某教育類建筑群冷熱負荷和熱水負荷規劃設計和效益分析

周玉娟，李 凱

（1.江蘇開放大學，江蘇 南京 210036；2.南京金宸建筑設計有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引言

近年來，我國科教興國和人才強國戰略的不斷深入，教育越來越受人們重視，教育需求也日益高漲，尤其是高等教育規模呈現大幅增長的趨勢，新建或異地新建校區的大學不斷增多，就江蘇省而言，僅2020年，南京大學蘇州校區、河海大學常州新校區、南京林業大學白馬新校區、南京信息工程大學金牛湖校區、南京農業大學江北新校區都開啟了建設工作。

在高校建筑群建設的過程中，其建筑能耗也成為相關從業人員重點關注和研究的對象。根據調查統計，我國高校校園能耗約占社會總能耗的8%，同時，學生人均能耗也明顯高于全國居民人均能耗[1]。在高校建筑能耗的中，校園冷熱負荷是其重要組成，因此，合理規劃設計校園冷熱負荷成為節能的有效措施。本文將以某高校建筑群為例，通過對其冷熱負荷進行規劃設計并做節能分析，進一步探討規劃設計對建筑節能的效用和影響。

1 工程概況

該工程位于南京市，是教學類建筑群，占地面積為1158畝（約77.12萬m2），項目建筑總面積約78萬m2，根據功能主要劃分為教學區、多學科交叉區、學部組團區、行政區、對外服務區、師生公寓區、體育運動區、后勤區等。

2 各區域能源需求類型和用能特點

本工程共有3大冷熱負荷需求：夏季制冷負荷、冬季制熱負荷以及生活熱水負荷。不同的區域各有特點，教學區和宿舍區用能階段性集中、需求量大、寒暑假和過渡季節能耗低的特點十分明顯，能源需求不平衡。具體如表1所示。

表1 區域能源需求類型和用能特點

3 冷熱負荷和熱水負荷預測

3.1 冷熱負荷預測方法

由于本工程目前處于規劃設計階段，因此選擇以下方法進行負荷預測。

冷熱負荷：依據建筑物單位面積指標和相應的建筑物指標進行負荷需求量的預測。

生活熱水負荷：公寓按每人每日需求量預測，其他建筑按單位面積指標進行負荷需求量的預測。

3.2 設計基礎參數

根據相關規范要求和建筑條件，對各建筑的設計參數進行統計。其室外設計參數和室內設計參數分別如表2和表3所示。

表2 室外設計參數

表3 室內設計參數

3.3 負荷預測

3.3.1 冷熱負荷

考慮到同時使用系數和管道損失，制冷與采暖負荷計算結果如表4所示。

表4 制冷與采暖負荷計算結果

3.3.2 生活熱水負荷預測

根據建筑用熱水的需要，采用空氣源熱泵與太陽能光熱技術耦合系統，最大限度地利用可再生能源。本工程的最高日熱水用水量為2730.2 m3/d，最大時用水量為337.15 m3/h。

4 規劃設計方案

從前文對能源需求和能源使用特點的調查分析中可以發現，本工程的用能需求非常多元化，能源負荷在部分區域存在潮汐性、季節性等特征。

4.1 總體方案介紹

結合校區可再生能源情況和綠色建筑評價要求，在校區規劃11座集中式冷熱能源站，主要技術形式為土壤源熱泵空調系統，以滿足圖書館、大學生活動中心等公共建筑的冷熱需求；教師和學生公寓等建筑主要采用空氣源熱泵、分體式空調、多聯機等多種空調形式，滿足個性化的冷暖負荷需求。

生活熱水方面，根據《江蘇省建筑節能管理辦法》規定，新建賓館、酒店、商住樓等有熱水需要的公共建筑以及十二層以下住宅，應當按照規定統一設計、安裝太陽能熱水系統。太陽能建筑一體化是當前太陽能利用的發展趨勢，因此，本工程充分利用公寓樓的屋面，采用太陽能光熱系統，生活熱水優先由太陽能熱水系統提供，當太陽能熱水供應量不能滿足需求時，則用熱回收機組作為補充，確保末端的生活熱水供應能夠滿足需求。

4.2 空調系統技術形式分析

4.2.1 土壤源熱泵空調系統

土壤源熱泵技術屬于節能技術，適用于建筑密度較低的公共和住宅建筑，本工程的建設環境符合土壤源熱泵要求。

（1）空調系統夏季運行工況。選用土壤源熱泵機組為基礎負荷熱能轉換設備，冷卻塔為輔助設備。空調系統夏季供冷的參數初步設定為7/12℃，土壤側供回水溫度設定為25/30℃[2]。夏季冷源選用冷卻塔輔助土壤源，在冷負荷較低時，可以完全依靠土壤源熱泵供冷，一旦出現峰值負荷或當冷負荷較大時，土壤源熱泵供冷不能滿足要求，則需啟動輔助冷卻塔裝置，聯合運行輔助冷卻裝置和土壤源熱泵機組，以保證冷負荷需求[3]。

