某教育類建筑群冷熱負(fù)荷和熱水負(fù)荷規(guī)劃設(shè)計(jì)和效益分析

周玉娟，李 凱

（1.江蘇開放大學(xué)，江蘇 南京 210036；2.南京金宸建筑設(shè)計(jì)有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引言

近年來，我國科教興國和人才強(qiáng)國戰(zhàn)略的不斷深入，教育越來越受人們重視，教育需求也日益高漲，尤其是高等教育規(guī)模呈現(xiàn)大幅增長的趨勢，新建或異地新建校區(qū)的大學(xué)不斷增多，就江蘇省而言，僅2020年，南京大學(xué)蘇州校區(qū)、河海大學(xué)常州新校區(qū)、南京林業(yè)大學(xué)白馬新校區(qū)、南京信息工程大學(xué)金牛湖校區(qū)、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)江北新校區(qū)都開啟了建設(shè)工作。

在高校建筑群建設(shè)的過程中，其建筑能耗也成為相關(guān)從業(yè)人員重點(diǎn)關(guān)注和研究的對象。根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，我國高校校園能耗約占社會(huì)總能耗的8%，同時(shí)，學(xué)生人均能耗也明顯高于全國居民人均能耗[1]。在高校建筑能耗的中，校園冷熱負(fù)荷是其重要組成，因此，合理規(guī)劃設(shè)計(jì)校園冷熱負(fù)荷成為節(jié)能的有效措施。本文將以某高校建筑群為例，通過對其冷熱負(fù)荷進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)并做節(jié)能分析，進(jìn)一步探討規(guī)劃設(shè)計(jì)對建筑節(jié)能的效用和影響。

1 工程概況

該工程位于南京市，是教學(xué)類建筑群，占地面積為1158畝（約77.12萬m2），項(xiàng)目建筑總面積約78萬m2，根據(jù)功能主要?jiǎng)澐譃榻虒W(xué)區(qū)、多學(xué)科交叉區(qū)、學(xué)部組團(tuán)區(qū)、行政區(qū)、對外服務(wù)區(qū)、師生公寓區(qū)、體育運(yùn)動(dòng)區(qū)、后勤區(qū)等。

2 各區(qū)域能源需求類型和用能特點(diǎn)

本工程共有3大冷熱負(fù)荷需求：夏季制冷負(fù)荷、冬季制熱負(fù)荷以及生活熱水負(fù)荷。不同的區(qū)域各有特點(diǎn)，教學(xué)區(qū)和宿舍區(qū)用能階段性集中、需求量大、寒暑假和過渡季節(jié)能耗低的特點(diǎn)十分明顯，能源需求不平衡。具體如表1所示。

表1 區(qū)域能源需求類型和用能特點(diǎn)

3 冷熱負(fù)荷和熱水負(fù)荷預(yù)測

3.1 冷熱負(fù)荷預(yù)測方法

由于本工程目前處于規(guī)劃設(shè)計(jì)階段，因此選擇以下方法進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測。

冷熱負(fù)荷：依據(jù)建筑物單位面積指標(biāo)和相應(yīng)的建筑物指標(biāo)進(jìn)行負(fù)荷需求量的預(yù)測。

生活熱水負(fù)荷：公寓按每人每日需求量預(yù)測，其他建筑按單位面積指標(biāo)進(jìn)行負(fù)荷需求量的預(yù)測。

3.2 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)參數(shù)

根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求和建筑條件，對各建筑的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。其室外設(shè)計(jì)參數(shù)和室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)分別如表2和表3所示。

表2 室外設(shè)計(jì)參數(shù)

表3 室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)

3.3 負(fù)荷預(yù)測

3.3.1 冷熱負(fù)荷

考慮到同時(shí)使用系數(shù)和管道損失，制冷與采暖負(fù)荷計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 制冷與采暖負(fù)荷計(jì)算結(jié)果

3.3.2 生活熱水負(fù)荷預(yù)測

根據(jù)建筑用熱水的需要，采用空氣源熱泵與太陽能光熱技術(shù)耦合系統(tǒng)，最大限度地利用可再生能源。本工程的最高日熱水用水量為2730.2 m3/d，最大時(shí)用水量為337.15 m3/h。

4 規(guī)劃設(shè)計(jì)方案

從前文對能源需求和能源使用特點(diǎn)的調(diào)查分析中可以發(fā)現(xiàn)，本工程的用能需求非常多元化，能源負(fù)荷在部分區(qū)域存在潮汐性、季節(jié)性等特征。

