基于能耗模擬的某高校教學(xué)樓節(jié)能改造設(shè)計*

巫春玲, 任 凱, 馬力圣, 王致垚

(長安大學(xué) 電子與控制工程學(xué)院, 陜西 西安 710064)

0 引 言

在高校持續(xù)擴招、校區(qū)頻繁新建、擴建的大時代背景下,高校能源消耗持續(xù)增長。而目前大部分高校教學(xué)建筑都缺乏節(jié)能理念,從設(shè)計到建造過程有諸多缺陷,因此教學(xué)建筑擁有很大的節(jié)能潛力和改造空間[1-2]。

本文以長安大學(xué)鴻遠教學(xué)樓為研究對象,運用Revit建模,并使用DesignBuilder對其進行能耗模擬;提出節(jié)能改造方案,并進行改造后建筑的能耗模擬,從而分析改造方案的可行性和節(jié)能效果,為今后相關(guān)建筑的設(shè)計和節(jié)能改造提供參考。

1 項目概況

長安大學(xué)鴻遠教學(xué)樓地處西安市北郊,共有5層,總建筑面積為19 326.90 m2,樓的主體高度為23.23 m。教學(xué)樓教室使用的主要用電負(fù)荷為熒光燈、電腦和風(fēng)扇,采用暖氣集中供暖,制冷主要依靠風(fēng)扇,通風(fēng)情況一般,因此人體舒適性較差。

鴻遠教學(xué)樓建設(shè)時間較早,采用框架結(jié)構(gòu)支撐起整個建筑。建筑的詳細圍護結(jié)構(gòu)情況及其傳熱系數(shù)如表1所示。

表1 建筑的詳細圍護結(jié)構(gòu)情況及其傳熱系數(shù)

現(xiàn)有鴻遠教學(xué)樓的外圍護結(jié)構(gòu)都沒有采用保溫措施,夏季室內(nèi)溫度較高,制冷主要依靠自然通風(fēng)和吊扇,通風(fēng)情況較差;冬季沒有采取足夠的措施對供暖進行保溫,能耗較高。此外,教學(xué)樓照明也沒有采用智能照明節(jié)能方式,能耗浪費嚴(yán)重。

2 改造前能耗情況

為了對比節(jié)能改造方案的必要性,須對改造前建筑的能耗情況進行模擬[2-3]。鴻遠教學(xué)樓三維模型如圖1所示。

圖1 鴻遠教學(xué)樓三維模型

運用模擬軟件進行教學(xué)樓建筑能耗模擬分析。建筑各分項能耗如圖2所示。

由圖2可得,建筑能耗中用于供暖和制冷的能耗共占54.2%,用于照明的能耗占總能耗的39.1%;房間電耗以教學(xué)設(shè)備為主,占總能耗的6.7%。

圖2 建筑各分項能耗

3 節(jié)能改造方案及能耗情況分析

根據(jù)上述模擬結(jié)果,提出在圍護結(jié)構(gòu)、照明系統(tǒng)及供暖制冷三個方面進行節(jié)能改造。通過對比改造前后模擬得到的數(shù)據(jù),分析相應(yīng)措施的節(jié)能效果。

3.1 圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能改造方案及分析

一般建筑都是由墻、窗、門和屋頂組成,由于門對于室內(nèi)外溫度影響微乎其微,所以本文主要研究外墻、屋頂和外窗3方面。

3.1.1 外墻節(jié)能改造

鴻遠樓的外墻結(jié)構(gòu)為200 mm混凝土砌塊、20 mm水泥砂漿、20 mm石灰砂漿和10 mm粉刷石膏,在DesignBuilder中完成構(gòu)造后得到其傳熱系數(shù)為0.774。在《西安市公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定其要小于等于0.6[4]。鴻遠樓的外墻并不符合西安市的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),因此通過降低其傳熱系數(shù)來對外墻進行節(jié)能改造。外墻改造前后及其傳熱系數(shù)如表2所示。

表2 外墻改造前后及其傳熱系數(shù)

利用模擬軟件對改造外墻后的建筑進行能耗模擬。外墻改造前后能耗對比如圖3所示。

由圖3可以看出,方案一和方案二建筑總能耗分別節(jié)約了87.99 MWh和166.27 MWh,其節(jié)能分別為1.76%和3.32%,這樣的節(jié)能效果并不優(yōu)異。這說明外墻的節(jié)能措施不能對建筑的能耗情況有明顯改善。