（2）空調系統冬季運行工況。根據新校區周邊土壤測試結果，本系統土壤原始溫度約為18.85℃。冬季土壤源溫度穩定且不低于15℃，因此冬季工況采用土壤源作為主熱源，有利于提高系統能效。選用土壤源熱泵機組為基礎負荷熱能轉換設備，充分利用機組高效節能、經濟的特點，提供空調系統的熱源。空調土壤源熱泵的冬季供熱參數設定值取40/45℃，土壤側供回水溫度設定值取5/10℃。

（3）制備生活熱水工況。在制冷季節利用帶熱回收功能的熱泵機組制備生活熱水，能源成本僅為自來水費用，最大限度地節約能源。本項目生活熱水設計為55～60℃，可以滿足供應要求。

4.2.2 空氣源熱泵系統

空氣能是一種低價位能源。在冬季工況下，空氣源熱泵機組通過冷媒就能吸收空氣中的低溫熱能，經過壓縮機壓縮后轉化為高溫熱能，加熱水溫，輸送至空調房間內，夏季工況則相反[4]。

空氣源熱泵系統有以下優點：①高效節能，比用直接電加熱的方式節能67%～75%；②經濟耐用，運行費用低，費用約為電鍋爐的1/4～1/3；③適應性強，熱泵機組能在室外環境溫度為-25～45℃的情況下正常工作。

4.2.3 區域能源站

區域能源站是利用集中裝置向一定范圍內的用戶提供冷熱源的大型冷熱站。區域集中供冷供熱技術具有節約投資、高效、環保、節約建筑面積并提高建筑美觀度、易于維護以及可靠性高等顯著優勢。

4.3 規范設計方案

在進行規劃設計時，要綜合考慮建筑群整體分布、冷熱負荷和生活熱水負荷需求、可再生能源情況以及建筑綠色建筑評價要求。

4.3.1 冷熱負荷規劃

方案規劃建設一座集中式冷熱能源站，主要技術形式為土壤源熱泵空調系統。該能源站主要滿足大學生活動中心、圖書館等公共建筑冷熱需求，而學部組團、教師公寓、博士公寓、學生公寓等建筑主要采用空氣源熱泵、分體式空調、多聯機等多種空調形式，以滿足使用者的個性化冷暖負荷需求。

4.3.2 生活熱水負荷規劃

生活熱水則最大限度考慮利用太陽能這一綠色可再生的能源。在規劃方案中選擇太陽能和空氣源熱泵熱水聯合供應系統。具體做法就是在新校區教師公寓、博士公寓、學生公寓的建筑物屋頂安裝太陽能集熱管、空氣源熱泵機組、保溫水箱等設備，優先利用綠色環保的太陽能制取熱水，以滿足師生日常使用，當太陽能熱水供應量不能滿足需求時，用熱回收機組作為補充，確保末端的生活熱水供應能夠滿足廣大師生生活需求。

4.3.3 能源供應系統節能規劃

（1）通過綠色建筑節能措施與可再生能源利用技術，減少熱負荷，相應減少了燃料消耗及輸送能耗。

（2）提高熱源熱效率，從而提高能源利用率，實現節能目的。

（3）減少管網的漏失和熱損，起到節能作用。

（4）建立能源自動監控管理系統，提高供熱技術水平，減少熱力供應系統能耗。

5 規劃效益分析

本工程充分利用太陽能、淺層地熱能、集中能源、分布能源等多能互補的能源利用模式來保證能源供應的安全可靠。核心區和校級資源共享區公共建筑可再生能源服務面積達到45.25%，可再生能源提供量占供能建筑年均能耗總量的比值約為10.55%。年均可減少CO2排放約1015.90 t，節約標煤154.24 t[5]。

在生活熱水方面，基于本工程周邊太陽能資源具有較好的可利用價值，適合太陽能光熱技術應用。可安裝太陽能集熱器面積為9130 m2，日均熱水產量為468.32 m3/d，只有當太陽能能源受限，不能滿足制取熱水實際需求的時候，才啟動輔助熱源，由輔助熱源制取。據統計估算，本項目熱水缺口量為1064.68 m3/d，需熱量1.75×108kJ，折合用電量約為48 617.74 kW·h。采用空氣源熱泵熱水機組，在夜間制取熱水，按照能效比COP=2.8計算，日均實需電為173 63.48 kW·h，相比電鍋爐等形式，日均節約用電量31 254.26 kW·h，太陽能制取熱水日均節約用電量21 385.45 kW·h。兩者合計為52 639.71 kW·h，日均節約電費28 335.96元。

6 結語

當前，資源和環境問題已成為全社會共同關注的問題，綠色低碳發展也成為能源轉型方向。在高校新校區建設的過程中，對能源系統進行總體規劃，既貫徹落實相關規范、政策，也能積極推動學校節能技術改造。本文通過具體案例，闡述了教育類建筑群冷熱負荷和熱水負荷規劃設計過程，并做了相應的效益分析，以期為類似的工程項目設計提供參考。