基于能耗模拟的某高校教学楼节能改造设计*

2022-07-02巫春玲马力圣王致垚

现代建筑电气 2022年5期

关键词：传热系数照度围护结构

巫春玲, 任凯, 马力圣, 王致垚

(长安大学电子与控制工程学院, 陕西西安 710064)

0 引言

在高校持续扩招、校区频繁新建、扩建的大时代背景下,高校能源消耗持续增长。而目前大部分高校教学建筑都缺乏节能理念,从设计到建造过程有诸多缺陷,因此教学建筑拥有很大的节能潜力和改造空间[1-2]。

本文以长安大学鸿远教学楼为研究对象,运用Revit建模,并使用DesignBuilder对其进行能耗模拟;提出节能改造方案,并进行改造后建筑的能耗模拟,从而分析改造方案的可行性和节能效果,为今后相关建筑的设计和节能改造提供参考。

1 项目概况

长安大学鸿远教学楼地处西安市北郊,共有5层,总建筑面积为19 326.90 m2,楼的主体高度为23.23 m。教学楼教室使用的主要用电负荷为荧光灯、电脑和风扇,采用暖气集中供暖,制冷主要依靠风扇,通风情况一般,因此人体舒适性较差。

鸿远教学楼建设时间较早,采用框架结构支撑起整个建筑。建筑的详细围护结构情况及其传热系数如表1所示。

表1 建筑的详细围护结构情况及其传热系数

现有鸿远教学楼的外围护结构都没有采用保温措施,夏季室内温度较高,制冷主要依靠自然通风和吊扇,通风情况较差;冬季没有采取足够的措施对供暖进行保温,能耗较高。此外,教学楼照明也没有采用智能照明节能方式,能耗浪费严重。

2 改造前能耗情况

为了对比节能改造方案的必要性,须对改造前建筑的能耗情况进行模拟[2-3]。鸿远教学楼三维模型如图1所示。

图1 鸿远教学楼三维模型

运用模拟软件进行教学楼建筑能耗模拟分析。建筑各分项能耗如图2所示。

由图2可得,建筑能耗中用于供暖和制冷的能耗共占54.2%,用于照明的能耗占总能耗的39.1%;房间电耗以教学设备为主,占总能耗的6.7%。

图2 建筑各分项能耗

3 节能改造方案及能耗情况分析

根据上述模拟结果,提出在围护结构、照明系统及供暖制冷三个方面进行节能改造。通过对比改造前后模拟得到的数据,分析相应措施的节能效果。

3.1 围护结构节能改造方案及分析

一般建筑都是由墙、窗、门和屋顶组成,由于门对于室内外温度影响微乎其微,所以本文主要研究外墙、屋顶和外窗3方面。

3.1.1 外墙节能改造

鸿远楼的外墙结构为200 mm混凝土砌块、20 mm水泥砂浆、20 mm石灰砂浆和10 mm粉刷石膏,在DesignBuilder中完成构造后得到其传热系数为0.774。在《西安市公共建筑节能设计标准》中规定其要小于等于0.6[4]。鸿远楼的外墙并不符合西安市的相关标准,因此通过降低其传热系数来对外墙进行节能改造。外墙改造前后及其传热系数如表2所示。

表2 外墙改造前后及其传热系数

利用模拟软件对改造外墙后的建筑进行能耗模拟。外墙改造前后能耗对比如图3所示。

由图3可以看出,方案一和方案二建筑总能耗分别节约了87.99 MWh和166.27 MWh,其节能分别为1.76%和3.32%,这样的节能效果并不优异。这说明外墙的节能措施不能对建筑的能耗情况有明显改善。

图3 外墙改造前后能耗对比

3.1.2 屋顶节能改造

鸿远楼的屋顶结构为100 mm钢筋混凝土、20 mm水泥砂浆、20 mm防水层和20 mm涂料保护层,在DesignBuilder中完成构造后得到其传热系数为2.732,很明显屋顶的传热系数偏大,保温隔热性能差。屋顶改造前后及其传热系数如表3所示。

表3 屋顶改造前后及其传热系数

利用模拟软件对改造屋顶后的建筑进行能耗模拟,屋顶改造前后能耗对比如图4所示。

图4 屋顶改造前后能耗对比

从图4可以看出,屋顶改造的节能效果优于外墙改造,相比改造前,方案一和方案二总能耗分别节能4.75%和7.01%。由此可看出屋顶的节能改造效果比较明显。

3.1.3 外窗节能改造

鸿远楼使用6 mm单层无色玻璃,其传热系数达到5.778,使得室内温度极易受到室外温度的影响。选择传热系数小的玻璃,安装遮阳措施可以有效地降低外窗的传热系数。外窗玻璃改造前后及其传热系数如表4所示。

