基于NM-BIN模型的既有建筑节能改造分析

2018-09-27樊成亮丁云飞2刘龙斌

建筑热能通风空调 2018年8期

樊成亮丁云飞、2刘龙斌

1广州大学土木工程学院 2广州大学广东省建筑节能与应用技术重点实验室

0 引言

我国建筑能耗已占到社会全部能耗的30%左右，目前还在持续增加，空调能耗约占建筑总能耗的60%[1]。合理的节能改造措施可以有效降低建筑能耗。在进行改造前需要对建筑能耗进行评价，由于专业能耗软件需要复杂的建模，在实际场合中，工程师需要快速评价建筑全年能耗，BIN法因其简单易操作的优点可以很好的满足这种需求。BIN法也叫温度频数法，由ASHRAE[2]提出。为了提高其准确性，ASHRAE又对其进行了改进，得到Modified BIN法（M-BIN法）[3]。在经济性和能源使用效率分析中，M-BIN模拟的季节性数据80%优于DOE-2，还能节省45.57%的能源使用[4]。为了更加准确地评价建筑能耗，综合他们的研究，对辐射项的改进和含湿量划分频段同时进行。得到的NM-BIN法提高了对不同气候类型下建筑能耗评价的准确性，方便了工程人员快速评价建筑能耗。

自2004年以来，为提高已有建筑的能源效率，许多研究者实施了一些节能改造策略[5]，并且获得了较大的效益。仍然存在的问题在于，很少有人对节能改造提出一种方便可行的典型的方案或是普适的策略[6]。本文利用NM-BIN法对夏热冬冷地区南京某办公建筑的节能改造方案进行能耗评价，得到围护结构热工性能对空调能耗的影响结果。

1 NM-BIN模型

1.1 空调能耗

NM-BIN模型中，空调负荷主要由太阳辐射负荷（Rad）、传导负荷（Temp）、内部负荷（Occ）、新风负荷（Inf）组成[7-8]。采用NM-BIN法计算空调能耗，其实质是每段温湿度对应的单位面积冷负荷乘以该温湿段下的频数。

1）太阳辐射负荷

改进后的辐射得热项见式（1），认为辐射得热与BIN温度独立，不成线性关系，辐射负荷变化只与辐射强度有关。

式中：Radt为由太阳辐射引起的负荷，W/m2；SCLt,i为 t时刻朝向i的太阳辐射强度，W/m2；Ai为朝向i表面窗户面积，m2；Af为建筑面积，m2；SCi为朝向 i的遮阳系数；Aci为朝向i窗户有效面积系数；n为玻璃朝向总数。

2）传导负荷

透过围护结构由温差引起的稳定传热部分可由式（2）计算：

式中：Tempc,t为由温差引起的稳定传导负荷，夏天为正，冬天为负，W/m2；Ki为朝向i表面传热系数，W/(m2℃)；Ai为朝向 i表面墙体面积，m2；To为室外空气干球温度，℃；Tr为室内设定温度，℃；n为围护结构传热表面数。

改进的透过围护结构不稳定传热部分可由式（3）计算，认为传热温差受太阳辐射强度影响，不与BIN温度成线性关系：

式中：Temps,t为日射形成的导热负荷，W/m2；Aj为朝向j表面墙体面积，m2；Kj为朝向 j表面传热系数，W/(m2℃)；TD为太阳辐射在j表面形成的辐射温差，℃；αj为表面j太阳辐射吸收系数；hout为围护结构外表面对流换热系数，W/(m2℃)。

传导总负荷由稳定传热和不稳定传热组成，可由式（5）计算：

3）新风负荷

新风负荷包含潜热和显热负荷，分别由式（6）、式（7）计算：

式中：Inft,s为新风进入室内形成的显热负荷，W/m2；ρa为室内空气密度，kg/m3；Cp为室内空气比热容，J/(kgK)；Va为新风和渗透风量，m3/s。

式中：Inft,lat为新风进入室内形成的潜热负荷，W/m2；hp为室内空气焓值，kJ/kg；do为室外空气含湿量，kg/kg干空气；dr为室外空气含湿量，kg/kg干空气。

由新风引起的总负荷由式（8）计算：

4）内部负荷

包含人员、设备、照明的向室内的散热。

式中：Qcct为内部散热引起的负荷，W/m2；Qccmax为室内最大散热量，W；AU为同时散热系数。

式中：Loadbin为空调能耗，Wh；i为 BIN 温度段，℃；j为BIN含湿量段，g/kg干；m，k分别对应最大BIN温湿段；n为对应BIN温湿段小时的频数；CLi,j为对应BIN温湿段的负荷，W/m2；Af为空调区域面积，m2。