4.1 總體方案介紹

結(jié)合校區(qū)可再生能源情況和綠色建筑評價(jià)要求，在校區(qū)規(guī)劃11座集中式冷熱能源站，主要技術(shù)形式為土壤源熱泵空調(diào)系統(tǒng)，以滿足圖書館、大學(xué)生活動(dòng)中心等公共建筑的冷熱需求；教師和學(xué)生公寓等建筑主要采用空氣源熱泵、分體式空調(diào)、多聯(lián)機(jī)等多種空調(diào)形式，滿足個(gè)性化的冷暖負(fù)荷需求。

生活熱水方面，根據(jù)《江蘇省建筑節(jié)能管理辦法》規(guī)定，新建賓館、酒店、商住樓等有熱水需要的公共建筑以及十二層以下住宅，應(yīng)當(dāng)按照規(guī)定統(tǒng)一設(shè)計(jì)、安裝太陽能熱水系統(tǒng)。太陽能建筑一體化是當(dāng)前太陽能利用的發(fā)展趨勢，因此，本工程充分利用公寓樓的屋面，采用太陽能光熱系統(tǒng)，生活熱水優(yōu)先由太陽能熱水系統(tǒng)提供，當(dāng)太陽能熱水供應(yīng)量不能滿足需求時(shí)，則用熱回收機(jī)組作為補(bǔ)充，確保末端的生活熱水供應(yīng)能夠滿足需求。

4.2 空調(diào)系統(tǒng)技術(shù)形式分析

4.2.1 土壤源熱泵空調(diào)系統(tǒng)

土壤源熱泵技術(shù)屬于節(jié)能技術(shù)，適用于建筑密度較低的公共和住宅建筑，本工程的建設(shè)環(huán)境符合土壤源熱泵要求。

（1）空調(diào)系統(tǒng)夏季運(yùn)行工況。選用土壤源熱泵機(jī)組為基礎(chǔ)負(fù)荷熱能轉(zhuǎn)換設(shè)備，冷卻塔為輔助設(shè)備。空調(diào)系統(tǒng)夏季供冷的參數(shù)初步設(shè)定為7/12℃，土壤側(cè)供回水溫度設(shè)定為25/30℃[2]。夏季冷源選用冷卻塔輔助土壤源，在冷負(fù)荷較低時(shí)，可以完全依靠土壤源熱泵供冷，一旦出現(xiàn)峰值負(fù)荷或當(dāng)冷負(fù)荷較大時(shí)，土壤源熱泵供冷不能滿足要求，則需啟動(dòng)輔助冷卻塔裝置，聯(lián)合運(yùn)行輔助冷卻裝置和土壤源熱泵機(jī)組，以保證冷負(fù)荷需求[3]。

（2）空調(diào)系統(tǒng)冬季運(yùn)行工況。根據(jù)新校區(qū)周邊土壤測試結(jié)果，本系統(tǒng)土壤原始溫度約為18.85℃。冬季土壤源溫度穩(wěn)定且不低于15℃，因此冬季工況采用土壤源作為主熱源，有利于提高系統(tǒng)能效。選用土壤源熱泵機(jī)組為基礎(chǔ)負(fù)荷熱能轉(zhuǎn)換設(shè)備，充分利用機(jī)組高效節(jié)能、經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，提供空調(diào)系統(tǒng)的熱源?？照{(diào)土壤源熱泵的冬季供熱參數(shù)設(shè)定值取40/45℃，土壤側(cè)供回水溫度設(shè)定值取5/10℃。

（3）制備生活熱水工況。在制冷季節(jié)利用帶熱回收功能的熱泵機(jī)組制備生活熱水，能源成本僅為自來水費(fèi)用，最大限度地節(jié)約能源。本項(xiàng)目生活熱水設(shè)計(jì)為55～60℃，可以滿足供應(yīng)要求。

4.2.2 空氣源熱泵系統(tǒng)

空氣能是一種低價(jià)位能源。在冬季工況下，空氣源熱泵機(jī)組通過冷媒就能吸收空氣中的低溫?zé)崮?，?jīng)過壓縮機(jī)壓縮后轉(zhuǎn)化為高溫?zé)崮?，加熱水溫，輸送至空調(diào)房間內(nèi)，夏季工況則相反[4]。

空氣源熱泵系統(tǒng)有以下優(yōu)點(diǎn)：①高效節(jié)能，比用直接電加熱的方式節(jié)能67%～75%；②經(jīng)濟(jì)耐用，運(yùn)行費(fèi)用低，費(fèi)用約為電鍋爐的1/4～1/3；③適應(yīng)性強(qiáng)，熱泵機(jī)組能在室外環(huán)境溫度為-25～45℃的情況下正常工作。

4.2.3 區(qū)域能源站

區(qū)域能源站是利用集中裝置向一定范圍內(nèi)的用戶提供冷熱源的大型冷熱站。區(qū)域集中供冷供熱技術(shù)具有節(jié)約投資、高效、環(huán)保、節(jié)約建筑面積并提高建筑美觀度、易于維護(hù)以及可靠性高等顯著優(yōu)勢。