表4 外窗玻璃改造前后及其传热系数

利用模拟软件对改造外窗后的建筑进行能耗模拟。外窗改造前后能耗对比如图5所示。

图5 外窗改造前后能耗对比

由图5可得,改造方案建筑总能耗降为4 065.78 MWh,节能18.76%,由此可看出外窗的节能改造效果较为突出。

3.1.4 围护结构综合节能改造

对教学楼围护结构进行综合节能改造,并利用模拟软件对其进行能耗模拟。围护结构改造前后能耗对比如图6所示。

图6 围护结构改造前后能耗对比

从图6可以看出,经过改造围护结构后,照明和供暖节能效果显著,建筑总能耗降为3 568.63 MWh,节能28.69%,由此可见,建筑围护结构具有较大的节能潜力。

3.2 照明系统节能改造方案及分析

照明能耗占建筑总能耗的39.1%,是建筑耗能最多的部分,因此照明系统的节能改造对于整个建筑的节能有重要意义。照明系统主要有功率密度和目标照度两个参数,合理设置两个参数能够有效地降低照明系统的能耗,从而降低整个建筑的能耗。

3.2.1 改变功率密度

根据DBJ/T 61-60—2011《西安市公共建筑节能设计标准》,学校教室照明功率密度的现行值为11 W/m2,目标值为9 W/m2,而鸿远楼当前照明功率密度为11 W/m2,在保证照度情况下,选择将照明功率密度降为10 W/m2、9 W/m2,并利用模拟软件对其进行能耗模拟。照明功率密度改变前后能耗变化如图7所示。

图7 照明功率密度改变前后能耗变化

从图7可以看出,在改变照明功率密度的情况下,相比改造前两个方案分别节能2.71%和5.37%,这样的节能效果并不显著,所以仅靠改变功率密度不能显著降低建筑能耗,需要从照度方面进一步进行节能改造。

3.2.2 改变目标照度

根据GB 51348—2019《民用建筑电气设计规范》,教室的照度应在200～500 lx[5]。而鸿远楼当前的照度为300 lx,为了节约能耗,选择将目标照度设定为275 lx和250 lx,其照度仍然符合教室照明标准。利用模拟软件对其进行能耗模拟,目标照度改变前后能耗变化如图8所示。

图8 目标照度改变前后能耗变化

由图8可得,相比原方案,方案一和方案二分别节能2.98%和5.85%,虽然能耗减少了,但总能耗的节能效果并不突出。

3.2.3 照明系统综合节能改造

对照明系统进行综合节能改造,即功率密度取9 W/m2,目标照度取250 lx,照明综合改造能耗对比如图9所示。

图9 照明综合改造能耗对比

从图9可以看出,照明综合改造后其建筑总能耗降为4 503.32 MWh,节能10.02%,相比于围护结构的节能效果,照明系统的节能效果并不理想,最主要原因是教学建筑有最低照明要求,不能只为了节能而牺牲建筑的使用价值和舒适性。

3.3 供暖制冷节能改造方案及分析

供暖和制冷的总能耗占建筑总能耗的54.2%,因此供暖和制冷的节能改造对于总能耗的降低具有重大意义[6]。当前鸿远楼采用暖气集中供暖,制冷主要依靠风扇和自然通风,这样的供暖和制冷方式效率低,能源浪费较大,且无法保证室内的舒适度。因此,供暖和制冷节能改造的第一步是选择合适的供暖和制冷方式。

3.3.1 采用空调系统进行供暖和制冷

为了降低能耗,改用风冷冷水机组的中央空调系统作为建筑供暖和制冷方式。利用模拟软件对其进行能耗模拟,采用空调系统前后能耗对比如图10所示。

图10 采用空调系统前后能耗对比

从图10可以看出,采用空调系统后,用于供暖制冷的能耗显著降低。采用空调系统后,建筑总能耗降为4 334.89 MWh,节能13.38%。这样的节能效果还算不错,如果针对该空调系统进行节能改造,其节能效果将更进一步。

3.3.2 空调系统排风热回收改造

空调系统排出的空气中含有大量的能量,如果能将这份能量合理回收利用,将会进一步减少能耗[7]。这需要对空调系统添加排风热回收装置,本文采用三种方案,分别采用换热效率60%、70%、80%的装置。利用模拟软件对空调系统的三种热回收方案进行模拟。风热回收能耗对比如图11所示。

图11 风热回收能耗对比

由图11可得,在空调系统添加排风热回收装置后,空调和建筑总能耗都有显著的降低。可看出,改造后的建筑总能耗分别节能7.78%、9.05%和10.30%。节能效果还算不错。

3.3.3 空调系统通风时间改造

如果室内采用空调系统,那么通风是必不可少的。而空调系统默认大部分时间都进行通风,这样对于使用空调系统的建筑必然产生额外的负荷。所以合理设置通风时间是一项必要的节能改造措施[8]。通风时间段的选择就需要对西安的天气情况进行详细的分析,找到更加贴合西安天气的通风方案。空调系统逐月供暖和制冷能耗如表5所示。

由表5可以得到,5月～9月空调以制冷为主,其他月份空调以供暖为主。在以制冷为主的月份中,选择每个月平均温度最高的5天,再利用逐时温度分析室外温度低于制冷温度的时间段,从而确定制冷月份的通风时间;在以供暖为主的月份中,选择每个月平均温度最高的5天,然后利用这5天确定一个时段来代表本月温度最高的时段,从而确定供暖月份的通风时间。通风时间段规划如表6所示。