基于陜西渭南某幼兒園的村鎮幼兒園節能分析

李文莉 閆秋會

西安建筑科技大學建筑設備科學與工程學院

0 引言

我國村鎮地區建筑分散，早些年多使用煤炭作為供暖主要燃料，加重了環境污染。且我國村鎮地區整體經濟水平較低，也缺乏相應節能標準加以約束，致使村鎮學校建筑圍護結構的熱工性能普遍較差[1]，在簡單的供暖設施下教室內部溫度偏低[2]。

王登甲等人[3]經調研發現即使寒假停暖，農村中小學校的單位面積供暖能耗值仍然高于北方城鎮供暖能耗。可見為村鎮學校選擇合適的節能技術以降低能源消耗非常必要。Jiang J 等人[4]探究了中小學教室內室溫與學生綜合能力的關系以獲得有利于提高學生學習效率的室內熱環境參數。國內李思蕓等人[5]對重慶和武漢地區幼兒園建筑中幼兒的熱舒適進行了研究。Mahmoud Hammad 等人[6]從多方面對幼兒園進行節能設計并做經濟性分析。相關研究多集中室內熱環境。幼兒園建筑有過渡季節的供暖需求，相比于其他類型建筑的供暖期長，但其熱需求集中在工作日的8:00-18:00，周末及一年中最冷的寒假期間不需要供暖，避開最冷時間段可以有效降低建筑供暖能耗。本文以陜西省富平縣某幼兒園為例，分別比較了圍護結構的節能改造及供暖模式的優化對室內熱環境和供暖能耗影響。

1 研究方法

1.1 方案選擇

表1 所示為由不同圍護結構類型以及不同供暖模式組成的四種模擬運行方案。不同圍護結構的參數見表2。考慮到幼兒園有過渡季采暖要求[7]，本文將供暖時間段設為11 月至次年3 月。連續供暖模式即在此期間全天供熱以滿足室內設計溫度，間歇供暖模式是僅在11 月至次年3 月（不包括3 周假期）間工作日的6:00-18:00 保證室內溫度達到設計值，其余時間只滿足室溫不低于5 ℃的防凍要求即可[8]。

表1 模擬方案設置

1.2 室內空氣熱平衡方程

本文使用EnergyPlus 進行模擬計算，該軟件采用反應系數法計算圍護結構傳熱，采用熱平衡法計算負荷。根據能量守恒，建筑室內熱平衡方程[9]如下：

式中：V為房間容積，m3；(cρ)r為室內空氣單位熱容，J/(m3·℃)；tr(n)、tr(n-1)為第n、n-1 時刻室內空氣溫度，℃；Δτ為時間間隔，s；N為圍護結構內表面總數；Fi為第i個圍護結構的面積為第i個圍護結構內表面的對流換熱系數，W/m2·℃；ti(n)為第i個圍護結構內表面溫度，℃；qw(n)為第n時刻由冷風進入產生的耗熱量，W；Φ(n)為建筑內供暖空調系統送入空氣需要攜帶的熱量，W。

1.3 操作溫度

當室內相對濕度在人體熱舒適范圍且氣流速度較低時，宜選取操作溫度作為熱舒適指標。操作溫度可綜合反映室內空氣溫度及內壁面溫度對人體的綜合影響[10]，計算公式如下：

式中：top為操作溫度，℃；ta為室內空氣溫度，℃；tr為平均輻射溫度，℃。

1.4 間歇供暖熱負荷系數

為了觀察間歇供暖熱負荷變化趨勢，同時比較采用間歇供暖模式對建筑熱負荷的影響，引入間歇供暖熱負荷系數，定義如下：

式中：Q(n) 為間歇供暖模式下建筑逐時熱負荷，W；Q為連續供暖模式下建筑逐時熱負荷，W。

2 案例研究

2.1 建筑描述

本文所選取陜西省富平縣某幼兒園的建筑平面圖如圖1 所示。該幼兒園的主要建設特點為：1）主體包括兩個L 型建筑，以兩條連廊相通。2）建筑主體三層，局部兩層，頂層層高為4.2 m，其余為3.9 m。總建筑面積為9847 m2，采暖面積8080 m2。3）幼兒活動室和臥室分布在南側及西側，均設大面積窗戶且周圍無高層建筑物遮擋，采光較好。

圖1 建筑首層平面圖

相關規范中表明建筑設太陽能供熱采暖系統時熱工性能不低于有關建筑節能設計標準的規定[11]。本文所選幼兒園外墻與屋面均做了保溫，外窗為雙層玻璃窗，滿足寒冷地區公共建筑圍護結構熱工性能參數限值，屬于節能型建筑。為比較圍護結構的熱工性能對能耗的影響，選擇當地普遍采用的未進行保溫的圍護結構構造形式作為普通型建筑與節能型建筑做對比，兩種建筑具體構造見表2。

表2 不同圍護結構構造與參數

2.2 供暖設計溫度

根據《托兒所、幼兒園建筑設計規范》，幼兒園建筑內主要功能房間的冬季室內供暖設計溫度值應取20 ℃[7]。但幼兒活潑愛動，過高的室溫更容易使幼兒大量出汗，反而加大了感冒概率。綜合考慮，幼兒園內冬季室內溫度可適當降低，將活動室、寢室、教師辦公室、接待室、保健觀察室、晨檢室等主要房間的供暖設計溫度設為18 ℃，盥洗室和廁所設為20 ℃，廚房、門廳和走廊設為16 ℃。