圖3 外墻改造前后能耗對比

3.1.2 屋頂節(jié)能改造

鴻遠樓的屋頂結(jié)構(gòu)為100 mm鋼筋混凝土、20 mm水泥砂漿、20 mm防水層和20 mm涂料保護層,在DesignBuilder中完成構(gòu)造后得到其傳熱系數(shù)為2.732,很明顯屋頂?shù)膫鳠嵯禂?shù)偏大,保溫隔熱性能差。屋頂改造前后及其傳熱系數(shù)如表3所示。

表3 屋頂改造前后及其傳熱系數(shù)

利用模擬軟件對改造屋頂后的建筑進行能耗模擬,屋頂改造前后能耗對比如圖4所示。

圖4 屋頂改造前后能耗對比

從圖4可以看出,屋頂改造的節(jié)能效果優(yōu)于外墻改造,相比改造前,方案一和方案二總能耗分別節(jié)能4.75%和7.01%。由此可看出屋頂?shù)墓?jié)能改造效果比較明顯。

3.1.3 外窗節(jié)能改造

鴻遠樓使用6 mm單層無色玻璃,其傳熱系數(shù)達到5.778,使得室內(nèi)溫度極易受到室外溫度的影響。選擇傳熱系數(shù)小的玻璃,安裝遮陽措施可以有效地降低外窗的傳熱系數(shù)。外窗玻璃改造前后及其傳熱系數(shù)如表4所示。

表4 外窗玻璃改造前后及其傳熱系數(shù)

利用模擬軟件對改造外窗后的建筑進行能耗模擬。外窗改造前后能耗對比如圖5所示。

圖5 外窗改造前后能耗對比

由圖5可得,改造方案建筑總能耗降為4 065.78 MWh,節(jié)能18.76%,由此可看出外窗的節(jié)能改造效果較為突出。

3.1.4 圍護結(jié)構(gòu)綜合節(jié)能改造

對教學(xué)樓圍護結(jié)構(gòu)進行綜合節(jié)能改造,并利用模擬軟件對其進行能耗模擬。圍護結(jié)構(gòu)改造前后能耗對比如圖6所示。

圖6 圍護結(jié)構(gòu)改造前后能耗對比

從圖6可以看出,經(jīng)過改造圍護結(jié)構(gòu)后,照明和供暖節(jié)能效果顯著,建筑總能耗降為3 568.63 MWh,節(jié)能28.69%,由此可見,建筑圍護結(jié)構(gòu)具有較大的節(jié)能潛力。

3.2 照明系統(tǒng)節(jié)能改造方案及分析

照明能耗占建筑總能耗的39.1%,是建筑耗能最多的部分,因此照明系統(tǒng)的節(jié)能改造對于整個建筑的節(jié)能有重要意義。照明系統(tǒng)主要有功率密度和目標(biāo)照度兩個參數(shù),合理設(shè)置兩個參數(shù)能夠有效地降低照明系統(tǒng)的能耗,從而降低整個建筑的能耗。

3.2.1 改變功率密度

根據(jù)DBJ/T 61-60—2011《西安市公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》,學(xué)校教室照明功率密度的現(xiàn)行值為11 W/m2,目標(biāo)值為9 W/m2,而鴻遠樓當(dāng)前照明功率密度為11 W/m2,在保證照度情況下,選擇將照明功率密度降為10 W/m2、9 W/m2,并利用模擬軟件對其進行能耗模擬。照明功率密度改變前后能耗變化如圖7所示。

圖7 照明功率密度改變前后能耗變化

從圖7可以看出,在改變照明功率密度的情況下,相比改造前兩個方案分別節(jié)能2.71%和5.37%,這樣的節(jié)能效果并不顯著,所以僅靠改變功率密度不能顯著降低建筑能耗,需要從照度方面進一步進行節(jié)能改造。

3.2.2 改變目標(biāo)照度

根據(jù)GB 51348—2019《民用建筑電氣設(shè)計規(guī)范》,教室的照度應(yīng)在200～500 lx[5]。而鴻遠樓當(dāng)前的照度為300 lx,為了節(jié)約能耗,選擇將目標(biāo)照度設(shè)定為275 lx和250 lx,其照度仍然符合教室照明標(biāo)準(zhǔn)。利用模擬軟件對其進行能耗模擬,目標(biāo)照度改變前后能耗變化如圖8所示。

