長沙市高校教學(xué)樓電源節(jié)能設(shè)計探討

黃玲玲 劉澤華 譚子豪 王鳳予

【關(guān)鍵詞】高校教學(xué)樓 能耗模擬 節(jié)能改造

1. 引言

校園建筑是學(xué)生和老師學(xué)習(xí)、交流、活動的重要場所，而且高校建筑類型多樣，包括教學(xué)樓、圖書館、體育館、食堂、宿舍等，能耗水平較高。目前高校正逐漸成為能源消耗的重要建筑[1]。我國部分高校的一些建筑由于所建年代久遠(yuǎn)，已經(jīng)發(fā)生老化現(xiàn)象，在安全性、舒適性、節(jié)能性、美觀性等方面都有所欠缺，因而這些建筑遠(yuǎn)不能達到如今高等教育的需求[2]。再者高校設(shè)備繁多、人員密集、能耗過大，但很少有高校重視能源消耗問題，且大多數(shù)學(xué)生也都缺乏環(huán)保意識，另外相關(guān)的節(jié)約能源措施和制度也不完善[3]。為了保護環(huán)境、減少資源浪費、降低污染，給廣大師生提供一個健康舒適的校園，必須建設(shè)綠色校園。

2. 教學(xué)樓節(jié)能研究現(xiàn)狀

駱瑞江[4] 利用equest 能耗模擬軟件對圍護結(jié)構(gòu)、照明及空調(diào)系統(tǒng)等進行能耗分析，并提出具體可行的能耗方案。周寒宇[5] 通過比較江蘇高校建筑不同的節(jié)能措施，明確了它們的適用范圍。王天豪[6] 通過分析設(shè)備功率、空調(diào)開啟時間、人員及照明密度這四個因素對西安高校建筑能耗的影響，得出高校節(jié)能方向的重點，進而有針對性的進行節(jié)能改造。JuXue[7]通過對三峽大學(xué)教學(xué)樓的特點和能耗現(xiàn)狀進行分析，提出了大學(xué)教學(xué)樓用能中存在的一些問題以及相應(yīng)的改進建議，從而促進經(jīng)濟節(jié)能型大學(xué)建設(shè)。JinXu[8] 針對大學(xué)照明浪費現(xiàn)象提出智能燈光控制系統(tǒng)，根據(jù)室內(nèi)照明需求，系統(tǒng)可以實現(xiàn)實時、準(zhǔn)確地監(jiān)管所有教室的燈。

3. 氣候特點及模型概況

3.1 長沙地區(qū)氣候特點

長沙市，位于東經(jīng)112.98°，北緯28.19°，地處我國華中區(qū)域，長瀏盆地西緣，湖南東部偏北，是長江中下游重要的核心城市。其特點是冬季多雨濕冷，夏季酷熱難當(dāng)。

3.2 建筑模型概況

該教學(xué)樓位于湖南省長沙市，長44 米，寬68 米，每層高3.6 米，總共6 層，總用地面積2992 ㎡，總建筑面積為17952 ㎡，體形系數(shù)（S）為0.24， 其中東、南、西、北向窗墻比分別為0.28、0.29、0.34、0.29。大教室和階梯教室總共有54 間，照明功率為40W，人員密度2 ㎡ / 人，換氣次數(shù)1 次/h，新風(fēng)量19m?/h·人，設(shè)定冬季室內(nèi)設(shè)計溫度20℃ ， 夏季室內(nèi)設(shè)計溫度26℃。

氣象資料調(diào)取長沙典型氣象數(shù)據(jù)，將11 月10 日至第二年3 月10 日定為采暖時間段，將5 月10 日至7 月10 日定為夏季空調(diào)時間段。該建筑類型為教學(xué)樓，因此定1 月15日-2 月10 日和7 月16 日-9 月1 日分別為寒暑假時間。教室上課時間一般為早上八點至十二點，下午兩點半至六點半，晚上七點半至九點。建筑模型如下圖所示

3.3 圍護結(jié)構(gòu)參數(shù)

3.4 高校教學(xué)樓用能特點

教學(xué)樓是高耗能的公共建筑之一。了解其用能特點對減少建筑能耗有著重要意義。

3.4.1 高校一年中有寒暑假兩個時間較長的假期，寒假在一月中旬至二月中旬，暑假一般在七月初至九月初，避開了一年中最熱月和最冷月，給教學(xué)樓節(jié)省了極大的能耗。

