李文莉 閆秋會

西安建筑科技大學(xué)建筑設(shè)備科學(xué)與工程學(xué)院

0 引言

我國村鎮(zhèn)地區(qū)建筑分散，早些年多使用煤炭作為供暖主要燃料，加重了環(huán)境污染。且我國村鎮(zhèn)地區(qū)整體經(jīng)濟(jì)水平較低，也缺乏相應(yīng)節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)加以約束，致使村鎮(zhèn)學(xué)校建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能普遍較差[1]，在簡單的供暖設(shè)施下教室內(nèi)部溫度偏低[2]。

王登甲等人[3]經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)即使寒假停暖，農(nóng)村中小學(xué)校的單位面積供暖能耗值仍然高于北方城鎮(zhèn)供暖能耗。可見為村鎮(zhèn)學(xué)校選擇合適的節(jié)能技術(shù)以降低能源消耗非常必要。Jiang J 等人[4]探究了中小學(xué)教室內(nèi)室溫與學(xué)生綜合能力的關(guān)系以獲得有利于提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率的室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)。國內(nèi)李思蕓等人[5]對重慶和武漢地區(qū)幼兒園建筑中幼兒的熱舒適進(jìn)行了研究。Mahmoud Hammad 等人[6]從多方面對幼兒園進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)并做經(jīng)濟(jì)性分析。相關(guān)研究多集中室內(nèi)熱環(huán)境。幼兒園建筑有過渡季節(jié)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(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能改造及供暖模式的優(yōu)化對室內(nèi)熱環(huán)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(hù)結(jié)構(gòu)類型以及不同供暖模式組成的四種模擬運(yùn)行方案。不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)的參數(shù)見表2?？紤]到幼兒園有過渡季采暖要求[7]，本文將供暖時間段設(shè)為11 月至次年3 月。連續(xù)供暖模式即在此期間全天供熱以滿足室內(nèi)設(shè)計(jì)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(nèi)溫度達(dá)到設(shè)計(jì)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(shè)置

1.2 室內(nèi)空氣熱平衡方程

本文使用EnergyPlus 進(jìn)行模擬計(jì)算，該軟件采用反應(yīng)系數(shù)法計(jì)算圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱，采用熱平衡法計(jì)算負(fù)荷。根據(jù)能量守恒，建筑室內(nèi)熱平衡方程[9]如下：

式中：V為房間容積，m3；(cρ)r為室內(nèi)空氣單位熱容，J/(m3·℃)；tr(n)、tr(n-1)為第n、n-1 時刻室內(nèi)空氣溫度，℃；Δτ為時間間隔，s；N為圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面總數(shù)；Fi為第i個圍護(hù)結(jié)構(gòu)的面積為第i個圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面的對流換熱系數(shù)，W/m2·℃；ti(n)為第i個圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度，℃；qw(n)為第n時刻由冷風(fēng)進(jìn)入產(chǎn)生的耗熱量，W；Φ(n)為建筑內(nèi)供暖空調(diào)系統(tǒng)送入空氣需要攜帶的熱量，W。

1.3 操作溫度

當(dāng)室內(nèi)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(biāo)。操作溫度可綜合反映室內(nèi)空氣溫度及內(nèi)壁面溫度對人體的綜合影響[10]，計(jì)算公式如下：

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

1.4 間歇供暖熱負(fù)荷系數(shù)

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

式中：Q(n) 為間歇供暖模式下建筑逐時熱負(fù)荷，W；Q為連續(xù)供暖模式下建筑逐時熱負(fù)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(shè)特點(diǎn)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(cè)及西側(cè)，均設(shè)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(guān)規(guī)范中表明建筑設(shè)太陽能供熱采暖系統(tǒng)時熱工性能不低于有關(guān)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)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(qū)公共建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能參數(shù)限值，屬于節(jié)能型建筑。為比較圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能對能耗的影響，選擇當(dāng)?shù)仄毡椴捎玫奈催M(jìn)行保溫的圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造形式作為普通型建筑與節(jié)能型建筑做對比，兩種建筑具體構(gòu)造見表2。

表2 不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造與參數(shù)

2.2 供暖設(shè)計(jì)溫度

根據(jù)《托兒所、幼兒園建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》，幼兒園建筑內(nèi)主要功能房間的冬季室內(nèi)供暖設(shè)計(jì)溫度值應(yīng)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(nèi)冬季室內(nèi)溫度可適當(dāng)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(shè)計(jì)溫度設(shè)為18 ℃，盥洗室和廁所設(shè)為20 ℃，廚房、門廳和走廊設(shè)為16 ℃。

