校園建筑空調負荷影響因素及節能改善措施研究

徐永軍 王 亮

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校園建筑空調負荷影響因素及節能改善措施研究

徐永軍1王 亮2

（1.四川省建筑設計研究院 成都 610017；2.西南科技大學土木工程與建筑學院 綿陽 621010）

由于使用功能和條件的特殊性，校園建筑和單一的辦公建筑及教育建筑相比，其能耗特征往往存在較大差異。通過采用正交模擬實驗方法，對辦公室和教室等類型校園建筑進行了研究，發現設備散熱、人員密度和照明散熱為辦公室空調負荷的主要影響因素，人員密度和新風指標為教室空調負荷的主要影響因素，應作為相應的節能運行管理重點，并在此基礎上提出了節能改善措施。

校園建筑；負荷；節能；辦公室；教室

0 引言

我國各類高校逐漸成為重要的能源消耗大戶。高校建筑用能存在能耗水平差異大、增長快的特點，這預示著校園蘊藏了巨大的節能潛力。實現高校建筑節能運行，建設綠色節約型校園勢在必行[1]。高校建筑屬于公共建筑的范疇，然而公共建筑種類繁多，用能情況存在較大差異，公共建筑的一般性研究和規范難以對高校建筑節能運行提出指導意義[2]。校園建筑設施量大面廣，基礎數據嚴重缺失，能源管理水平低，也嚴重制約著校園節能工作深入持久地開展。

校園建筑通常涵蓋辦公室、教室、實驗室、會議廳等多種用途形式。由于使用功能和條件的特殊性，校園建筑和常規辦公建筑相比，其能耗特征往往存在較大差異[3]。校園綜合建筑空調系統存在高峰季節與暑期部分交叉，且各用能單元同時使用系數偏低的特殊性，導致空調系統長期處于低負荷狀態運行，空調水系統溫差偏小，輸送系數基本達到要求，說明系統負荷率較低，水系統輸送給末端的冷量較大，空調系統設備選型存在較大余量。

校園各用能單元同時使用系數偏低，說明各類建筑使用時間和使用情況都存在較大差異。各類建筑空調系統實際能耗影響因素較多，影響程度也不相同，導致各自節能重點也存在較大差異[4]。

目前，國內外專家對建筑能耗的影響因素都進行了研究。李國帥對公共建筑能耗影響敏感性因素進行了研究[5]。蔡裕盛認為隨著窗墻比增加，空調能耗增加，采暖能耗降低[6]。王乾坤分析了不同熱工性能的外墻、屋面和圍護結構對建筑能耗的影響[7]。潘毅群對各類能耗模擬軟件在建筑節能技術研究中的作用給予了肯定[8]。為了研究各因素的影響程度大小，本文根據建立的某高校校園建筑DeST模型進行正交模擬實驗，通過對不同使用功能建筑空調負荷的影響程度模擬，尋找關鍵因素，進而提出各類建筑空調系統的節能運行改善措施。

1 校園綜合樓建筑模型

根據某高校校園綜合樓實際情況建立DeST模型，具體如圖1所示。

圖1 校園綜合樓建筑模型

該綜合樓集教學、辦公多功能于一體，在作息時間上，工作日和周末、正常教學時間和寒暑假都存在較大差異。因此，為了提高準確度，人員密度和空調開啟時間均根據教學和辦公區域，按照工作日和周末、正常教學時間和寒暑假分開設置，具體參數設置如表1所示。

表1 空調系統設定時間

綜合樓全年逐時冷、熱負荷計算結果如圖2所示。其中，全年最大冷負荷值出現在7月4日下午16時，為8178.5kW；最大熱負荷出現在1月21日早上8時，為2384.8kW；冬季平均熱負荷遠小于夏季平均冷負荷。