空调系统耗电量可由式（12）计算：

式中：COPbin为不同BIN温度下空调设备能效比。

1.2 BIN数据的统计

1）BIN温度的统计

当夏季室内设计温度为26℃时，认为室外BIN干球温度≥26℃，日射得热传导得热渗透风新风得热以及建筑内部得热就会全部转化为室内冷负荷；而对于室外BIN干球温度≤24℃的情况，认为即使室内有得热量，依靠自然通风就可以完全抵消这部分得热量，此时日射得热，渗透风，新风潜热以及内部得热不转换为室内冷负荷；当室外干球温度大于24℃且小于26℃时，认为自然通风无法完全抵消室内负荷，需要补充部分冷量。BIN温度间隔取2℃。

2）BIN湿度的统计

认为含湿量与BIN温度相对独立，对含湿量也划分频段。室内含湿量低于11.5 g/kg干时，认为室内空气需要加湿。当室内含湿量高于11.5 g/kg干时，为了满足室内设定参数，认为室内空气需要除湿。BIN湿度间隔取2 g/kg干。BIN气象数据采用标准年气象数据[9]。选取的城市是：夏热冬冷地区的南京。表1统计了南京的空调期一班制温湿频参数。

表1 南京空调期BIN参数统计

2 建筑模型

以南京市某十层办公楼为例，EnergyPlus建模见图1，建筑总面积13376 m2，主体高度42.5 m，空调面积11136 m2。5～10月开空调，空调时间为8:00-18:00。空调系统采用风机盘管加新风系统。表2给出该图书馆一班制人员、设备、照明同时使用系数（AU），其他时间AU为0。室内设计参数见表3，围护结构热工性能见表4。用NM-BIN法对该办公建筑进行能耗评价，可以得到计算式（13）：

式中：Load为改造后的空调能耗，kWh；ti为温度段为i时的BIN温度，℃；di,j为温度段为i，湿度段为j时的BIN湿度，g/kg干。

图1 办公建筑模拟外观图

表2 同时使用系数（AU）

表3 室内设计参数

表4 围护结构热工性能

为了验证NM-BIN法在全年能耗统计上的准确性和可靠性，改造前的建筑空调能耗分别由NM-BIN和EnergyPlus进行模拟对比。EnergyPlus已经被研究证明具有极高的计算准确性和可靠性，其最大计算偏差不超过5.2%[10]。改造前该建筑的空调能耗用EnergyPlus和NM-BIN法模拟的结果分别为2202.2 MWh和2333.1 MWh，相对误差为5.61%，误差在可接受范围内。

3 节能改造分析

3.1 外墙改造

根据《公共建筑节能设计标准》（GB 50189-2015）[11]对南京地区该办公建筑外墙传热系数的限值要求为≤1.0 W/(m2K)，节能改造方案见表5。改造的墙体采用加气混凝土砌块，保温层采用聚苯板，采用NM-BIN法模拟得到墙体的热工性能对建筑能耗的影响见图2。

表5 外墙改造方案

图2 不同墙体厚度下保温层与能耗关系图

图2说明随着外墙保温层厚度和加气混凝土厚度的增加该办公建筑在南京地区的空调能耗逐渐下降，当保温层厚度为40 mm，外墙厚度为240 mm时，与改造前相比每年减少空调能耗88.6 MWh，节能率为4.02%，外墙厚度不变，保温层厚度从0 mm增加至40 mm时，全年能耗最多降低2.17%。由于南京冬季外墙有保温的需求，这说明在南京地区原外墙改为同等厚度的加气混凝土砌块加保温层厚40 mm时能耗降幅最明显。

3.2 外窗改造

《公共建筑节能设计标准》对不同朝向的玻璃传热系数给出了限值见表6。外窗的改造方案见表7，列出几种常见的玻璃和主要热工性能。现把原有外窗根据方案三进行改造，通过增设外遮阳构件，可以进一步降低遮阳系数。

表6 外窗规定热工参数值

表7 外窗改造方案

图3说明外减小外窗遮阳系数能有效降低空调能耗，传热系数不变时，遮阳系数与空调能耗存在线性关系。外窗遮阳系数每减小0.1，总能耗降低33.1 MWh，节能率为1.50%，外窗传热系数每减小1 W/(m2K)，总能耗降低7.1 MWh，节能率为0.32%，这说明改变外窗传热系数对全年空调能耗影响较小，降低外窗外遮阳系数的节能效果更明显。当遮阳系数从改造前的0.85降至0.2时，全年空调总能耗降低198.6 MWh，节能率为9.02%。

图3 不同外窗传热系数下遮阳系数与能耗关系图

3.3 屋顶改造

对于既有屋顶的改造，要使改造后的屋面传热系数≤0.7 W/(m2K)，选择挤塑聚苯板作为保温材料。不同保温厚度下屋顶的传热系数及空调能耗见图4。图中可以看出，当保温层厚度从0 mm增加到30 mm，能耗下降4.95%，此后，空调能耗降幅逐渐减小，从30 mm增加到40 mm时，能耗仅下降0.45%，这说明屋顶保温层并不是越厚越好。从经济性和节能考虑，保温层厚度可选择30 mm，此时屋顶传热系数为0.527 W/(m2K)。此外，采用预制箱式屋顶绿化也能很好的增加屋顶保温性能，减少太阳辐射吸收，降低空调能耗。