长沙市高校教学楼电源节能设计探讨

黄玲玲 刘泽华 谭子豪 王凤予

【关键词】高校教学楼 能耗模拟 节能改造

1. 引言

校园建筑是学生和老师学习、交流、活动的重要场所，而且高校建筑类型多样，包括教学楼、图书馆、体育馆、食堂、宿舍等，能耗水平较高。目前高校正逐渐成为能源消耗的重要建筑[1]。我国部分高校的一些建筑由于所建年代久远，已经发生老化现象，在安全性、舒适性、节能性、美观性等方面都有所欠缺，因而这些建筑远不能达到如今高等教育的需求[2]。再者高校设备繁多、人员密集、能耗过大，但很少有高校重视能源消耗问题，且大多数学生也都缺乏环保意识，另外相关的节约能源措施和制度也不完善[3]。为了保护环境、减少资源浪费、降低污染，给广大师生提供一个健康舒适的校园，必须建设绿色校园。

2. 教学楼节能研究现状

骆瑞江[4] 利用equest 能耗模拟软件对围护结构、照明及空调系统等进行能耗分析，并提出具体可行的能耗方案。周寒宇[5] 通过比较江苏高校建筑不同的节能措施，明确了它们的适用范围。王天豪[6] 通过分析设备功率、空调开启时间、人员及照明密度这四个因素对西安高校建筑能耗的影响，得出高校节能方向的重点，进而有针对性的进行节能改造。JuXue[7]通过对三峡大学教学楼的特点和能耗现状进行分析，提出了大学教学楼用能中存在的一些问题以及相应的改进建议，从而促进经济节能型大学建设。JinXu[8] 针对大学照明浪费现象提出智能灯光控制系统，根据室内照明需求，系统可以实现实时、准确地监管所有教室的灯。

3. 气候特点及模型概况

3.1 长沙地区气候特点

长沙市，位于东经112.98°，北纬28.19°，地处我国华中区域，长浏盆地西缘，湖南东部偏北，是长江中下游重要的核心城市。其特点是冬季多雨湿冷，夏季酷热难当。

3.2 建筑模型概况

该教学楼位于湖南省长沙市，长44 米，宽68 米，每层高3.6 米，总共6 层，总用地面积2992 ㎡，总建筑面积为17952 ㎡，体形系数（S）为0.24， 其中东、南、西、北向窗墙比分别为0.28、0.29、0.34、0.29。大教室和阶梯教室总共有54 间，照明功率为40W，人员密度2 ㎡ / 人，换气次数1 次/h，新风量19m?/h·人，设定冬季室内设计温度20℃ ， 夏季室内设计温度26℃。

气象资料调取长沙典型气象数据，将11 月10 日至第二年3 月10 日定为采暖时间段，将5 月10 日至7 月10 日定为夏季空调时间段。该建筑类型为教学楼，因此定1 月15日-2 月10 日和7 月16 日-9 月1 日分别为寒暑假时间。教室上课时间一般为早上八点至十二点，下午两点半至六点半，晚上七点半至九点。建筑模型如下图所示

3.3 围护结构参数

3.4 高校教学楼用能特点

教学楼是高耗能的公共建筑之一。了解其用能特点对减少建筑能耗有着重要意义。

3.4.1 高校一年中有寒暑假两个时间较长的假期，寒假在一月中旬至二月中旬，暑假一般在七月初至九月初，避开了一年中最热月和最冷月，给教学楼节省了极大的能耗。

3.4.2 一般教学楼具有间歇用能的特点，对比其他公共建筑，教学楼在夜间使用时间较短，因此在开展围护结构改造时，不单要考虑外墙的保温隔热性能，也要兼顾夏季屋顶隔热性能。

3.4.3 人员热扰大。教学楼的使用对象为师生及教职员工，与一般公共建筑类型相比，教室人员密度更大。

3.4.4 用能空间的不确定性。相较于其他公共建筑使用空调时间同步、空间同步的特点，教学楼一般采用分体式空调，使用时间不一致，通常呈分时分室用能状态。

4. 围护结构优化改造

影响建筑能耗的围护结构主要是外墙、外窗以及屋面，以下分别对其进行优化设计，并通过能耗模拟软件EnergyPlus 对基准建筑与改造优化后的建筑进行能耗分析，对比不同方案的节能效率，选出最佳节能改造方案。

4.1 外墙优化改造

4.1.1 外墙保温设计

将30 ㎜的EPS 保温板置于墙体内侧或外侧，形成外墙内保温或外保温，具体构造如下：

4.1.2 模拟结果分析

对比教学楼现状及外墙改造前后，无论是外墙内保温还是外保温能耗均低于外墙无保温。其中外墙内保温能耗低于外墙外保温，节能率也比外墙外保温高，这是由于在间歇运行模式下，空调开启时，大量空调能耗用于使墙体降温，而室内降温慢;冬季时，大量能耗用于墙体升温，而室内升温慢，如此反复，使得大量能耗被浪费。而建筑采用内保温时，空调能耗用于冷却室内空气，因此室内温度能得到快速降低;冬季时，由于大量能耗用于加温室内空气，室内温度快速升高，因此在空调间歇运行时外墙内保温比外墙外保温更节能。

4.2 外窗改造

4.2.1 外窗优化设计

现有的外窗类型为普通6 ㎜ 单玻， 传热系数为5.7W·（ ㎡·K）-1，对其进行节能改造后，结果如下图所示：

4.2.2 模擬结果分析

随着玻璃传热系数的降低，建筑的能耗也在减少。玻璃传热系数由5.7W·（ ㎡·K）-1 下降到2.9W·（ ㎡·K）-1 时，建筑总能耗降低了6.0%。

4.3 屋面改造

4.3.1 屋面优化设计

市面上有很多保温材料，不同材料的热工性能也不同，保温材料的厚度对能耗有一定的影响，本节将分析模拟内保温保温层厚度大小对教学楼能耗的影响。

该模拟在基准模型之上，在屋面上添加30 ㎜ XPS 保温板，具体构造如下：

4.3.2 模拟结果分析

由上表可知，屋面增设保温隔热材料对建筑能耗影响显著。主要是由于屋面所获得的太阳辐射的热量大，因此给屋面添加保温层效果显著，节能率高达29.2%。

5. 结论

本文通过建立教学楼SU 模型，分别采用优化外墙、外窗、屋面以及空调设计温度等措施，采用EnergyPlus 能耗模拟软件，得出以下结论：

计算得到四种方案的节能率为21.9%、6.0%、29.2%、16%，可以看出屋面节能改造对建筑能耗影响最大，外墙次之，这是由于屋面接受太阳辐射得热最高，因此改善屋面是最有效的节能措施。