圖2 主樓全年逐時負荷

本文將根據建立的模型，主要選取辦公室和教室兩種類型建筑作為典型校園建筑研究對象。

2 辦公室負荷影響因素及改善措施

2.1 影響因素

辦公室是用于行政辦公和研究生學習的場所。室內人員密度小，標準層受建筑布局和面積限制，新風量指標也較小。隨著現代化辦公設備的增多，室內產熱量越來越大。辦公室的負荷比例中，顯熱負荷所占的比例最大，達到60%左右；潛熱負荷其次，約占30%左右；新風負荷最小，僅占不足10%。

辦公室夏季設計溫度為26℃，相對濕度為60%；辦公室人員密度為0.15人/m2，人員新風量指標為30m3/人；設備總功率為300W/人；照明密度為11W/m2。

采用正交實驗確定各辦公室負荷影響因素的程度。在正交試驗中欲考察的因素稱為因子；每個因子在考察范圍內分成若干等級，稱為水平。由于辦公室負荷受到外墻類型、屋頂類型、外窗類型、遮陽類型、人員散熱、設備散熱、照明指標等的影響，安排正交實驗如表2所示。為了挑選出次數較少而又有代表性的組合條件，各因子取等水平數2，不考慮交互作用，水平取值如表3所示。

表2 正交實驗安排L8(27)

表3 正交因子值

其中，水平1代表主教學樓實際參數水平，水平2代表《公共建筑節能設計標準》GB 50189-2005中相關規定。由于室內設計溫度均為26℃，且新風量指標均為30m3/人·h，因此，不考慮室內設計溫度和新風量指標的影響。

對辦公室負荷進行模擬，得到模擬結果如表4所示。

表4 L8(27)試驗極差

續表4 L8(27)試驗極差

其中，設備散熱因子的極差最大，達到17310，且遠遠大于其它因子，為辦公室空調負荷的最關鍵因素。屋頂極差最小，僅為1068，屬于次要因素。辦公室空調負荷影響因子的影響程度順序如下：

F>E>G>D>A>C>B

即：設備散熱>人員密度>照明散熱>遮陽系數>外墻>外窗>屋頂。

2.2 改善措施

由于設備散熱是影響辦公室負荷的最關鍵因素，其次為人員密度和照明散熱。因此，辦公室空調節能策略應該從減少室內熱源（包括辦公設備、人員和照明散熱）著手。

首先，應盡量關閉不使用的辦公設備，尤其在離開辦公室后應及時關閉電腦。盡量減少不必要的辦公設備，這對降低室內空調負荷，減少空調能耗具有十分重要的意義。

其次，應該推廣并更換節能燈具。節能燈具的初投資雖然較高，但其使用不僅可以減少照明用電量，同時又可以降低空調負荷。

最后，由于辦公室僅滿足室內最小新風量要求，因此在過渡季節或者辦公室負荷較小時，應開啟門窗，加強自然通風，充分利用天然冷源，保證室內空氣質量。

3 教室負荷影響因素及改善措施

3.1 影響因素

教室是用于學生學習上課的場所，占用空間大，使用人員多，室內環境的好壞，將會直接影響到學習的質量。因此，教室的空調環境應引起足夠的重視。教室人員密度較大，室內負荷主要由人員、照明和新風負荷組成，其中室內人員的散熱是室內負荷的主要來源。

教室負荷在全天內的變化較為穩定，白天上課時間顯熱負荷占比例較大，下午17:00之后潛熱負荷所占的比例增大。新風負荷所占比例遠遠超過辦公室新風負荷比例，最大可高達35%左右。

教室夏季設計溫度26℃，相對濕度60%；辦公室的人員密度0.6人/m2，人員新風量指標25m3/人；照明密度11W/m2。教室的作息時間相對較為規則，并存在課間休息時間。

同理，為分析各因素對教室負荷的影響程度，采用正交實驗分析法，對外墻、屋頂、外窗、遮陽、人員密度、新風指標和照明散熱等7個因素進行正交極差分析，正交模擬安排方案如表5所示。

表5 正交實驗安排L8(27)

