德国某独立住宅的热负荷模拟

龚千惠

2．金风低碳能源设计研究院，北京 100054

摘要：为了对住宅热负荷进行精准的模拟计算，基于TRNSYS软件建立了德国某住宅的能耗模型，设定围护热工参数和供暖模式。基于柏林的气象文件，通过动态模拟，得到住宅逐时的热负荷曲线。根据模拟结果，确定该住宅的采暖季为十月一日至次年五月十五日，采暖能源需求为5405.3 kWh，并选择了额定功率为7.44 kW地源热泵供热。

关键词：逐时模拟 热负荷 住宅建筑 德国EnEV节能规范 TRNSYS

相较于德国的新建建筑，我国新增建筑中超过80 % 的建筑仍是高能耗建筑，且对于可再生能源的利用仍占少数。目前我国北方城镇供热系统的平均综合能耗，已降至15 kgce/m² [1]，但仍为德国的两倍多。我国建筑高耗能的主要原因有3点：一是部分建筑达不到建筑设计标准的要求，围护结构的保温性能较差；二是供暖系统运行效率较低，输配的供热管道热损率较高；三是对可再生能源的使用率较低，小型燃煤锅炉对能源的利用率低，可回收的余热、余冷都直接排放掉。

1 研究框架

用于建筑能耗模拟的软件主要有：EnergyPlus、DOE-2、eQUEST、DeST、TRNSYS、OpenStudio等。国内使用较多的模拟软件是清华大学开发的DeST，本文使用的TRNSYS在德国应用广泛，对太阳能研究模式更灵活，输出的自定义参数更符合研究的需要。

2018年我国建筑运行阶段能耗10亿tce，占全国能源消费总量的比重为21.7 %，其中45% 的建筑类型是城镇居建^[2]。2017年，德国建筑能耗占最终能源消费的比重为33 %，在建筑运行阶段，采暖耗能占70.5 % ^[3]。德国对中国有参考价值。根据德国建筑节能条例，从设计层面，规定了建筑围护结构的热工性能、建筑能耗的上限；从设备层面，规定新建住宅必须采用可再生能源的供热系统；从监管层面，规定业主需要办理强制性的能源证书认证，伴随着定期的审查。

2 建筑的热负荷模型

2.1 研究对象

本文以位于德国柏林市某一新建住宅为例，采用TRNSYS软件进行建模。建模采用了TYPE 56多区建筑、TYPE 15天气数据、TYPE 77土壤温度、TYPE 65在线图形绘制和单位换算工具等模块，各模块赋予基本参数与控制策略，模型的围护、室内热环境参数根据德国的《建筑节能规范EnEV》中规定设计。

2.2 围护结构参数

模拟建筑围护结构的基本构成如下：

外墙采用石膏抹灰木纤保温砖，传热系数为0.233 W/(m²·K)，厚度39 cm；屋顶采用木质纤维保温板，传热系数为0.2 W/(m²·K)，厚度57 cm；外窗采用TRNBuild构件库中的双层真空铝合金窗，传热系数为1.27 W/(m²·K)，窗墙比0.15；地板传热系数为0.296 W/(m²·K)；底层地面传热系数为0.191 W/(m²·K)，厚度43.1 cm。

2.3 室内热环境参数

间歇性供暖的运行模式，按照SIA 2024 ^[4]中私人住宅建筑中居民的生活和工作作息设计，分为工作日与周末，根据不同时段设计系数。考虑建筑物会持续的散失热量，特别是通过热传导和通风，但同时太阳也会通过窗户提供热量。人或电器的内部收益将减少加热需求。模拟中的其他设计参数为：

1）通风：自然通风，0.1次/h，恒定不变；渗透，0.3次/h，按时刻表执行；

2）暖气：20 °C，不限最大取暖功率，按作息表执行；

3）制冷：26 °C，不限最大制冷功率，按作息表执行；

4）内部得热：三口之家，人体散热为一层2人，二层1人；电器共七台；照明灯共四台，电气设备预留一台全天工作，其余按作息表设置；

5）温湿度：室内温度20 °C，湿度为50 %；

6）其他：热辐射为0.7 W/m²，热对流为 0.7 W/m², 绝对湿度为0.0015 kg/hr·m²。

3 年度仿真结果

柏林东经13.40 °，北纬52.47 °，位于德国东北部，温带海洋性气候，年平均气温9 °C。根据柏林－滕珀尔霍夫气象站的天气数据，通过TRNSYS对该独立住宅进行全年的逐时冷热负荷仿真，模拟步长为1小时，仿真模拟的结果如下图所示：

图 1 建筑全年逐时冷热负荷（模拟时间：小时，功率：kW）

建筑最大热负荷发生在第288小时，此时室外温度为

-16.9 °C。建筑全年采暖累计2880小时，采暖季为十月一日至次年五月十五日。采暖季累计采暖能源需求为5405.2 kWh，制冷累计制冷需求为719.6 kWh，建筑采暖能耗为40.2 kWh/(m

²·a)。

热泵的选择通常由建筑物的供热需求决定。为了实现热泵系统的经济运行，热泵既不能太大也不能太小。为了热泵的安全运行，考虑到热泵的锁定时长；为了弥补差值，需提高热泵的功率要求。通过附加系数 来实现，计算公式如下：

第288小时，供热系统达到最大热负荷，为6.43 kW。依据上述公式，系数 为1.1，计算得出热泵的额定功率应大于7.1 kW。在后续的相关研究中，拟用菲斯曼Vitocal 300-G地源热泵机组的参数进行后续的研究，机组的额定功率为7.44 kW，制热性能系数（COP）为4.95。

4 结语

在建筑设计阶段，使用建筑能耗模拟软件，对其进行热负荷逐时模拟，以辅助改进建筑的围护结构及设计该建筑物的供暖系统。住宅的实际热负荷与动态模拟的热负荷曲线有一定的差别，需要综合客观因素与环境因素等条件，得出具有参考意义的方案。

参考文献：

[1]北方地区冬季清洁取暖规划，发改能源〔2017〕2100号

[2]中国建筑能耗研究报告2020. CABEE Noc.2020

[3] BMWi.Energieeffizienz in Zahlen. Sep.2020

[4] SIA 2024.Raumnutzungsdaten für die Energie und Gebäudetechnik. 2015