　　 屋面做法（由里到外） 传热系数
　　W/（㎡•K）
　　方案1 120mm预制钢筋混凝土空心板，30mm厚1:6水泥焦渣找
　　坡层，80mm憎水膨胀珍珠岩板，20mm厚水泥砂浆找
　　平层，4mm防水层 0.74
　　方案2 120mm预制钢筋混凝土空心板，30mm厚1:6水泥焦渣
　　找坡层，160mm厚水泥膨胀珍珠岩板，20mm厚水泥砂
　　浆找平层，4mm防水层 0.79
　　方案3 120mm预制钢筋混凝土空心板，30mm厚1:6水泥焦渣找
　　坡层120mm厚聚苯板保温层，20mm厚水泥砂浆找平层，
　　4mm防水层 0.79
　　方案4 120mm预制钢筋混凝土空心板，30mm厚1:6水泥焦渣找
　　坡层，160mm聚苯乙烯泡沫塑料板，20mm厚水泥砂浆
　　找平层，4mm防水层 0.78
　　方案5 120mm预制钢筋混凝土空心板，30mm厚1:6水泥焦渣找
　　坡层，30mm厚挤塑泡沫板，20mm厚水泥砂浆找平层，
　　4mm防水层 0.75
　　
　　
　　
　　图7不同屋面对耗电量的影响
　　
　　
　　图8不同屋面对耗气量的影响
　　
　　由比较结果可知，由于屋面的厚度都很大，其传热系数很相近，对能耗的影响不大。其中，方案1略显优势，因而对于建筑而言，只要强度合适，没有必要对屋面做特别的处理。
　　
　　4.3不同的室内设定温度对建筑能耗的影响
　　
　　对于一个已经成型的建筑，空调系统已经选定的情况下，在不增加任何额外的设备投资的情况下，能有效的减小能耗的方法，就是在不影响舒适度的情况下改变空调的设定温度，在管理上进行优化。其比较结果见图9。
　　
　　
　　图9不同设定温度下的年耗电量
　　由图可以清楚地看到，提高空调设定温度，可以降低耗电量，达到节能的目的，尤其是温度较低时，提高设定温度，能耗呈线性降低。因而，在满足舒适性的前提下，适当提高空调设定温度，会降低建筑能耗。
　　
　　4.4比较
　　对于一栋建筑而言，尤其是办公楼，保证工作人员的舒适性，是建筑和暖通空调系统设计中的主要考虑因素。对该建筑而言，改变屋面材料，其节能效果不明显，不是建筑设计中的重点对象；而提高空调设计温度2~3℃，在管理中是可以做到的，则以作为一种可行的节能方式；而在建筑设计中采用，导热系数小的材料，其节能效果显著，是建筑设计中应该重点考虑的情况。
　　
　　5结论
　　（1）利用eQUEST能耗模拟软件对该办公楼进行了模拟。计算结果表明，该办公楼峰值点好处现在7月，峰值耗气量出现在1月；在全年电耗的构成中，暖通空调系统的电耗占到总能耗的38.24%，照明系统的电耗占到全年总电耗的41.18%，设备能耗则占到总能耗的20.58%。
　　（2）分别计算了几种不同墙体材料，不同屋面材料和不同空调设定温度对能耗的影响，并对三者的节能效果进行了比较，发现对此建筑采用热阻较大的墙体材料，其节能效果比较明显。
　　综上所述，采用eQUEST能耗模拟软件可以对建筑进行能耗模拟，为建筑节能的实现提供一些科学依据，但是由于软件处理问题的条件与实际情况之间存在差距，其结果难免存在偏差。但是，模拟结果，为实际设计中提供了借鉴，其结果的趋势是正确的，为建筑节能的进行提供了依据。
　　
　　参考文献
　　1于美静,王宏伟.建筑节能计算机模拟软件的研究[J].区域供热,2007，3:69~72.
　　2王沣浩,王东洋,罗昔联.既有建筑围护结构能耗模拟及节能分析[J].建筑科学，2007，23(2):22~26.
　　3李志生，李冬梅等.夏热冬暖地区办公楼建筑能耗模拟与分析[J].节能技术,2006,24(140)：483~486.
　　4彭鹏，郑洁等.顶部采光的节能分析[J].照明工程学报,2007,18(3):9~12.
　　5陈晨,潘毅群.上海市某商用建筑能耗分析与节能评估[J].暖通空调,2006,36(4):88~93.

《eQUEST对某建筑进行能耗模拟》

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