某教育类建筑群冷热负荷和热水负荷规划设计和效益分析

周玉娟，李 凯

（1.江苏开放大学，江苏 南京 210036；2.南京金宸建筑设计有限公司，江苏 南京 210019）

0 引言

近年来，我国科教兴国和人才强国战略的不断深入，教育越来越受人们重视，教育需求也日益高涨，尤其是高等教育规模呈现大幅增长的趋势，新建或异地新建校区的大学不断增多，就江苏省而言，仅2020年，南京大学苏州校区、河海大学常州新校区、南京林业大学白马新校区、南京信息工程大学金牛湖校区、南京农业大学江北新校区都开启了建设工作。

在高校建筑群建设的过程中，其建筑能耗也成为相关从业人员重点关注和研究的对象。根据调查统计，我国高校校园能耗约占社会总能耗的8%，同时，学生人均能耗也明显高于全国居民人均能耗[1]。在高校建筑能耗的中，校园冷热负荷是其重要组成，因此，合理规划设计校园冷热负荷成为节能的有效措施。本文将以某高校建筑群为例，通过对其冷热负荷进行规划设计并做节能分析，进一步探讨规划设计对建筑节能的效用和影响。

1 工程概况

该工程位于南京市，是教学类建筑群，占地面积为1158亩（约77.12万m2），项目建筑总面积约78万m2，根据功能主要划分为教学区、多学科交叉区、学部组团区、行政区、对外服务区、师生公寓区、体育运动区、后勤区等。

2 各区域能源需求类型和用能特点

本工程共有3大冷热负荷需求：夏季制冷负荷、冬季制热负荷以及生活热水负荷。不同的区域各有特点，教学区和宿舍区用能阶段性集中、需求量大、寒暑假和过渡季节能耗低的特点十分明显，能源需求不平衡。具体如表1所示。

表1 区域能源需求类型和用能特点

3 冷热负荷和热水负荷预测

3.1 冷热负荷预测方法

由于本工程目前处于规划设计阶段，因此选择以下方法进行负荷预测。

冷热负荷：依据建筑物单位面积指标和相应的建筑物指标进行负荷需求量的预测。

生活热水负荷：公寓按每人每日需求量预测，其他建筑按单位面积指标进行负荷需求量的预测。

3.2 设计基础参数

根据相关规范要求和建筑条件，对各建筑的设计参数进行统计。其室外设计参数和室内设计参数分别如表2和表3所示。

表2 室外设计参数

表3 室内设计参数

3.3 负荷预测

3.3.1 冷热负荷

考虑到同时使用系数和管道损失，制冷与采暖负荷计算结果如表4所示。

表4 制冷与采暖负荷计算结果

3.3.2 生活热水负荷预测

根据建筑用热水的需要，采用空气源热泵与太阳能光热技术耦合系统，最大限度地利用可再生能源。本工程的最高日热水用水量为2730.2 m3/d，最大时用水量为337.15 m3/h。

4 规划设计方案

从前文对能源需求和能源使用特点的调查分析中可以发现，本工程的用能需求非常多元化，能源负荷在部分区域存在潮汐性、季节性等特征。

4.1 总体方案介绍

结合校区可再生能源情况和绿色建筑评价要求，在校区规划11座集中式冷热能源站，主要技术形式为土壤源热泵空调系统，以满足图书馆、大学生活动中心等公共建筑的冷热需求；教师和学生公寓等建筑主要采用空气源热泵、分体式空调、多联机等多种空调形式，满足个性化的冷暖负荷需求。

生活热水方面，根据《江苏省建筑节能管理办法》规定，新建宾馆、酒店、商住楼等有热水需要的公共建筑以及十二层以下住宅，应当按照规定统一设计、安装太阳能热水系统。太阳能建筑一体化是当前太阳能利用的发展趋势，因此，本工程充分利用公寓楼的屋面，采用太阳能光热系统，生活热水优先由太阳能热水系统提供，当太阳能热水供应量不能满足需求时，则用热回收机组作为补充，确保末端的生活热水供应能够满足需求。

4.2 空调系统技术形式分析

4.2.1 土壤源热泵空调系统

土壤源热泵技术属于节能技术，适用于建筑密度较低的公共和住宅建筑，本工程的建设环境符合土壤源热泵要求。

（1）空调系统夏季运行工况。选用土壤源热泵机组为基础负荷热能转换设备，冷却塔为辅助设备。空调系统夏季供冷的参数初步设定为7/12℃，土壤侧供回水温度设定为25/30℃[2]。夏季冷源选用冷却塔辅助土壤源，在冷负荷较低时，可以完全依靠土壤源热泵供冷，一旦出现峰值负荷或当冷负荷较大时，土壤源热泵供冷不能满足要求，则需启动辅助冷却塔装置，联合运行辅助冷却装置和土壤源热泵机组，以保证冷负荷需求[3]。

