第 1 章 绪论
1.1 课题来源及研究背景
1.1.1 课题来源
本课题来源于吉林省科技厅科研项目—《严寒地区超低能耗建筑的研究与示范》（项目编号：20170204023SF）；国家住建部项目—《吉林建筑大学城建学院工程实训中心及超低能耗建筑研发中心》（编号：2015-S1B-002）。
1.1.2 研究背景
在我国经济社会急速发展的背景下，作为重要物质基础的能源，其需求量日益加大，无节制的开发和低效率使用的问题也日益严重。同时，二氧化碳及部分有害气体的过度排放对生态环境造成了极大的影响。
根据国际能源署（IEA）发布的《世界能源展望 2017—中国特别报告》[1]，2015年，我国一次能源需求量达到 42.7 亿吨标准煤，与能源相关的二氧化碳排放量已达 80 亿吨；预计到 2030 年，我国一次能源需求量将达到 60 亿吨标准煤，与能源相关的二氧化碳排放量将达到 92 亿吨。其中建筑行业终端能源需求占全社会能源需求总量的 23%，电力需求占比 30%，因此建筑节能计划作为解决飞速增长的建筑能耗需求和缓解生态环境继续恶化等问题的最有效途径已被国家提上日程。2006 年，国务院颁布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020 年）》中指出，将“建筑节能和绿色建筑”列为“城镇化与城市发展”重点领域的优先主题。
相对于交通和工业领域来说，建筑行业无论是在节能潜力还是缓解生态环境恶化方面无疑都拥有着更为明显的可操作性，因此世界各国对于建筑节能的研究和应用热情空前高涨，更高效、更节能、更环保也是世界各国争相努力的发展目标。
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1.2 研究目的及意义
1.2.1 研究目的
有关近零能耗建筑方面的研究国外已进行多年，在实际应用方面也取得了相当的成果。但是我国对于近零能耗建筑的实际应用还较少，尤其是在我国严寒地区的实践更是凤毛麟角，对于严寒地区近零能耗建筑的推广，无论从理论知识还是经验基础都无法保证其良好地进行。本研究的目的是从用能系统方面对严寒地区近零能耗建筑实际运行进行评价研究，将实际监测的用能系统运行数据作为评价研究基础，分析吉林建筑科技学院近零能耗建筑示范项目是否达到预期效果，对于其设计及实际运行出现的不足之处，提出合理的建议，结合各方面的优势，为今后严寒地区近零能耗建筑的示范项目及实际应用的推广整理出一套可利用的信息。
1.2.2 研究意义
对吉林建筑科技学院的严寒地区近零能耗建筑示范项目用能系统运行效果的评价研究，有着相当大的意义，有利于对建筑设计方案适用性、施工质量合格程度、系统运行控制策略合理性的系统检验；有利于为严寒地区近零能耗建筑的建筑初期立项决策及设计提供有高度保证的借鉴依据；有利于为严寒地区近零能耗建筑的施工管理中易出现问题提供有科学依据的注意事项及解决方向；有利于为严寒地区近零能耗建筑系统的运行控制策略的设定提供有建设性的建议。
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第 2 章 严寒地区近零能耗建筑用能系统
2.1 严寒地区近零能耗建筑用能系统介绍
2.1.1 气候特征
吉林建筑科技学院近零能耗建筑示范项目位于吉林省长春市，东经 12°15′，北纬 43°99′，地处严寒地区。夏季室外平均温度 21.9℃，其中最热月（7 月）室外平均温度23.1℃；冬季室外平均温度-12℃，最冷月（1月）室外平均温度-15.1℃；全年日照时长 2646.2h，最大风速可达 20m/s。
2.1.2 严寒地区近零能耗建筑的相关标准
由于世界各国气候环境相差较大，经济技术水平也参差不齐，无法对全球的近零能耗建筑制定出一份统一的规范标准，因此各国对近零能耗建筑的标准各不相同。2019 年 3 月，我国住建部颁布的《近零能耗建筑技术标准》GB/T51350-2019[27]中指出，建筑设计方案需要利用可再生能源，优化建筑外围护结构热工性能，在保证室内环境舒适性的基础上，极大程度地减少建筑实际能耗。在寒冷和严寒地区，建筑不再使用传统的供暖/供冷方式，通过优化建筑用能系统的运行模式和利用效率，公共建筑节能到达 70%以上，居住建筑节能 60%以上。近零能耗建筑各评价参数如下：
健康、舒适的室内环境是近零能耗建筑的基本前提。表 2-1 为我国近零能耗建筑规定的室内温湿度标准。
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2.2 吉林建筑科技学院近零能耗建筑用能系统介绍
吉林建筑科技学院工程实训基地及超低能耗建筑研发中心位于严寒地区的长春市，总建筑面积 3925m2，建筑于 2017 年建成并投入使用，建筑包括实训厂房和科研楼。其中科研楼建筑面积 1180m2，二层框架结构，奉承“被动优先、主动优化”的原则，建筑整体设计施工完全遵循被动式建筑实施标准，同时配备可再生能源互补利用技术，在运行效果上满足近零能耗建筑的相关要求，在 2018 年 1 月杯遴选为科技部国家重点研发计划“近零能耗建筑技术体系及关键技术开发项目”全国 13 个跟踪监测项目之一。除了对建筑整体的外围护结构热工性能的优化处理外，其独特的用能系统运行方式也是该近零能耗建筑的一大亮点[28]。
该近零能耗建筑所用能源由电能、浅层地热能及太阳能构成，其中又以电能为主，消耗的电能主要来自市政电网和建筑本身配备的风光互补发电系统；浅层地热能来自建筑附近平均 100 米深的浅层土壤；太阳能的利用除了光伏发电外，还利用太阳能光热实现建筑生活热水的供应和冬季采暖期室内供暖。
