長沙市高校教學樓電源節能設計探討

黃玲玲 劉澤華 譚子豪 王鳳予

【關鍵詞】高校教學樓 能耗模擬 節能改造

1. 引言

校園建筑是學生和老師學習、交流、活動的重要場所，而且高校建筑類型多樣，包括教學樓、圖書館、體育館、食堂、宿舍等，能耗水平較高。目前高校正逐漸成為能源消耗的重要建筑[1]。我國部分高校的一些建筑由于所建年代久遠，已經發生老化現象，在安全性、舒適性、節能性、美觀性等方面都有所欠缺，因而這些建筑遠不能達到如今高等教育的需求[2]。再者高校設備繁多、人員密集、能耗過大，但很少有高校重視能源消耗問題，且大多數學生也都缺乏環保意識，另外相關的節約能源措施和制度也不完善[3]。為了保護環境、減少資源浪費、降低污染，給廣大師生提供一個健康舒適的校園，必須建設綠色校園。

2. 教學樓節能研究現狀

駱瑞江[4] 利用equest 能耗模擬軟件對圍護結構、照明及空調系統等進行能耗分析，并提出具體可行的能耗方案。周寒宇[5] 通過比較江蘇高校建筑不同的節能措施，明確了它們的適用范圍。王天豪[6] 通過分析設備功率、空調開啟時間、人員及照明密度這四個因素對西安高校建筑能耗的影響，得出高校節能方向的重點，進而有針對性的進行節能改造。JuXue[7]通過對三峽大學教學樓的特點和能耗現狀進行分析，提出了大學教學樓用能中存在的一些問題以及相應的改進建議，從而促進經濟節能型大學建設。JinXu[8] 針對大學照明浪費現象提出智能燈光控制系統，根據室內照明需求，系統可以實現實時、準確地監管所有教室的燈。

3. 氣候特點及模型概況

3.1 長沙地區氣候特點

長沙市，位于東經112.98°，北緯28.19°，地處我國華中區域，長瀏盆地西緣，湖南東部偏北，是長江中下游重要的核心城市。其特點是冬季多雨濕冷，夏季酷熱難當。

3.2 建筑模型概況

該教學樓位于湖南省長沙市，長44 米，寬68 米，每層高3.6 米，總共6 層，總用地面積2992 ㎡，總建筑面積為17952 ㎡，體形系數（S）為0.24， 其中東、南、西、北向窗墻比分別為0.28、0.29、0.34、0.29。大教室和階梯教室總共有54 間，照明功率為40W，人員密度2 ㎡ / 人，換氣次數1 次/h，新風量19m?/h·人，設定冬季室內設計溫度20℃ ， 夏季室內設計溫度26℃。

氣象資料調取長沙典型氣象數據，將11 月10 日至第二年3 月10 日定為采暖時間段，將5 月10 日至7 月10 日定為夏季空調時間段。該建筑類型為教學樓，因此定1 月15日-2 月10 日和7 月16 日-9 月1 日分別為寒暑假時間。教室上課時間一般為早上八點至十二點，下午兩點半至六點半，晚上七點半至九點。建筑模型如下圖所示

3.3 圍護結構參數

3.4 高校教學樓用能特點

教學樓是高耗能的公共建筑之一。了解其用能特點對減少建筑能耗有著重要意義。

3.4.1 高校一年中有寒暑假兩個時間較長的假期，寒假在一月中旬至二月中旬，暑假一般在七月初至九月初，避開了一年中最熱月和最冷月，給教學樓節省了極大的能耗。

3.4.2 一般教學樓具有間歇用能的特點，對比其他公共建筑，教學樓在夜間使用時間較短，因此在開展圍護結構改造時，不單要考慮外墻的保溫隔熱性能，也要兼顧夏季屋頂隔熱性能。

3.4.3 人員熱擾大。教學樓的使用對象為師生及教職員工，與一般公共建筑類型相比，教室人員密度更大。

3.4.4 用能空間的不確定性。相較于其他公共建筑使用空調時間同步、空間同步的特點，教學樓一般采用分體式空調，使用時間不一致，通常呈分時分室用能狀態。

4. 圍護結構優化改造

影響建筑能耗的圍護結構主要是外墻、外窗以及屋面，以下分別對其進行優化設計，并通過能耗模擬軟件EnergyPlus 對基準建筑與改造優化后的建筑進行能耗分析，對比不同方案的節能效率，選出最佳節能改造方案。

4.1 外墻優化改造

4.1.1 外墻保溫設計

將30 ㎜的EPS 保溫板置于墻體內側或外側，形成外墻內保溫或外保溫，具體構造如下：

4.1.2 模擬結果分析

對比教學樓現狀及外墻改造前后，無論是外墻內保溫還是外保溫能耗均低于外墻無保溫。其中外墻內保溫能耗低于外墻外保溫，節能率也比外墻外保溫高，這是由于在間歇運行模式下，空調開啟時，大量空調能耗用于使墻體降溫，而室內降溫慢;冬季時，大量能耗用于墻體升溫，而室內升溫慢，如此反復，使得大量能耗被浪費。而建筑采用內保溫時，空調能耗用于冷卻室內空氣，因此室內溫度能得到快速降低;冬季時，由于大量能耗用于加溫室內空氣，室內溫度快速升高，因此在空調間歇運行時外墻內保溫比外墻外保溫更節能。

4.2 外窗改造

4.2.1 外窗優化設計

現有的外窗類型為普通6 ㎜ 單玻， 傳熱系數為5.7W·（ ㎡·K）-1，對其進行節能改造后，結果如下圖所示：

4.2.2 模擬結果分析

隨著玻璃傳熱系數的降低，建筑的能耗也在減少。玻璃傳熱系數由5.7W·（ ㎡·K）-1 下降到2.9W·（ ㎡·K）-1 時，建筑總能耗降低了6.0%。

4.3 屋面改造

4.3.1 屋面優化設計

市面上有很多保溫材料，不同材料的熱工性能也不同，保溫材料的厚度對能耗有一定的影響，本節將分析模擬內保溫保溫層厚度大小對教學樓能耗的影響。

該模擬在基準模型之上，在屋面上添加30 ㎜ XPS 保溫板，具體構造如下：

4.3.2 模擬結果分析

由上表可知，屋面增設保溫隔熱材料對建筑能耗影響顯著。主要是由于屋面所獲得的太陽輻射的熱量大，因此給屋面添加保溫層效果顯著，節能率高達29.2%。

5. 結論

本文通過建立教學樓SU 模型，分別采用優化外墻、外窗、屋面以及空調設計溫度等措施，采用EnergyPlus 能耗模擬軟件，得出以下結論：

計算得到四種方案的節能率為21.9%、6.0%、29.2%、16%，可以看出屋面節能改造對建筑能耗影響最大，外墻次之，這是由于屋面接受太陽輻射得熱最高，因此改善屋面是最有效的節能措施。