（2）空调系统冬季运行工况。根据新校区周边土壤测试结果，本系统土壤原始温度约为18.85℃。冬季土壤源温度稳定且不低于15℃，因此冬季工况采用土壤源作为主热源，有利于提高系统能效。选用土壤源热泵机组为基础负荷热能转换设备，充分利用机组高效节能、经济的特点，提供空调系统的热源。空调土壤源热泵的冬季供热参数设定值取40/45℃，土壤侧供回水温度设定值取5/10℃。

（3）制备生活热水工况。在制冷季节利用带热回收功能的热泵机组制备生活热水，能源成本仅为自来水费用，最大限度地节约能源。本项目生活热水设计为55～60℃，可以满足供应要求。

4.2.2 空气源热泵系统

空气能是一种低价位能源。在冬季工况下，空气源热泵机组通过冷媒就能吸收空气中的低温热能，经过压缩机压缩后转化为高温热能，加热水温，输送至空调房间内，夏季工况则相反[4]。

空气源热泵系统有以下优点：①高效节能，比用直接电加热的方式节能67%～75%；②经济耐用，运行费用低，费用约为电锅炉的1/4～1/3；③适应性强，热泵机组能在室外环境温度为-25～45℃的情况下正常工作。

4.2.3 区域能源站

区域能源站是利用集中装置向一定范围内的用户提供冷热源的大型冷热站。区域集中供冷供热技术具有节约投资、高效、环保、节约建筑面积并提高建筑美观度、易于维护以及可靠性高等显著优势。

4.3 规范设计方案

在进行规划设计时，要综合考虑建筑群整体分布、冷热负荷和生活热水负荷需求、可再生能源情况以及建筑绿色建筑评价要求。

4.3.1 冷热负荷规划

方案规划建设一座集中式冷热能源站，主要技术形式为土壤源热泵空调系统。该能源站主要满足大学生活动中心、图书馆等公共建筑冷热需求，而学部组团、教师公寓、博士公寓、学生公寓等建筑主要采用空气源热泵、分体式空调、多联机等多种空调形式，以满足使用者的个性化冷暖负荷需求。

4.3.2 生活热水负荷规划

生活热水则最大限度考虑利用太阳能这一绿色可再生的能源。在规划方案中选择太阳能和空气源热泵热水联合供应系统。具体做法就是在新校区教师公寓、博士公寓、学生公寓的建筑物屋顶安装太阳能集热管、空气源热泵机组、保温水箱等设备，优先利用绿色环保的太阳能制取热水，以满足师生日常使用，当太阳能热水供应量不能满足需求时，用热回收机组作为补充，确保末端的生活热水供应能够满足广大师生生活需求。

4.3.3 能源供应系统节能规划

（1）通过绿色建筑节能措施与可再生能源利用技术，减少热负荷，相应减少了燃料消耗及输送能耗。

（2）提高热源热效率，从而提高能源利用率，实现节能目的。

（3）减少管网的漏失和热损，起到节能作用。

（4）建立能源自动监控管理系统，提高供热技术水平，减少热力供应系统能耗。

5 规划效益分析

本工程充分利用太阳能、浅层地热能、集中能源、分布能源等多能互补的能源利用模式来保证能源供应的安全可靠。核心区和校级资源共享区公共建筑可再生能源服务面积达到45.25%，可再生能源提供量占供能建筑年均能耗总量的比值约为10.55%。年均可减少CO2排放约1015.90 t，节约标煤154.24 t[5]。

在生活热水方面，基于本工程周边太阳能资源具有较好的可利用价值，适合太阳能光热技术应用。可安装太阳能集热器面积为9130 m2，日均热水产量为468.32 m3/d，只有当太阳能能源受限，不能满足制取热水实际需求的时候，才启动辅助热源，由辅助热源制取。据统计估算，本项目热水缺口量为1064.68 m3/d，需热量1.75×108kJ，折合用电量约为48 617.74 kW·h。采用空气源热泵热水机组，在夜间制取热水，按照能效比COP=2.8计算，日均实需电为173 63.48 kW·h，相比电锅炉等形式，日均节约用电量31 254.26 kW·h，太阳能制取热水日均节约用电量21 385.45 kW·h。两者合计为52 639.71 kW·h，日均节约电费28 335.96元。

6 结语

当前，资源和环境问题已成为全社会共同关注的问题，绿色低碳发展也成为能源转型方向。在高校新校区建设的过程中，对能源系统进行总体规划，既贯彻落实相关规范、政策，也能积极推动学校节能技术改造。本文通过具体案例，阐述了教育类建筑群冷热负荷和热水负荷规划设计过程，并做了相应的效益分析，以期为类似的工程项目设计提供参考。