3.4.2 一般教學(xué)樓具有間歇用能的特點，對比其他公共建筑，教學(xué)樓在夜間使用時間較短，因此在開展圍護結(jié)構(gòu)改造時，不單要考慮外墻的保溫隔熱性能，也要兼顧夏季屋頂隔熱性能。

3.4.3 人員熱擾大。教學(xué)樓的使用對象為師生及教職員工，與一般公共建筑類型相比，教室人員密度更大。

3.4.4 用能空間的不確定性。相較于其他公共建筑使用空調(diào)時間同步、空間同步的特點，教學(xué)樓一般采用分體式空調(diào)，使用時間不一致，通常呈分時分室用能狀態(tài)。

4. 圍護結(jié)構(gòu)優(yōu)化改造

影響建筑能耗的圍護結(jié)構(gòu)主要是外墻、外窗以及屋面，以下分別對其進行優(yōu)化設(shè)計，并通過能耗模擬軟件EnergyPlus 對基準(zhǔn)建筑與改造優(yōu)化后的建筑進行能耗分析，對比不同方案的節(jié)能效率，選出最佳節(jié)能改造方案。

4.1 外墻優(yōu)化改造

4.1.1 外墻保溫設(shè)計

將30 ㎜的EPS 保溫板置于墻體內(nèi)側(cè)或外側(cè)，形成外墻內(nèi)保溫或外保溫，具體構(gòu)造如下：

4.1.2 模擬結(jié)果分析

對比教學(xué)樓現(xiàn)狀及外墻改造前后，無論是外墻內(nèi)保溫還是外保溫能耗均低于外墻無保溫。其中外墻內(nèi)保溫能耗低于外墻外保溫，節(jié)能率也比外墻外保溫高，這是由于在間歇運行模式下，空調(diào)開啟時，大量空調(diào)能耗用于使墻體降溫，而室內(nèi)降溫慢;冬季時，大量能耗用于墻體升溫，而室內(nèi)升溫慢，如此反復(fù)，使得大量能耗被浪費。而建筑采用內(nèi)保溫時，空調(diào)能耗用于冷卻室內(nèi)空氣，因此室內(nèi)溫度能得到快速降低;冬季時，由于大量能耗用于加溫室內(nèi)空氣，室內(nèi)溫度快速升高，因此在空調(diào)間歇運行時外墻內(nèi)保溫比外墻外保溫更節(jié)能。

4.2 外窗改造

4.2.1 外窗優(yōu)化設(shè)計

現(xiàn)有的外窗類型為普通6 ㎜ 單玻， 傳熱系數(shù)為5.7W·（ ㎡·K）-1，對其進行節(jié)能改造后，結(jié)果如下圖所示：

4.2.2 模擬結(jié)果分析

隨著玻璃傳熱系數(shù)的降低，建筑的能耗也在減少。玻璃傳熱系數(shù)由5.7W·（ ㎡·K）-1 下降到2.9W·（ ㎡·K）-1 時，建筑總能耗降低了6.0%。

4.3 屋面改造

4.3.1 屋面優(yōu)化設(shè)計

市面上有很多保溫材料，不同材料的熱工性能也不同，保溫材料的厚度對能耗有一定的影響，本節(jié)將分析模擬內(nèi)保溫保溫層厚度大小對教學(xué)樓能耗的影響。

該模擬在基準(zhǔn)模型之上，在屋面上添加30 ㎜ XPS 保溫板，具體構(gòu)造如下：

4.3.2 模擬結(jié)果分析

由上表可知，屋面增設(shè)保溫隔熱材料對建筑能耗影響顯著。主要是由于屋面所獲得的太陽輻射的熱量大，因此給屋面添加保溫層效果顯著，節(jié)能率高達29.2%。

5. 結(jié)論

本文通過建立教學(xué)樓SU 模型，分別采用優(yōu)化外墻、外窗、屋面以及空調(diào)設(shè)計溫度等措施，采用EnergyPlus 能耗模擬軟件，得出以下結(jié)論：

計算得到四種方案的節(jié)能率為21.9%、6.0%、29.2%、16%，可以看出屋面節(jié)能改造對建筑能耗影響最大，外墻次之，這是由于屋面接受太陽輻射得熱最高，因此改善屋面是最有效的節(jié)能措施。