引言建筑领域作为我国城市能源消耗和碳排放的重要来源，是未来推进“碳达峰、碳中和”工作的重点板块之一。建筑领域经过多年发展，不断迈向更高能效，已接近零能耗，甚至产能的目标[1]。目前，我国在多个气候区均已建成超低能耗建筑示范项目，随着此类建筑示范工程数量的增加，超低能耗建筑的实际用电情况被大众所关注[2]，加之严寒地区气候特征与能耗占比的特殊性与严峻性，严寒地区超低能耗建筑的推广与应用变得尤为重要。因此，为进一步推动“双碳”目标的工作进程，实现严寒地区超低能耗建筑的高覆盖率，以严寒地区的某办公式建筑为例，利用Design Builder能耗仿真软件，对建筑采暖、制冷、照明等各方面能耗进行了数值模拟和研究，验证超低能耗建筑节能潜力，为我国严寒地区超低能耗建筑设计与实践提供参考。1实测概述1.1项目概况选取辽宁省丹东市宽甸县的便民服务中心为研究对象，该超低能耗示范建筑是1座2层办公建筑，2018年建成。便民服务中心的建筑外观如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.08.001.F001图1便民服务中心外观便民服务中心的建筑面积为430.64 m2，其中1层的层高为3.3 m，包括服务大厅、服务咨询处、公共卫生间；2层的层高为3.3 m，使用功能包括办公室、会议室及公共卫生间，主要为村民提供办公、接待和会议空间。1.2节能技术丹东宽甸位于我国的严寒地区，冬季寒冷且漫长，采暖季耗能巨大，因此围护结构性能是影响建筑节能设计的重要因素[3]。为提高建筑的热工性能，本项目围护结构做法相对于东北地区传统公共建筑有所不同，其采用的高性能外围护结构系统具有良好的保温隔热效果。其中，外墙采用预制轻钢骨架复合保温墙体技术，1层为现浇技术体系，2层为预制墙板体系。该办公建筑主要采用的节能技术及性能指标如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.08.001.T001表1服务中心节能技术及性能指标项目位置节能技术和措施性能指标围护结构屋面650 mm厚＝XPS板（500 mm）层间浇筑混凝土＋混凝土（50 mm）＋抗裂砂浆抹面＋防水涂料隔汽层。0.086 W/（m2·K）外墙一层395 mm厚＝酚醛复合板（270 mm）＋轻钢龙骨架＋基层锚固增强纤维水泥板＋龙骨架内浇无机保温浆料（120 mm）＋内装修（5 mm）。0.085 W/（m2·K）外墙二层495 mm厚＝石墨聚苯板（330 mm）＋轻钢龙骨架＋基层锚固增强纤维水泥板＋龙骨架内浇无机保温浆料（120 mm）＋内装修（5 mm）。0.086 W/（m2·K）外门窗三玻单Low-E塑钢窗，外保温压窗框20 mm，气密性为国家标准6级。1.7 W/（m2·K）地面地平结构层（地面构造筋，浇筑地面混凝土60 mm厚）＋XPS板（500 mm厚，层间以无机保温浆料黏结）＋防潮塑料膜。0.085 W/（m2·K）气密性措施围护结构构件与构件、构件与部品、外窗与墙体洞口之间。粘贴气密膜0.83/h暖通空调—空气源金属毛细管网地板辐射冷暖系统制冷5.7 kW、制热5.8 kW（额定输入功率）1.3室内环境及建筑能耗该办公建筑从2018年12月开始运行，2019年1月开始采集数据。监测期内，该项目除少数因停电影响空调设备使用外，室内温度均保持在20~22 ℃，其能耗数据主要包括1层、2层暖通空调耗电量\照明能耗及其他能耗。根据目前运行阶段的数据，按照建筑采暖面积430.64 m2、电价0.5 元/kWh计算，依据《建筑碳排放计算标准》（GB/T 51366—2019）[4]中东北区域电网碳排放因子为0.776 9 kgCO2/kWh，2019~2021年建筑实测能耗及费用情况：1层的暖通空调耗电量为6 246.53 kWh，2层的耗电量为4 990.23 kWh，照明、插座、其他耗电量为598.93 kWh，总计耗电量为11 835.69 kWh；年能耗指标10.99 kWh/（m2·a）；年采暖、制冷费用2 370 元/a；年排放CO2量3.72 t/a。2建筑能耗模拟分析2.1Design Builder软件介绍Design Builder是一款针对建筑能耗动态模拟程序Energplus的综合用户图形界面模拟软件。通过提供性能数据优化设计和评估，将复杂的建筑物迅速模型化，可对制作的模型进行光、温度、CO2等环境进行模拟，是一款实现从规划阶段便开始考虑环境的节能型建筑设计软件[5]。选用Design Builder仿真模拟软件作为研究工具，对建筑的采暖、制冷能耗进行模拟分析，模型参照辽宁省《公共建筑节能（65％）设计标准》（DB21/T 1899—2011）[6]设定，分析在标准规定限制下建筑的采暖、制冷及照明能耗。