基于NM-BIN模型的既有建筑節能改造分析

樊成亮丁云飛、2劉龍斌

1廣州大學土木工程學院 2廣州大學廣東省建筑節能與應用技術重點實驗室

0 引言

我國建筑能耗已占到社會全部能耗的30%左右，目前還在持續增加，空調能耗約占建筑總能耗的60%[1]。合理的節能改造措施可以有效降低建筑能耗。在進行改造前需要對建筑能耗進行評價，由于專業能耗軟件需要復雜的建模，在實際場合中，工程師需要快速評價建筑全年能耗，BIN法因其簡單易操作的優點可以很好的滿足這種需求。BIN法也叫溫度頻數法，由ASHRAE[2]提出。為了提高其準確性，ASHRAE又對其進行了改進，得到Modified BIN法（M-BIN法）[3]。在經濟性和能源使用效率分析中，M-BIN模擬的季節性數據80%優于DOE-2，還能節省45.57%的能源使用[4]。為了更加準確地評價建筑能耗，綜合他們的研究，對輻射項的改進和含濕量劃分頻段同時進行。得到的NM-BIN法提高了對不同氣候類型下建筑能耗評價的準確性，方便了工程人員快速評價建筑能耗。

自2004年以來，為提高已有建筑的能源效率，許多研究者實施了一些節能改造策略[5]，并且獲得了較大的效益。仍然存在的問題在于，很少有人對節能改造提出一種方便可行的典型的方案或是普適的策略[6]。本文利用NM-BIN法對夏熱冬冷地區南京某辦公建筑的節能改造方案進行能耗評價，得到圍護結構熱工性能對空調能耗的影響結果。

1 NM-BIN模型

1.1 空調能耗

NM-BIN模型中，空調負荷主要由太陽輻射負荷（Rad）、傳導負荷（Temp）、內部負荷（Occ）、新風負荷（Inf）組成[7-8]。采用NM-BIN法計算空調能耗，其實質是每段溫濕度對應的單位面積冷負荷乘以該溫濕段下的頻數。

1）太陽輻射負荷

改進后的輻射得熱項見式（1），認為輻射得熱與BIN溫度獨立，不成線性關系，輻射負荷變化只與輻射強度有關。

式中：Radt為由太陽輻射引起的負荷，W/m2；SCLt,i為 t時刻朝向i的太陽輻射強度，W/m2；Ai為朝向i表面窗戶面積，m2；Af為建筑面積，m2；SCi為朝向 i的遮陽系數；Aci為朝向i窗戶有效面積系數；n為玻璃朝向總數。

2）傳導負荷

透過圍護結構由溫差引起的穩定傳熱部分可由式（2）計算：

式中：Tempc,t為由溫差引起的穩定傳導負荷，夏天為正，冬天為負，W/m2；Ki為朝向i表面傳熱系數，W/(m2℃)；Ai為朝向 i表面墻體面積，m2；To為室外空氣干球溫度，℃；Tr為室內設定溫度，℃；n為圍護結構傳熱表面數。

改進的透過圍護結構不穩定傳熱部分可由式（3）計算，認為傳熱溫差受太陽輻射強度影響，不與BIN溫度成線性關系：

式中：Temps,t為日射形成的導熱負荷，W/m2；Aj為朝向j表面墻體面積，m2；Kj為朝向 j表面傳熱系數，W/(m2℃)；TD為太陽輻射在j表面形成的輻射溫差，℃；αj為表面j太陽輻射吸收系數；hout為圍護結構外表面對流換熱系數，W/(m2℃)。

傳導總負荷由穩定傳熱和不穩定傳熱組成，可由式（5）計算：

3）新風負荷

新風負荷包含潛熱和顯熱負荷，分別由式（6）、式（7）計算：

式中：Inft,s為新風進入室內形成的顯熱負荷，W/m2；ρa為室內空氣密度，kg/m3；Cp為室內空氣比熱容，J/(kgK)；Va為新風和滲透風量，m3/s。

式中：Inft,lat為新風進入室內形成的潛熱負荷，W/m2；hp為室內空氣焓值，kJ/kg；do為室外空氣含濕量，kg/kg干空氣；dr為室外空氣含濕量，kg/kg干空氣。

由新風引起的總負荷由式（8）計算：

4）內部負荷

包含人員、設備、照明的向室內的散熱。

式中：Qcct為內部散熱引起的負荷，W/m2；Qccmax為室內最大散熱量，W；AU為同時散熱系數。

式中：Loadbin為空調能耗，Wh；i為 BIN 溫度段，℃；j為BIN含濕量段，g/kg干；m，k分別對應最大BIN溫濕段；n為對應BIN溫濕段小時的頻數；CLi,j為對應BIN溫濕段的負荷，W/m2；Af為空調區域面積，m2。

空調系統耗電量可由式（12）計算：

式中：COPbin為不同BIN溫度下空調設備能效比。

1.2 BIN數據的統計

1）BIN溫度的統計

當夏季室內設計溫度為26℃時，認為室外BIN干球溫度≥26℃，日射得熱傳導得熱滲透風新風得熱以及建筑內部得熱就會全部轉化為室內冷負荷；而對于室外BIN干球溫度≤24℃的情況，認為即使室內有得熱量，依靠自然通風就可以完全抵消這部分得熱量，此時日射得熱，滲透風，新風潛熱以及內部得熱不轉換為室內冷負荷；當室外干球溫度大于24℃且小于26℃時，認為自然通風無法完全抵消室內負荷，需要補充部分冷量。BIN溫度間隔取2℃。

