珠海某大学图书馆大楼建筑能耗分析及节能改造

廖爱群 LIAO Ai-qun；易讯 YI Xun

（北京理工大学珠海学院工业自动化学院，珠海 509085）

1 图书馆调研及高能耗分析

图书馆建筑在公共建筑中一般为开阔式环境，而在本设计中的房间的房型属于大深进的类型，为塑造一个安静、舒服的阅读环境和清新的呼吸环境，图书馆内房间大部分时间需要保持关闭，以此来减少灰尘量，所以房间内需要利用中央空调系统的机械性的通风来对室内进行气流组织通风。图书馆因为日工作时间长，电气化设备运转时间长负荷量大，也间接导致整个建筑的能耗大，其中单空调耗能就超过了50%。因此如何有效的改造图书馆的空调系统，其节能改造是降低能耗损失的一大关键因素。

2 天正暖通的空调系统设计

在建筑设计平面图上，设置各个房间的人员密度等一些的相关参数，进行冷热负荷计算；利用DeST分析整栋楼的能耗，检验将全水系统改换成全空气系统后的空调能耗对电耗影响；最后对本次设计提出改善措施，分析通过改良图书馆墙的窗及空调系统来提升室内良好的热湿环境以及空气质量的模拟效果，并输出相关数据报告。

2.1 室外气象参数

珠海坐落于广东省的中部为亚热带，时常有东夏季风，一年的气温是相对偏高，冬暖夏热，夏天太阳辐射强度如图1所示。

如图2、图3所示：同时经过数据整理分析得出珠海一年四季的主要气候特征和简要概况：从七月气温来看，珠海平均气温约为24℃。气温的年间变化一般在22℃到28℃之间。年平均气温最高时29℃；最低时20℃，年最低时44%，年最低气温5.0℃。最低气温在10.0℃以下的月份仅为7%，59%的年份最高气温为25.0℃-30℃。最高气温低于25.0℃的年份也有60%。最热月份七月日平均温度为28.81℃，日最高温度平均值为33.43℃，日最低平均温度为25.72℃。数据显示空调控制温度应为26℃，空调度日照数为282.3471小时，空调度小时数为8542小时。设计的室外设计气象参数根据来源于GB 50736-2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》[1]。

图2 珠海某年全年温度分布统计图

图3 珠海某年十二个月的干球温度统计

2.2 图书馆室建筑参数

珠海某大学图书馆建在校内交通外环线主干道旁，一侧有河道。面向学校足球运动场。离教育学区和生活区域也比较近。图书馆主体为长方体结构建筑，共10层，建筑面积15120m2，空调面积9300m2。主要设计楼层为图书馆的1-3层，共有2间阅览室，2间自习室，1个视听室，两个机房，3个洗手间，两层接待室以及走廊、洗手间、门厅等结构。该高校的图书馆1-3楼为研究对象，建筑总面积5040m2，层高4.2m。图书馆墙体为钢筋混凝结构，内门皆为普通单层门，透光材料为普通单层玻璃。其中分为分别1-2层的图书馆文献书籍区域和3层的多功能电脑机房进行研究分析。建筑总高度12.6 m。主要结构是框架结构。其中一楼由1间接待室、3会议室和一个大厅组成，二楼则全部是书籍的存放区域，三楼由3间大机房组成，其中含有两间自习室和一间多媒体同传室，两间大会议室。同时3层均有两个男女卫生间。

3 基于DeST的围护结构设计

利用CAD、天正暖通绘制图书馆1-3层建筑平面图，通过调研获得各个房间的人员密度等一些的相关参数，进行冷热负荷计算，统计出冷热负荷。导出各层平面图；用DeST软件分析整栋楼的能耗，来检验将全水系统改换成全空气系统后的空调能耗对电耗影响；最后对本次设计提出改善措施，分析通过改良图书馆墙的窗及空调系统来提升室内良好的热湿环境以及空气质量的模拟效果，并输出报告。

3.1 Medpha

室外气象参数Medpha（Meteorological Data Producer for HVAC Analysis）是重要的基础数据，对图书馆系统进行逐时太阳辐射量动态模拟分析。根据相关建筑节能设计标准中的典型气象年选取方法，Medpha选出了具有普遍性的典型的气象年。通过气象年来对图书馆进行能耗模拟分析并输出一整年的模拟基础数据。

3.2 VentPlus

自然通风VentPlus自然通风的模拟是多区域网络模型。图书馆是运用VentPlus模拟系统，其中图书馆中的每层的每个房间是一个区域也是一个网络节点。如果和空气融合且空气的参数相同，那么图书馆的内门、窗户开口、缝隙等相连接各网络节点也就流通了起来，从而就形成了流体网络。利用自然通风模拟模块VentPlus得到的计算结果，再优化窗孔设计中，尽可能利用自然通风，降低空调能耗。在本次设计中需要在设计规范的前提下保证墙窗比，来利用自然通风。