各正交因子水平取值如表6所示。

表6 正交因子值

根據DeST模型，對教室負荷進行模擬，得到模擬結果如表7所示。

表7 L8(27)試驗極差

其中，人員密度因子的極差最大，達到9610，且遠遠大于其它因子，為最關鍵因素；屋頂極差最小，僅為36，屬于次要因素。教室空調負荷影響因子的影響程度順序如下：

E>F>D>C>A>G>B

即：人員密度>新風指標>遮陽系數>外窗>外墻>照明散熱>屋頂。

3.2 改善措施

雖然人員密度和新風量指標為教室空調負荷的主要影響因素，但教室座位數恒定，人員密度難以改變；同時人員密度高、且停留時間長的這種大空間建筑類型，室內新風量指標不但不應該降低，反而應該增大，才能保證室內空氣的新鮮度和室內人員的學習工作效率。

教室人員密度大、新風量指標高，因此，可以考慮回收利用排風中的能量，以取得節能和環保效益，尤其是當新風與排風采用專門獨立的管道輸送時，非常利于設置集中的熱回收裝置。排風熱回收裝置的額定熱回收效率不應低于60%，因此教室亦是適應于采用熱回收實現節能運行的。通過DeST模型對教室空調系統采用熱回收裝置進行模擬，顯熱回收40%，潛熱回收60%，夏季累計耗冷量減少16%，冬季累計耗熱量減少8%。

4 結語

（1）設備散熱、人員密度和照明散熱為辦公室空調負荷的主要影響因素，節能運行管理過程中應注意盡量關閉不使用的辦公設備，推廣并更換節能燈具，在過渡季節或者辦公室負荷較小時，開啟門窗，加強自然通風，充分利用天然冷源，保證室內空氣質量。

（2）人員密度和新風指標為教室空調負荷的主要影響因素，節能運行管理過程中應注意教室特殊性，新風量指標反而應該增大，才能保證室內空氣的新鮮度和室內人員的學習工作效率，可考慮回收利用排風中的能量，以取得節能和環保效益。

[1] 陳翊.節約型校園建設與評價的研究[D].上海:同濟大學,2008．

[2] 建科2008[89].高等學校節約型校園建設管理與技術導則[S].中華人民共和國住房和城鄉建設部,中華人民共和國教育部,2008.

[3] 王亮,盧軍,羅軼麟.校園綜合建筑空調系統能耗[J].暖通空調,2013,43(12):154-159.

[4] 王亮.高校主樓空調系統節能運行及合同能源管理適應性研究[D].重慶:重慶大學,2013．

[5] 李國帥,劉剛,彭先見.公共建筑能耗影響敏感性因素分析[C].第六屆國際綠色建筑與建筑節能大會論文集,2010:5.

[6] 蔡裕盛.公共建筑節能設計敏感性因素分析[J].福建建設科技,2008,(2):56-58.

[7] 王乾坤,萬暢.公共建筑圍護結構對建筑能耗的影響分析[J].武漢理工大學學報,2011,33(2):112-115.

[8] 潘毅群,左明明,李玉明.建筑能耗模擬——綠色建筑設計與建筑節能改造的支持工具之一：基本原理與軟件[J].制冷與空調,2008,22(3):10-16.

Factors of Air-conditioning Load and Energy Efficiency Improvement Measures for Campus Buildings

Xu Yongjun1Wang Liang2

( 1.Sichuan Provincial Architectural Design and Research Institute, Chengdu, 610017;2.School of Civil Engineering and Architecture, Southwest University of Science and Technology, Mianyang, 621010 )

Because of the special functions and conditions for campus buildings, its energy consumption characteristics tends to have bigger difference compared to single office building and educational building. By the method of orthogonal simulation test, the campus buildings are studied, such as office and classroom. It is found that heat dissipation of equipment, personnel density of office and heat dissipation of lighting are the main influence factors of air conditioning load for office, personnel density of classroom and new air index are the main influence factors of air conditioning load for classroom, which should be taken as the key to energy efficiency operation management. On the basis, energy efficiency improving measures are put forward.

Campus buildings; load; energy efficiency; office; classroom

1671-6612（2017）02-199-05

TU831

A

2015-12-15

作者（通訊作者）簡介：徐永軍（1986.04-），男，碩士，工程師，E-mail：360295741@qq.com