2）BIN濕度的統計

認為含濕量與BIN溫度相對獨立，對含濕量也劃分頻段。室內含濕量低于11.5 g/kg干時，認為室內空氣需要加濕。當室內含濕量高于11.5 g/kg干時，為了滿足室內設定參數，認為室內空氣需要除濕。BIN濕度間隔取2 g/kg干。BIN氣象數據采用標準年氣象數據[9]。選取的城市是：夏熱冬冷地區的南京。表1統計了南京的空調期一班制溫濕頻參數。

表1 南京空調期BIN參數統計

2 建筑模型

以南京市某十層辦公樓為例，EnergyPlus建模見圖1，建筑總面積13376 m2，主體高度42.5 m，空調面積11136 m2。5～10月開空調，空調時間為8:00-18:00。空調系統采用風機盤管加新風系統。表2給出該圖書館一班制人員、設備、照明同時使用系數（AU），其他時間AU為0。室內設計參數見表3，圍護結構熱工性能見表4。用NM-BIN法對該辦公建筑進行能耗評價，可以得到計算式（13）：

式中：Load為改造后的空調能耗，kWh；ti為溫度段為i時的BIN溫度，℃；di,j為溫度段為i，濕度段為j時的BIN濕度，g/kg干。

圖1 辦公建筑模擬外觀圖

表2 同時使用系數（AU）

表3 室內設計參數

表4 圍護結構熱工性能

為了驗證NM-BIN法在全年能耗統計上的準確性和可靠性，改造前的建筑空調能耗分別由NM-BIN和EnergyPlus進行模擬對比。EnergyPlus已經被研究證明具有極高的計算準確性和可靠性，其最大計算偏差不超過5.2%[10]。改造前該建筑的空調能耗用EnergyPlus和NM-BIN法模擬的結果分別為2202.2 MWh和2333.1 MWh，相對誤差為5.61%，誤差在可接受范圍內。

3 節能改造分析

3.1 外墻改造

根據《公共建筑節能設計標準》（GB 50189-2015）[11]對南京地區該辦公建筑外墻傳熱系數的限值要求為≤1.0 W/(m2K)，節能改造方案見表5。改造的墻體采用加氣混凝土砌塊，保溫層采用聚苯板，采用NM-BIN法模擬得到墻體的熱工性能對建筑能耗的影響見圖2。

表5 外墻改造方案

圖2 不同墻體厚度下保溫層與能耗關系圖

圖2說明隨著外墻保溫層厚度和加氣混凝土厚度的增加該辦公建筑在南京地區的空調能耗逐漸下降，當保溫層厚度為40 mm，外墻厚度為240 mm時，與改造前相比每年減少空調能耗88.6 MWh，節能率為4.02%，外墻厚度不變，保溫層厚度從0 mm增加至40 mm時，全年能耗最多降低2.17%。由于南京冬季外墻有保溫的需求，這說明在南京地區原外墻改為同等厚度的加氣混凝土砌塊加保溫層厚40 mm時能耗降幅最明顯。

3.2 外窗改造

《公共建筑節能設計標準》對不同朝向的玻璃傳熱系數給出了限值見表6。外窗的改造方案見表7，列出幾種常見的玻璃和主要熱工性能。現把原有外窗根據方案三進行改造，通過增設外遮陽構件，可以進一步降低遮陽系數。

表6 外窗規定熱工參數值

表7 外窗改造方案

圖3說明外減小外窗遮陽系數能有效降低空調能耗，傳熱系數不變時，遮陽系數與空調能耗存在線性關系。外窗遮陽系數每減小0.1，總能耗降低33.1 MWh，節能率為1.50%，外窗傳熱系數每減小1 W/(m2K)，總能耗降低7.1 MWh，節能率為0.32%，這說明改變外窗傳熱系數對全年空調能耗影響較小，降低外窗外遮陽系數的節能效果更明顯。當遮陽系數從改造前的0.85降至0.2時，全年空調總能耗降低198.6 MWh，節能率為9.02%。

圖3 不同外窗傳熱系數下遮陽系數與能耗關系圖

3.3 屋頂改造

對于既有屋頂的改造，要使改造后的屋面傳熱系數≤0.7 W/(m2K)，選擇擠塑聚苯板作為保溫材料。不同保溫厚度下屋頂的傳熱系數及空調能耗見圖4。圖中可以看出，當保溫層厚度從0 mm增加到30 mm，能耗下降4.95%，此后，空調能耗降幅逐漸減小，從30 mm增加到40 mm時，能耗僅下降0.45%，這說明屋頂保溫層并不是越厚越好。從經濟性和節能考慮，保溫層厚度可選擇30 mm，此時屋頂傳熱系數為0.527 W/(m2K)。此外，采用預制箱式屋頂綠化也能很好的增加屋頂保溫性能，減少太陽輻射吸收，降低空調能耗。

4 總結

運用NM-BIN法對南京地區既有辦公建筑進行節能改造分析可得到如下結論：

1）NM-BIN法模擬的辦公建筑空調能耗，與EnergyPlus模擬的誤差為5.61%，誤差在可接受范圍內，使用NM-BIN法可方便工程人員快速對建筑進行能耗評價，為節能改造提供能耗參考；

圖4 不同保溫厚度下傳熱系數與空調能耗圖

2）以南京為代表的夏熱冬暖地區，冬天外墻要兼顧保溫，所以采取240 mm厚加氣混凝土外墻，保溫層厚度為40 mm時，全年能耗可降低4.02%；

3）相同的外窗傳熱系數下，全年空調能耗與外窗遮陽系數成線性關系，外窗遮陽系數每減小0.1，全能能耗可以下降1.50%，節能效果明顯，而減小外窗傳熱系數得到的節能效果非常有限；

4）對于既有屋頂，可直接在屋頂鋪設30 mm保溫板，或采用預制箱式屋頂綠化，既能降低能耗又能提高頂層室內舒適度。