3.3 Scheme

方案分析Scheme空调系统方案设计这一部分不仅衔接着一开始的图书馆的热过程解析还对后期的设备选择有重要的作用。模型在负荷计算结束后，空调系统方案模拟Scheme还需进行如下四个步骤：①添加系统；②添加房间到系统；③设定系统内房间属性；④设定整体系统属性。当设计到空调部分时，用建筑模拟粗略的对图书馆建筑物本身的热特性了解分析。之后将进行空调系统的选择设定，在此以天正暖通的冷负荷数据作为辅助参考，为图书馆设计选择方案为空气-水系统。

3.4 BShadow

阴影计算BShadow是图书馆环境进行动态的模拟，如图4所示，图书馆所获得日照的热辐射对于图书馆的内部空调系统能耗有持久深远的影响。图书馆周围建筑环境的模拟对阴影计算有影响，需要利用太阳辐射的计算方法来进行计算。本次设计中，图书馆四周无太多的遮挡。因此通过计算得到的图书馆进行365天任意时刻的建筑的日影分布。

图4 日影模拟图

综上几个要点所述，围护结构设计中首先确定了图书馆的几何形状，用CAD建模完成，其次通过DeST也测算出了窗墙比，最后对图书馆的建筑的材料类型进行选型。DeST根据的图书馆优化后的设计方案，对图书馆进行全年每一时刻的温度进行模拟，然后再对采暖空调能耗进行计算。为保证经济性，DeST还对图书馆进行了相应的空调方案的经济性分析，从费用合理性和可持续性两方面进行考量。图书馆建筑设计需要最后和实际需求进行比对，如结合珠海当地气候和珠海当地设计标准得出最优方案。

4 DeST模拟后能耗分析

经过对比结果分析，围护结构节能后建筑能耗都有所减小。如图5、图6所示。同时，由于夏天气候闷热因此对空调设备等使用时间长次数多，相对于设计前，图书馆用电的节能相对于以往也大幅度降低了空调的能耗。

图5 图书馆建筑电耗

图6 图书馆内各类电耗情况

如图5所示：以下几个方面减少电耗：空调、照明和通风等。虽然电量均有所减少，但图书馆耗电量最多的仍然是空调的电耗。由于图书馆对于其他用电需求特别高，加上DeST模拟软件对机房设备的能模拟也无特别的处理，所以还有改善空间。

5 节能改造

从保温、经济性和声环境这三方面来考虑。对于门窗来说，影响较小，首先考虑的是经济型，其次再考虑节能性能。

①现有空调系统的改良，同时作为长时间学习的区域，室内的空气质量要求也要达到标准。所以按照设计需求，空调按照两个区域进行划分：办公区域使用的是风机盘管和新风系统。这种系统对实际空调使用量的控制有很好的节能效果。而对于公共区域来说学生密度高、面积广，因此采用全空气系统是最好的了。按照设计规范，图书馆的温度应维持再26℃左右，室内湿度应该保持在60%，前文再新风量的设计上也要达到标准补充量。②考虑系统选型对于图书馆面积大，空气质量要求高，使用全水系统仅能减少室内余热和余湿，对空气质量没有控制。因为各房间功能不同，而也采用了分区考虑，但是对于借阅室占据一、二层的大面积，冷负荷和热负荷也大致相同，所以使用全空气系统。③在气温上的围护也做到一开始所设定的10℃到30℃之间，有效的对图书馆内藏书得到了好的温度控制和书籍保护。结合以上信息，此次节能设计从对围护结构进行的优化，和空调系统的重新设计，墙体保温方案设计见表1，各方案而而在达到了建筑要求的前提下，同时从节能性和经济性考虑，选择方案二是节能效果得到了提升也符合实际成本和运行的方案。通过对门、窗、墙围护结构的改善，有效的把全年累计冷负荷量从原本的614391.3kW·h降低至573754.61kW·h，共有效降低了40636.69kW·h。④由于条件有限，这次设计研究仍有很大的改良空间。没有对公共区域的通风设计进行改善，图书馆附楼的报告厅等场所会产生一定的余热，因此需要通风处理，设置排风系统。

表1 墙体保温方案的设计

6 小结

本设计研究中心点是基于图书馆的初始建筑信息以及当地气候，对现有公共建筑—珠海市某高校图书馆大楼进行节能优化。在设计中利用了天正暖通进行的冷负荷计算，来对空调系统的选型进行对比，最后进行空调系统方案的选择。结论方案可为其他同类设计提供了可行性参考。