由于该近零能耗建筑用能系统运行的特殊性，本研究不对建筑走廊的风机盘管系统、生活用水系统和办公照明系统进行评价。
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第 3 章 严寒地区近零能耗建筑全年负荷模拟 ................................ 17
3.1 基于 DeST 的负荷模拟 ....................................... 17
3.1.1 建筑参数选取 ................................ 17
3.1.2 建筑区域标准年室外环境参数 .............................. 17
第 4 章 建筑用能系统运行数据监测 ....................... 26
4.1 室外环境数据监测 ................................. 26
4.2 太阳能光伏发电数据监测 ................................... 26
第 5 章 用能系统运行评价研究 ................................... 33
5.1 常见的建筑用能系统运行评价方法 ........................... 33
5.1.1 统计分析法 ................................... 33
5.1.2 模拟分析法 ................................. 33
第 5 章 用能系统运行评价研究
5.1 常见的建筑用能系统运行评价方法
5.1.1 统计分析法
统计分析法是指对较大数量的样板建筑的用能系统运行数据进行调研和整理，应用统计学的分析方式拟合出经验公式及建立数学模型，达到对建筑用能系统运行情况分析和评价的目的。目前已有许多国内外专家应用统计分析法中较常使用的线性回归法对目标建筑进行了数据分析模型的建立。Priyadarsini R[29]等整理了将近 30 家酒店的系统能耗数据，通过对数据的整理分析，完成了酒店建筑系统能耗评价模型的建立，该评价模型充分考虑了不同影响因素在酒店建筑系统能耗中权重占比；Chung W 等[31]将房间人员流动情况、用能系统运行时间、建筑面积及建筑年限等影响因素定义为自变量，通过统计分析法中的多元线性回归法创建了大规模商场的建筑用能系统能耗预测分析模型；郑晓卫等[32]收集了大量的样板数据，创建了商用公共建筑用能系统的能耗预测分析模型。
统计分析法的优势体现在：通过对统计的大量建筑用能系统样板数据进行整理拟合，建立某一类型建筑的用能系统数学评价模型，再通过部分定位为自变量的影响因素的输入，进而就行快速的对建筑用能系统运行状况进行评价。但是统计分析法也有着很致命的缺点，由于建筑用能系统数学评价模型是基于统计学建立的，因而对于实际获得的评价结果是不能从建筑用能系统原理上进行解释和说明的。
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结论
现阶段我国能源需求量非常大，能源利用率较低，降低在全社会能源消耗占比巨大的建筑能耗是大势所趋，实现近零能耗建筑、零能耗建筑甚至是产能建筑是贯彻这一发展方向的重要途径。本文对严寒地区近零能耗建筑内不同的用能系统分别对建筑全年冷热负荷、各系统运行方式、系统运行控制策略及用能系统运行情况进行了评价研究。根据这阶段所做的工作，主要的研究成果可以概括为以下几个方面：
1）土壤源热泵系统在供暖期机组平均 COP 为 3.59，系统 COPsy为 2.29，每日平均启停次数 42.3，部分负荷率 0.62；供冷期机组平均 EER 为 5.33，系统平均EERsy 为 4.39，每日平均启停次数 48.3，部分负荷率 0.54。机组运行性能良好，合理的调控水泵流量是系统整体运行控制策略进一步优化的方向。
2）地源直供系统源侧供回水平均温差 1℃，负荷侧供水温度 11.74℃，系统能效比 18.72，室内毛细管末端布置区域结露情况明显。系统实际供冷效果较为优秀，通过降低源侧水泵流量来解决源侧供回水温差过小和结露现象后，利用地源直供系统为建筑供冷可以大幅度降低建筑供冷能耗。
3）全热回收新风系统温度交换效率 0.8，焓交换效率 0.77，室内环境质量均满足《近零能耗建筑技术标准》中的要求。将开启全热回收新风系统前后的室内环境质量进行对比，发现全热回收新风系统应用在严寒地区近零能耗建筑中，对于提升室内健康度和舒适度效果明显。
4）太阳能光热系统在供暖期能效比 3.51，蓄热充分时可满足连续 5 小时的建筑供热需求。实际运行中太阳能光热系统供暖能效比高于土壤源热泵系统，在光照良好的条件下，前者优先级应高于后者，项目中太阳能的热量需要经过 3 次换热才能达到末端，合理减少换热次数可以进一步降低系统能耗。太阳能光热系统在过渡季为土壤补热过程中，平均每日土壤温升 0.1℃，系统每日耗电量 19.95kW·h，土壤每日得热量 524.14 kW·h，日照充足的情况下仅需 10 天就能保证全年土壤失热量和得热量的平衡。从系统能耗角度，当供暖季土壤源热泵系统利用过渡季向土壤补充的这部分热量时，系统 COPsy将降为 2.18，未来需要进一步研究的是当满足土壤全年热平衡后继续向土壤释放热量是否经济合理。
参考文献（略）