4.3 規(guī)范設(shè)計(jì)方案

在進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，要綜合考慮建筑群整體分布、冷熱負(fù)荷和生活熱水負(fù)荷需求、可再生能源情況以及建筑綠色建筑評價(jià)要求。

4.3.1 冷熱負(fù)荷規(guī)劃

方案規(guī)劃建設(shè)一座集中式冷熱能源站，主要技術(shù)形式為土壤源熱泵空調(diào)系統(tǒng)。該能源站主要滿足大學(xué)生活動(dòng)中心、圖書館等公共建筑冷熱需求，而學(xué)部組團(tuán)、教師公寓、博士公寓、學(xué)生公寓等建筑主要采用空氣源熱泵、分體式空調(diào)、多聯(lián)機(jī)等多種空調(diào)形式，以滿足使用者的個(gè)性化冷暖負(fù)荷需求。

4.3.2 生活熱水負(fù)荷規(guī)劃

生活熱水則最大限度考慮利用太陽能這一綠色可再生的能源。在規(guī)劃方案中選擇太陽能和空氣源熱泵熱水聯(lián)合供應(yīng)系統(tǒng)。具體做法就是在新校區(qū)教師公寓、博士公寓、學(xué)生公寓的建筑物屋頂安裝太陽能集熱管、空氣源熱泵機(jī)組、保溫水箱等設(shè)備，優(yōu)先利用綠色環(huán)保的太陽能制取熱水，以滿足師生日常使用，當(dāng)太陽能熱水供應(yīng)量不能滿足需求時(shí)，用熱回收機(jī)組作為補(bǔ)充，確保末端的生活熱水供應(yīng)能夠滿足廣大師生生活需求。

4.3.3 能源供應(yīng)系統(tǒng)節(jié)能規(guī)劃

（1）通過綠色建筑節(jié)能措施與可再生能源利用技術(shù)，減少熱負(fù)荷，相應(yīng)減少了燃料消耗及輸送能耗。

（2）提高熱源熱效率，從而提高能源利用率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能目的。

（3）減少管網(wǎng)的漏失和熱損，起到節(jié)能作用。

（4）建立能源自動(dòng)監(jiān)控管理系統(tǒng)，提高供熱技術(shù)水平，減少熱力供應(yīng)系統(tǒng)能耗。

5 規(guī)劃效益分析

本工程充分利用太陽能、淺層地?zé)崮?、集中能源、分布能源等多能互補(bǔ)的能源利用模式來保證能源供應(yīng)的安全可靠。核心區(qū)和校級資源共享區(qū)公共建筑可再生能源服務(wù)面積達(dá)到45.25%，可再生能源提供量占供能建筑年均能耗總量的比值約為10.55%。年均可減少CO2排放約1015.90 t，節(jié)約標(biāo)煤154.24 t[5]。

在生活熱水方面，基于本工程周邊太陽能資源具有較好的可利用價(jià)值，適合太陽能光熱技術(shù)應(yīng)用。可安裝太陽能集熱器面積為9130 m2，日均熱水產(chǎn)量為468.32 m3/d，只有當(dāng)太陽能能源受限，不能滿足制取熱水實(shí)際需求的時(shí)候，才啟動(dòng)輔助熱源，由輔助熱源制取。據(jù)統(tǒng)計(jì)估算，本項(xiàng)目熱水缺口量為1064.68 m3/d，需熱量1.75×108kJ，折合用電量約為48 617.74 kW·h。采用空氣源熱泵熱水機(jī)組，在夜間制取熱水，按照能效比COP=2.8計(jì)算，日均實(shí)需電為173 63.48 kW·h，相比電鍋爐等形式，日均節(jié)約用電量31 254.26 kW·h，太陽能制取熱水日均節(jié)約用電量21 385.45 kW·h。兩者合計(jì)為52 639.71 kW·h，日均節(jié)約電費(fèi)28 335.96元。

6 結(jié)語

當(dāng)前，資源和環(huán)境問題已成為全社會(huì)共同關(guān)注的問題，綠色低碳發(fā)展也成為能源轉(zhuǎn)型方向。在高校新校區(qū)建設(shè)的過程中，對能源系統(tǒng)進(jìn)行總體規(guī)劃，既貫徹落實(shí)相關(guān)規(guī)范、政策，也能積極推動(dòng)學(xué)校節(jié)能技術(shù)改造。本文通過具體案例，闡述了教育類建筑群冷熱負(fù)荷和熱水負(fù)荷規(guī)劃設(shè)計(jì)過程，并做了相應(yīng)的效益分析，以期為類似的工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)提供參考。