圖8 目標(biāo)照度改變前后能耗變化

由圖8可得,相比原方案,方案一和方案二分別節(jié)能2.98%和5.85%,雖然能耗減少了,但總能耗的節(jié)能效果并不突出。

3.2.3 照明系統(tǒng)綜合節(jié)能改造

對照明系統(tǒng)進行綜合節(jié)能改造,即功率密度取9 W/m2,目標(biāo)照度取250 lx,照明綜合改造能耗對比如圖9所示。

圖9 照明綜合改造能耗對比

從圖9可以看出,照明綜合改造后其建筑總能耗降為4 503.32 MWh,節(jié)能10.02%,相比于圍護結(jié)構(gòu)的節(jié)能效果,照明系統(tǒng)的節(jié)能效果并不理想,最主要原因是教學(xué)建筑有最低照明要求,不能只為了節(jié)能而犧牲建筑的使用價值和舒適性。

3.3 供暖制冷節(jié)能改造方案及分析

供暖和制冷的總能耗占建筑總能耗的54.2%,因此供暖和制冷的節(jié)能改造對于總能耗的降低具有重大意義[6]。當(dāng)前鴻遠樓采用暖氣集中供暖,制冷主要依靠風(fēng)扇和自然通風(fēng),這樣的供暖和制冷方式效率低,能源浪費較大,且無法保證室內(nèi)的舒適度。因此,供暖和制冷節(jié)能改造的第一步是選擇合適的供暖和制冷方式。

3.3.1 采用空調(diào)系統(tǒng)進行供暖和制冷

為了降低能耗,改用風(fēng)冷冷水機組的中央空調(diào)系統(tǒng)作為建筑供暖和制冷方式。利用模擬軟件對其進行能耗模擬,采用空調(diào)系統(tǒng)前后能耗對比如圖10所示。

圖10 采用空調(diào)系統(tǒng)前后能耗對比

從圖10可以看出,采用空調(diào)系統(tǒng)后,用于供暖制冷的能耗顯著降低。采用空調(diào)系統(tǒng)后,建筑總能耗降為4 334.89 MWh,節(jié)能13.38%。這樣的節(jié)能效果還算不錯,如果針對該空調(diào)系統(tǒng)進行節(jié)能改造,其節(jié)能效果將更進一步。

3.3.2 空調(diào)系統(tǒng)排風(fēng)熱回收改造

空調(diào)系統(tǒng)排出的空氣中含有大量的能量,如果能將這份能量合理回收利用,將會進一步減少能耗[7]。這需要對空調(diào)系統(tǒng)添加排風(fēng)熱回收裝置,本文采用三種方案,分別采用換熱效率60%、70%、80%的裝置。利用模擬軟件對空調(diào)系統(tǒng)的三種熱回收方案進行模擬。風(fēng)熱回收能耗對比如圖11所示。

圖11 風(fēng)熱回收能耗對比

由圖11可得,在空調(diào)系統(tǒng)添加排風(fēng)熱回收裝置后,空調(diào)和建筑總能耗都有顯著的降低。可看出,改造后的建筑總能耗分別節(jié)能7.78%、9.05%和10.30%。節(jié)能效果還算不錯。

3.3.3 空調(diào)系統(tǒng)通風(fēng)時間改造

如果室內(nèi)采用空調(diào)系統(tǒng),那么通風(fēng)是必不可少的。而空調(diào)系統(tǒng)默認(rèn)大部分時間都進行通風(fēng),這樣對于使用空調(diào)系統(tǒng)的建筑必然產(chǎn)生額外的負(fù)荷。所以合理設(shè)置通風(fēng)時間是一項必要的節(jié)能改造措施[8]。通風(fēng)時間段的選擇就需要對西安的天氣情況進行詳細的分析,找到更加貼合西安天氣的通風(fēng)方案?？照{(diào)系統(tǒng)逐月供暖和制冷能耗如表5所示。

由表5可以得到,5月～9月空調(diào)以制冷為主,其他月份空調(diào)以供暖為主。在以制冷為主的月份中,選擇每個月平均溫度最高的5天,再利用逐時溫度分析室外溫度低于制冷溫度的時間段,從而確定制冷月份的通風(fēng)時間;在以供暖為主的月份中,選擇每個月平均溫度最高的5天,然后利用這5天確定一個時段來代表本月溫度最高的時段,從而確定供暖月份的通風(fēng)時間。通風(fēng)時間段規(guī)劃如表6所示。