2.3 模型驗證

將本文建筑模型的模擬數據與實測數據[12]對比以進行模型驗證。文獻[12]中對關中地區某小學室內外溫度進行了一天實測，該校的圍護結構與本文所選普通建筑的圍護結構相同。從模擬氣象參數中選取室外溫度與文獻[12]實測室外溫度變化相似的一天如圖2所示中兩者僅差0.16 ℃，只是極值出現有滯后。模擬得到的室內溫度變化相比實測也有滯后，但基本趨勢與波動范圍較為接近，實測室溫的極值分別為0.67 ℃和8.91 ℃，模擬室溫的極值分別為1.15 ℃和8.75 ℃，模擬與實測最低與最高相差0.73 ℃和0.16 ℃，僅占實測溫度波動幅值的6.3%和2.1%，因此可認為本模型能反應實際建筑熱傳遞過程。

圖2 模擬數據與實測數據的對比

3 結果與分析

由于整個供暖季室外溫度變化較大，為更清楚地表現圍護結構及供暖模式對供暖能耗的影響，將選取周平均室外溫度與正常供暖期最冷月月平均室外溫度相接近的一周作為典型周，只對本周內各項參數變化進行分析。并選擇西南角活動室作為研究對象分析典型周內不同參數的變化。

3.1 圍護結構改造的影響

3.1.1 圍護結構改造對操作溫度的影響

圖3 顯示了普通建筑與節能建筑在不同供暖模式下室內操作溫度的變化。可以看出兩種類型圍護結構構造下操作溫度有明顯差距，節能建筑的操作溫度相比于普通建筑約高1 ℃。因為室內空氣溫度均保持在設計溫度值，操作溫度的差距取決于室內平均輻射溫度的差異，即普通型建筑圍護結構的壁面溫度更容易隨室外溫度的變化而變化。

圖3 不同方案室內操作溫度

3.1.2 圍護結構改造對供暖能耗的影響

性能越差的圍護結構抵抗室外低溫的能力越弱，為保證室內達到設計溫度值需要消耗的能量也就更多。圖4 顯示了在兩種類型圍護結構建筑在間歇供暖模式下的逐時供暖能耗值。從圖中可以看出保溫性能較好的節能建筑的單位面積供暖能耗值要低于普通建筑，例如周三兩種建筑類型的供暖能耗峰值可相差約100 MJ/m2，相比于普通建筑供暖能耗峰值降低了13%，即圍護結構熱工性能的優化可以有效降低建筑的供暖能耗值。

圖4 節能建筑與普通建筑單位面積供暖能耗

3.2 供暖模式對供暖能耗的影響

圖5 為節能型建筑采用連續與間歇兩種供暖模式逐時供暖能耗的對比。從圖中可以看出間歇供暖模式下的能耗值波動較大，因為只要夜間室溫不低于5 ℃就不需要提供熱量，早晨開使供暖后，逐時能耗會從0迅速升高，但受到圍護結構及室內物體蓄熱的影響會產生一個較小的波動。而連續供暖模式下的能耗值相對穩定，與室外氣溫的變化趨勢相反。對比兩種供暖模式發現，在間歇供暖模式的運行時間段內其逐時能耗值高于連續供暖，但是就整一周的總能耗值而言，間歇供暖模式的能耗值要少于連續供暖，且供暖周期數越長，間歇供暖模式節省能量越多。

圖5 連續供暖與間歇供暖單位面積供暖能耗

圖6 所示為間歇供暖熱負荷系數的變化，從圖中可以看出熱負荷系數在6 點開啟供暖設備時為最大，逐漸在13 點左右降到最低后緩慢回升。這是因為采用間歇供暖模式時前一天夜間室內溫度的降到了最低值，圍護結構的蓄熱量向室內空氣散熱，再次開始供暖時需要消耗更多的熱量。此外，節能型建筑相比于普通建筑在供暖的起始與停止時間段的熱負荷系數值略微高出，這是因為節能性建筑的圍護結構熱慣性較大，對外界溫度的變化需要更多的響應時間，也即室外溫度越低，節能建筑的效果越好。

圖6 普通建筑與節能建筑間歇供暖熱負荷系數

經模擬得四種方案的建筑年供暖能耗值及節能率見表3，節能率是指后三種方案相比于方案一的節能率。從表中可以看出對于該幼兒園建筑進行圍護結構的節能改造并應用間歇供暖模式后，建筑的年供暖能耗可由19.98 kgce/m2依次降低至16.42 kgce/m2和10.11 kgce/m2。

表3 供暖季建筑總供暖能耗值

4 結論

通過模擬分析了村鎮幼兒園建筑典型房間在不同圍護結構構造及不同供暖方式下室內熱環境及供暖能耗變化，主要得到以下結論：

村鎮地區小型公共建筑在現有圍護結構下建筑供暖能耗較大，當建筑圍護結構的參數符合節能設計標準后可以將單位面積供暖煤耗降低至11.7 kgce/m2，節能41.4%。間歇供暖模式的應用為間歇性用能特征明顯的幼兒園建筑提供有效節能途徑，對于符合節能設計標準的幼兒園建筑，使用只在正常使用期間供暖的間歇供暖模式比連續供暖可以節能13.6%，對現有圍護結構幼兒園建筑，可節能17.8%。