南京地區(qū)賓館建筑能耗模擬及節(jié)能分析

王寒，程清

(南京工業(yè)大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，南京 211816)

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)從高速發(fā)展進(jìn)入高質(zhì)量發(fā)展階段，現(xiàn)有的能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)遭受沖擊，促使能源轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展，所以綠色轉(zhuǎn)型的任務(wù)也成為了目前所面臨的重大問(wèn)題。在第十四個(gè)五年規(guī)劃期間中國(guó)社會(huì)用電量年均增速預(yù)計(jì)可以達(dá)到 4%～5%，最大負(fù)荷增速快于用電量增速，負(fù)荷峰谷差呈增大趨勢(shì)。我國(guó)電力需求總量將持續(xù)增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)2025年全社會(huì)用電量將從2018年的6.9萬(wàn)億kW·h增長(zhǎng)至9.5萬(wàn)億kW·h左右，年均增速4%～5%[1]。

建筑能耗包括由外部輸入的能耗、用于維持建筑環(huán)境(如供暖、供冷、通風(fēng)和照明等)和各類建筑內(nèi)活動(dòng)(如辦公、炊事等)的能耗，不包括建筑材料制造和建筑施工的用能[2]。中國(guó)的建筑能耗約占總能耗的20%～30%，并且還在逐年增加[3]。在電力需求增長(zhǎng)的大背景下，建筑節(jié)能的問(wèn)題迫在眉睫。

影響建筑能耗的因素有很多，其中制冷制熱能耗占比最大[4]，其它的因素如圍護(hù)結(jié)構(gòu)[5-9]、風(fēng)環(huán)境[10-11]，甚至人的行為[12]都會(huì)對(duì)建筑整體的能耗造成或多或少的影響。

本文以南京地區(qū)某賓館建筑為模型，使用EnergyPlus能耗模擬軟件進(jìn)行全年能耗模擬，并基于不同變量對(duì)建筑能耗的影響做出節(jié)能分析。

1 模型概況

本研究采用美國(guó)能源部(DOE)制訂的建筑能源規(guī)范計(jì)劃(BECP)所提供的賓館建筑進(jìn)行模擬研究，考慮到南京的氣候條件，選取了與南京氣候相近美國(guó)西雅圖的建筑模型(如圖1所示)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行能耗模擬。

圖1 賓館建筑模型

賓館建筑總面積為3 725.38 m2，共四層，無(wú)地下室，其中一層和二至四層的房間分配不同，分別列在表1和表2中，對(duì)應(yīng)的樓層剖面圖分別為圖2和圖3。

表1 一樓剖面圖中所對(duì)應(yīng)的房間

表2 二至四層剖面圖所對(duì)應(yīng)的房間

圖2 一樓剖面圖

圖3 二至四層剖面圖

該賓館建筑的平均窗墻比約為10.9%，長(zhǎng)寬比為3，1層的樓層高度為3.35 m，2-4層的樓層高度為2.74 m。外墻為鋼結(jié)構(gòu)，由內(nèi)到外分別為2.54 cm水泥、1.59 cm石膏板、墻體保溫層和1.59 cm石膏板組成。

模型的空調(diào)設(shè)施情況具體為：

1)制熱設(shè)施。客房：帶電阻加熱的PTAC(Packaged Terminal Air Conditioning)。公共空間(辦公室、洗衣房、大堂、會(huì)議室)：空調(diào)機(jī)組內(nèi)部的煤氣爐。儲(chǔ)物室及樓梯：電暖爐。

2)制冷設(shè)施?？头亢妥呃龋篜TAC。公共空間：DX(直膨式)冷卻分體系統(tǒng)。儲(chǔ)物室和樓梯：沒(méi)有制冷。

2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)及人員設(shè)備能耗分析

2.1 人口密度對(duì)能耗的影響

本節(jié)研究了人口密度的變化對(duì)賓館建筑全年能耗的影響，人口密度對(duì)能耗的影響如圖4所示，人口密度對(duì)制冷制熱能耗的影響如圖5所示。

圖4 人口密度對(duì)能耗的影響

圖5 人口密度對(duì)制冷制熱能耗的影響

從圖4中可以看出，人口越密集，單位面積能耗越大。由圖5可知，若平均每個(gè)人所占有的面積越來(lái)越小，那么人體自身熱量的耗散作用顯得越來(lái)越重要，房間的內(nèi)熱源數(shù)目或者所攜帶能量增大，制熱時(shí)所需要的能量就越來(lái)越少，反而制冷時(shí)所需要的能量越來(lái)越多。總的來(lái)說(shuō)人口密度對(duì)制冷能耗的影響要更大一點(diǎn)。

一般酒店的單人房間面積為10～30 m2不等，雙人間面積為20～50 m2不等，參考《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50189-2015)中給出的建議值25 m2/人，再結(jié)合圖4，可以得知20 m2/人的面積是比較合適的選值。

2.2 外墻傳熱系數(shù)對(duì)能耗的影響

《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50189-2015)規(guī)定了夏熱冬冷地區(qū)的外墻傳熱系數(shù)不得高于0.6 W/(m2·K)。外墻傳熱系數(shù)對(duì)總能耗的影響如圖6所示，外墻傳熱系數(shù)對(duì)制冷制熱能耗的影響如圖7所示。