表5 空調(diào)系統(tǒng)逐月供暖和制冷能耗

表6 通風(fēng)時間段規(guī)劃

在模擬軟件中按照上述設(shè)定對建筑進行能耗模擬,通風(fēng)時間改變前后能耗對比如圖12所示。

由圖12可以看出,改變通風(fēng)時間的節(jié)能效果較為明顯,空調(diào)和建筑總能耗節(jié)約分別為17.64%和8.31%,節(jié)能效果比較明顯。

圖12 通風(fēng)時間改變前后能耗對比

3.3.4 空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)溫度改造

空調(diào)通過送風(fēng)口送出較高或較低溫度的風(fēng)來供暖或制冷,如果送風(fēng)溫度偏高或偏低,都不利于能源的節(jié)約。因此,可以通過改變送風(fēng)溫度來降低能耗。送風(fēng)溫度改造方案如表7所示。

表7 送風(fēng)溫度改造方案

在模擬軟件中按照上述設(shè)定進行能耗模擬,不同送風(fēng)溫度能耗對比如圖13所示。

圖13 不同送風(fēng)溫度能耗對比

從圖13可得,雖然兩種方案都有一定的節(jié)能效果,但其節(jié)能只有1.41%和0.54%,這也側(cè)面證明溫度設(shè)定不是越低就越節(jié)能。

3.3.5 空調(diào)系統(tǒng)綜合節(jié)能改造

將所有節(jié)能措施的最優(yōu)選項組合到一起,實現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)的綜合節(jié)能改造。

空調(diào)系統(tǒng)的改造主要包括以下內(nèi)容:排風(fēng)熱回收:熱回收效率為80%;改變通風(fēng)時間;改變送風(fēng)溫度:供暖送風(fēng)溫度為28 ℃,制冷送風(fēng)溫度為18 ℃。

在模擬軟件中按照上述內(nèi)容對其進行能耗模擬,空調(diào)改造能耗對比如圖14所示。

圖14 空調(diào)改造能耗對比

由圖14可以看出,添加空調(diào)系統(tǒng)后,空調(diào)和建筑總能耗節(jié)約為24.68%和13.38%,空調(diào)綜合改造后,空調(diào)和建筑總能耗節(jié)約分別為46.41%和25.16%,這樣的節(jié)能效果已經(jīng)十分顯著。

4 建筑綜合節(jié)能改造方案及分析

整合所有節(jié)能措施的最優(yōu)方案,對建筑進行全面的節(jié)能改造。建筑綜合改造方案如表8所示。

表8 建筑綜合改造方案

在模擬軟件中按照表8對其進行能耗模擬,建筑綜合節(jié)能前后能耗對比如圖15所示。

圖15 建筑綜合節(jié)能前后能耗對比

由圖15可以看出,綜合改造后照明、供暖制冷節(jié)能分別為51.96%、62.69%,建筑總能耗降為2 256.44 MWh,節(jié)能54.91%,這表明提出的節(jié)能改造措施作用顯著,建筑節(jié)能潛力巨大。

5 結(jié) 語

本文從三個方面提出節(jié)能方案并對其進行能耗模擬分析,各方案分析結(jié)果如下:

(1) 對建筑的圍護結(jié)構(gòu)進行節(jié)能改造后,其外墻、屋頂和外窗最優(yōu)方案節(jié)能分別為3.32%、7.01%和18.76%,進行綜合改造后建筑總能耗節(jié)能28.69%。這表示建筑圍護結(jié)構(gòu)的節(jié)能改造效果相當(dāng)可觀。

(2) 對照明系統(tǒng)進行節(jié)能改造后,其照明功率密度和目標(biāo)照度最優(yōu)方案節(jié)能分別為5.37%和5.85%,綜合改造后建筑總能耗節(jié)能10.02%,節(jié)能效果較為明顯。

(3) 采用中央空調(diào)系統(tǒng)供暖和制冷,總能耗節(jié)約13.38%。對空調(diào)系統(tǒng)采取排風(fēng)熱回收、調(diào)整通風(fēng)時間和改變送風(fēng)溫度的措施,最優(yōu)方案節(jié)能分別為10.30%、8.31%和1.41%,綜合改造后節(jié)能25.16%,節(jié)能效果比較顯著。

(4)對所有節(jié)能改造措施進行綜合模擬,建筑總能耗降為2 256.44 MWh,總節(jié)能效果提高到54.91%,模擬節(jié)能效果尤為突出,對于建筑實際節(jié)能改造具有重要參考意義。