通过比较参照建筑与实测建筑能耗及碳排放量，得出建筑的节能率，掌握超低能耗建筑节能潜力。2.2模型建立以丹东市某办公建筑为模拟研究对象，为使研究问题更方便，对建筑模型进行热工分区，将功能相近、使用情况相似的房间合并为同一热工分区进行分析计算。模拟建筑模型如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.08.001.F002图2模拟建筑模型2.3计算参数模型中各项参数（建筑朝向、体形系数、窗墙比及功能布局等）均与实测建筑保持一致，室外气候采用Design Builder软件提供的中国标准气象数据库(CSWD)中丹东市宽甸县典型气象数据。2.3.1围护结构热工参数建筑模型的体形系数为0.45，东、南、西、北的窗墙比分别为0.11、0.24、0.11、0.21，模型建筑模型围护结构参数如表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.08.001.T002表2模拟模型围护结构参数围护结构热工参数屋面0.38外墙0.42外门窗2.70地面及架空楼板0.50设备间与其他房间的隔墙或楼板0.70［W/（m2·K）］2.3.2室内热扰建筑物室内热扰包括人员、设备和照明等。依据公共建筑节能设计标准相关规范设定，室内人员密度设置为0.1 人/m2，照明功率密度为11 W/m2[7]。2.3.3室内热环境参数为取得合理建筑仿真能耗数据，建筑采暖期取10月15日~次年3月15日，共152 d，制冷期取7月15日~9月15日，共64 d。建筑模型中冬季和夏季空调房间的室内设计参数分别为18 ℃、24 ℃，室内平均相对湿度设置为60%[6]。建筑使用时间也是影响能耗数据的重要参数，针对该办公建筑的使用性质，设定人员在室时间段为工作日每天8：00~18：00，其余为不在室时间。2.3.4HVAC设备参数为保证仿真结果可比性，建筑模型采用与实测建筑相同的暖通空调系统（空气源热泵及带新风的空调系统），空调COP值夏季3.0，冬季2.5，新风量30 m3/人[8]。除设备间外其他房间的空调系统运行时间与上述人员在室时间段保持一致，采暖、制冷根据温度设置自动进行补偿。2.4模拟计算结果与分析通过以上对建筑模型的围护结构、室内热源（人员、设备、照明）及室内热环境参数的设置，运用Design Builder能耗分析软件对该参照建筑全年的制冷、采暖能耗进行模拟分析。实际建筑碳排放量8.62 kg/m2，参考建筑碳排放量35.50 kg/m2，节能率75.71%。实际建筑与参考建筑年能耗及运行阶段碳排放对比结果如表3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.08.001.T003表3实际与参照建筑年能耗及碳排放对比项目实际建筑参照建筑节能率/%整体建筑/kWh单位面积/（kWh/m2）整体建筑/kWh单位面积/（kWh/m2）总计能耗4 796.6311.119 740.3045.775.71供冷能耗957.312.22 335.805.459.02采暖能耗3 540.398.216 514.8938.378.56照明能耗298.930.7889.612.066.40为了更直观反映实际与参照建筑的对比，分别以各分项能耗为横坐标，耗电量及节能率为纵坐标，绘制实测建筑与参照建筑能耗及节能率分析图。实际建筑与参照建筑的能耗与节能率对比如图3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.08.001.F003图3实际与参照建筑能耗及节能率对比由表3、图3可知，实际建筑的全年采暖、制冷、照明总能耗为参照建筑的24.29%，实际建筑单位面积碳排放较参照建筑节约26.88 kgCO2，节能降碳效果显著。该超低能耗建筑整个采暖季供暖能耗为3 540.39 kWh，参照建筑高达16 514.89 kWh，项目通过采用一系列节能技术，其采暖能耗相对于参照建筑降低了78.56%。夏季的空调负荷受室内人员、设备和照明等热扰的影响较大，因此在夏季宜采用自然通风的方式将室内多余热量排出，夏季建筑空调能耗的节能效果不如冬季，约减少59.02%的能耗。综上所述，该办公式超低能耗建筑节能潜力巨大。3结语基于Design Builder模拟软件，对某办公式超低能耗建筑实测能耗及参照标准下的模拟能耗进行对比分析，得出建筑全年综合节能率为75.71%，其中冬季采暖能耗比参照建筑节能78.56%，该办公建筑节能效果显著，有力验证了超低能耗建筑的节能潜力，为严寒地区推广超低能耗技术及实践应用提供参考。