圖6 外墻傳熱系數(shù)對(duì)總能耗的影響

圖7 外墻傳熱系數(shù)對(duì)制冷制熱能耗的影響

從圖6中可以看出外墻傳熱系數(shù)越大，墻體的保溫性能越差，能耗越高。而圖7則表示外墻傳熱系數(shù)對(duì)能耗的影響主要體現(xiàn)在冬季制熱能耗的大幅上升上。考慮降低傳熱系數(shù)帶來(lái)的成本的增加，選取0.3 W/(m2·K)是比較合適且理想的。

2.3 燈具和插座負(fù)荷對(duì)能耗的影響

燈具與室內(nèi)各種用電設(shè)備等在負(fù)荷中也占據(jù)相當(dāng)大的比例。它們的功率大小對(duì)建筑總能耗的影響是不言而喻的，燈具和插座負(fù)荷對(duì)賓館建筑的全年能耗影響如圖8和圖9所示。

圖8 燈具對(duì)制冷制熱能耗的影響

圖9 插座負(fù)荷對(duì)制冷制熱能耗的影響

從圖8和圖9中可以看出，隨著燈具照明功率和插座負(fù)荷的提升，制冷能耗提升，制熱能耗下降。原因是室內(nèi)各類電器在使用時(shí)一定會(huì)帶來(lái)或多或少的熱耗散，燈光對(duì)制冷制熱能耗上的影響尤為明顯?！豆步ㄖ?jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB50189-2015)給出的建議燈光與各種用電設(shè)備的功率之和為15 W/m，結(jié)合賓館建筑實(shí)際，燈光和插座功率均選取為10 W/m。

3 空調(diào)運(yùn)行策略

3.1 制訂空調(diào)運(yùn)行策略

空調(diào)能耗是賓館建筑能耗的重要組成部分?？照{(diào)設(shè)定溫度對(duì)能耗的影響是顯而易見的，本文中不再贅述。根據(jù)賓館建筑的特點(diǎn)將賓館分為公共區(qū)域和客房區(qū)域，參考24 h人員在室率分別設(shè)定兩區(qū)域的空調(diào)運(yùn)行策略?？照{(diào)各模式的運(yùn)行策略見表3。

表3 空調(diào)各模式的運(yùn)行策略

3.2 空調(diào)運(yùn)行策略節(jié)能分析

不同空調(diào)運(yùn)行策略模擬結(jié)果降序?qū)Ρ热鐖D10所示。

圖10 運(yùn)行策略模擬結(jié)果降序?qū)Ρ软?/p>

從圖10中可以看出：運(yùn)行策略2相比于原策略1能耗反而有所提升，這是由于夜間空調(diào)關(guān)閉后風(fēng)機(jī)能耗的增加所導(dǎo)致的。在運(yùn)行策略3中能耗均有下降，說(shuō)明此類策略可以有效節(jié)能。運(yùn)行策略4-A與4-B均相比原模型能耗有所增加，而在使用增大了溫差的變溫運(yùn)行表5后，能耗才有所下降。可以得出：變溫運(yùn)行的溫差過(guò)小，反而可能會(huì)造成能耗的增加。由于對(duì)客房的空調(diào)運(yùn)行加以控制后，運(yùn)行策略5-A與5-B相比4-A與4-B有所下降，而使用變溫運(yùn)行表5的5-C與5-D較5-A與5-B又有所下降。

表4 變溫運(yùn)行一

表5 變溫運(yùn)行二

若是采用能耗最低的模式5-D即客房空調(diào)夜間運(yùn)行、公共區(qū)域白天變溫運(yùn)行的策略來(lái)運(yùn)行空調(diào)，年平均能耗可以降低3.648 5(kW·h)/m2，按照總面積3 725.42 m2來(lái)計(jì)算，每年可以節(jié)省13 592.19 kW·h的電量，可節(jié)約電費(fèi)1萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

3.3 節(jié)能分析

若是以本文提出的較為合適的人口密度、外墻傳熱系數(shù)、照明功率、插座負(fù)荷和客房空調(diào)夜間運(yùn)行和公共區(qū)域白天變溫運(yùn)行的節(jié)能策略來(lái)進(jìn)行能耗模擬，模擬所得結(jié)果為年平均能耗為159.189(kW·h)/m2，較原模型的188.850(kW·h)/m2減少了29.661(kW·h)/m2，按照總面積來(lái)計(jì)算，每年可以節(jié)省約110 501 kW·h的電量。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)南京地區(qū)賓館建筑模型進(jìn)行了全年能耗模擬，并研究了關(guān)鍵因素對(duì)賓館建筑能耗的影響。得出以下結(jié)論：

1)人口越密集，制冷能耗越高，制熱能耗越低，單位面積總能耗越大。

2)外墻傳熱系數(shù)越高，即熱阻越小，制熱能耗越高，制冷能耗基本不變，單位面積總能耗越高。

3)照明功率和插座負(fù)荷越高，制冷能耗越高，制熱能耗越低，單位面積總能耗越高。

4)減少空調(diào)使用時(shí)間，作溫差較大變溫運(yùn)行均有利于整體節(jié)能。

對(duì)賓館建筑模型進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)后，該賓館全年可節(jié)省11萬(wàn)kW·h左右的電量，折合標(biāo)煤約1.35 t，節(jié)能效果顯著。