2.3 模型驗(yàn)證

將本文建筑模型的模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)[12]對比以進(jìn)行模型驗(yàn)證。文獻(xiàn)[12]中對關(guān)中地區(qū)某小學(xué)室內(nèi)外溫度進(jìn)行了一天實(shí)測，該校的圍護(hù)結(jié)構(gòu)與本文所選普通建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)相同。從模擬氣象參數(shù)中選取室外溫度與文獻(xiàn)[12]實(shí)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(xiàn)有滯后。模擬得到的室內(nèi)溫度變化相比實(shí)測也有滯后，但基本趨勢與波動范圍較為接近，實(shí)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(shí)測最低與最高相差0.73 ℃和0.16 ℃，僅占實(shí)測溫度波動幅值的6.3%和2.1%，因此可認(rèn)為本模型能反應(yīng)實(shí)際建筑熱傳遞過程。

圖2 模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)的對比

3 結(jié)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(xiàn)圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(nèi)各項(xiàng)參數(shù)變化進(jìn)行分析。并選擇西南角活動室作為研究對象分析典型周內(nèi)不同參數(shù)的變化。

3.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造的影響

3.1.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造對操作溫度的影響

圖3 顯示了普通建筑與節(jié)能建筑在不同供暖模式下室內(nèi)操作溫度的變化?？梢钥闯鰞煞N類型圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造下操作溫度有明顯差距，節(jié)能建筑的操作溫度相比于普通建筑約高1 ℃。因?yàn)槭覂?nèi)空氣溫度均保持在設(shè)計(jì)溫度值，操作溫度的差距取決于室內(nèi)平均輻射溫度的差異，即普通型建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(nèi)操作溫度

3.1.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造對供暖能耗的影響

性能越差的圍護(hù)結(jié)構(gòu)抵抗室外低溫的能力越弱，為保證室內(nèi)達(dá)到設(shè)計(jì)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(hù)結(jié)構(gòu)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(jié)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(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能的優(yōu)化可以有效降低建筑的供暖能耗值。

圖4 節(jié)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(jié)能型建筑采用連續(xù)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?yàn)橹灰归g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(hù)結(jié)構(gòu)及室內(nèi)物體蓄熱的影響會產(chǎn)生一個較小的波動。而連續(xù)供暖模式下的能耗值相對穩(wěn)定，與室外氣溫的變化趨勢相反。對比兩種供暖模式發(fā)現(xiàn)，在間歇供暖模式的運(yùn)行時間段內(nèi)其逐時能耗值高于連續(xù)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(xù)供暖，且供暖周期數(shù)越長，間歇供暖模式節(jié)省能量越多。

圖5 連續(xù)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(fù)荷系數(shù)的變化，從圖中可以看出熱負(fù)荷系數(shù)在6 點(diǎn)開啟供暖設(shè)備時為最大，逐漸在13 點(diǎn)左右降到最低后緩慢回升。這是因?yàn)椴捎瞄g歇供暖模式時前一天夜間室內(nèi)溫度的降到了最低值，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的蓄熱量向室內(nèi)空氣散熱，再次開始供暖時需要消耗更多的熱量。此外，節(jié)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(fù)荷系數(shù)值略微高出，這是因?yàn)楣?jié)能性建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱慣性較大，對外界溫度的變化需要更多的響應(yīng)時間，也即室外溫度越低，節(jié)能建筑的效果越好。

圖6 普通建筑與節(jié)能建筑間歇供暖熱負(fù)荷系數(shù)

經(jīng)模擬得四種方案的建筑年供暖能耗值及節(jié)能率見表3，節(jié)能率是指后三種方案相比于方案一的節(jié)能率。從表中可以看出對于該幼兒園建筑進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能改造并應(yīng)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(jié)論

通過模擬分析了村鎮(zhèn)幼兒園建筑典型房間在不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造及不同供暖方式下室內(nèi)熱環(huán)境及供暖能耗變化，主要得到以下結(jié)論：

村鎮(zhèn)地區(qū)小型公共建筑在現(xiàn)有圍護(hù)結(jié)構(gòu)下建筑供暖能耗較大，當(dāng)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的參數(shù)符合節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)后可以將單位面積供暖煤耗降低至11.7 kgce/m2，節(jié)能41.4%。間歇供暖模式的應(yīng)用為間歇性用能特征明顯的幼兒園建筑提供有效節(jié)能途徑，對于符合節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)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(xù)供暖可以節(jié)能13.6%，對現(xiàn)有圍護(hù)結(jié)構(gòu)幼兒園建筑，可節(jié)能17.8%。