南京地區賓館建筑能耗模擬及節能分析

王寒，程清

(南京工業大學能源科學與工程學院，南京 211816)

隨著中國經濟從高速發展進入高質量發展階段，現有的能源產業結構遭受沖擊，促使能源轉向高質量發展，所以綠色轉型的任務也成為了目前所面臨的重大問題。在第十四個五年規劃期間中國社會用電量年均增速預計可以達到 4%～5%，最大負荷增速快于用電量增速，負荷峰谷差呈增大趨勢。我國電力需求總量將持續增長，預計2025年全社會用電量將從2018年的6.9萬億kW·h增長至9.5萬億kW·h左右，年均增速4%～5%[1]。

建筑能耗包括由外部輸入的能耗、用于維持建筑環境(如供暖、供冷、通風和照明等)和各類建筑內活動(如辦公、炊事等)的能耗，不包括建筑材料制造和建筑施工的用能[2]。中國的建筑能耗約占總能耗的20%～30%，并且還在逐年增加[3]。在電力需求增長的大背景下，建筑節能的問題迫在眉睫。

影響建筑能耗的因素有很多，其中制冷制熱能耗占比最大[4]，其它的因素如圍護結構[5-9]、風環境[10-11]，甚至人的行為[12]都會對建筑整體的能耗造成或多或少的影響。

本文以南京地區某賓館建筑為模型，使用EnergyPlus能耗模擬軟件進行全年能耗模擬，并基于不同變量對建筑能耗的影響做出節能分析。

1 模型概況

本研究采用美國能源部(DOE)制訂的建筑能源規范計劃(BECP)所提供的賓館建筑進行模擬研究，考慮到南京的氣候條件，選取了與南京氣候相近美國西雅圖的建筑模型(如圖1所示)，并在此基礎上進行能耗模擬。

圖1 賓館建筑模型

賓館建筑總面積為3 725.38 m2，共四層，無地下室，其中一層和二至四層的房間分配不同，分別列在表1和表2中，對應的樓層剖面圖分別為圖2和圖3。

表1 一樓剖面圖中所對應的房間

表2 二至四層剖面圖所對應的房間

圖2 一樓剖面圖

圖3 二至四層剖面圖

該賓館建筑的平均窗墻比約為10.9%，長寬比為3，1層的樓層高度為3.35 m，2-4層的樓層高度為2.74 m。外墻為鋼結構，由內到外分別為2.54 cm水泥、1.59 cm石膏板、墻體保溫層和1.59 cm石膏板組成。

模型的空調設施情況具體為：

1)制熱設施。客房：帶電阻加熱的PTAC(Packaged Terminal Air Conditioning)。公共空間(辦公室、洗衣房、大堂、會議室)：空調機組內部的煤氣爐。儲物室及樓梯：電暖爐。

2)制冷設施。客房和走廊：PTAC。公共空間：DX(直膨式)冷卻分體系統。儲物室和樓梯：沒有制冷。

2 圍護結構及人員設備能耗分析

2.1 人口密度對能耗的影響

本節研究了人口密度的變化對賓館建筑全年能耗的影響，人口密度對能耗的影響如圖4所示，人口密度對制冷制熱能耗的影響如圖5所示。

圖4 人口密度對能耗的影響

圖5 人口密度對制冷制熱能耗的影響

從圖4中可以看出，人口越密集，單位面積能耗越大。由圖5可知，若平均每個人所占有的面積越來越小，那么人體自身熱量的耗散作用顯得越來越重要，房間的內熱源數目或者所攜帶能量增大，制熱時所需要的能量就越來越少，反而制冷時所需要的能量越來越多。總的來說人口密度對制冷能耗的影響要更大一點。

一般酒店的單人房間面積為10～30 m2不等，雙人間面積為20～50 m2不等，參考《公共建筑節能設計標準》(GB 50189-2015)中給出的建議值25 m2/人，再結合圖4，可以得知20 m2/人的面積是比較合適的選值。

2.2 外墻傳熱系數對能耗的影響

《公共建筑節能設計標準》(GB 50189-2015)規定了夏熱冬冷地區的外墻傳熱系數不得高于0.6 W/(m2·K)。外墻傳熱系數對總能耗的影響如圖6所示，外墻傳熱系數對制冷制熱能耗的影響如圖7所示。

圖6 外墻傳熱系數對總能耗的影響

圖7 外墻傳熱系數對制冷制熱能耗的影響

從圖6中可以看出外墻傳熱系數越大，墻體的保溫性能越差，能耗越高。而圖7則表示外墻傳熱系數對能耗的影響主要體現在冬季制熱能耗的大幅上升上。考慮降低傳熱系數帶來的成本的增加，選取0.3 W/(m2·K)是比較合適且理想的。

2.3 燈具和插座負荷對能耗的影響

燈具與室內各種用電設備等在負荷中也占據相當大的比例。它們的功率大小對建筑總能耗的影響是不言而喻的，燈具和插座負荷對賓館建筑的全年能耗影響如圖8和圖9所示。

圖8 燈具對制冷制熱能耗的影響

圖9 插座負荷對制冷制熱能耗的影響

從圖8和圖9中可以看出，隨著燈具照明功率和插座負荷的提升，制冷能耗提升，制熱能耗下降。原因是室內各類電器在使用時一定會帶來或多或少的熱耗散，燈光對制冷制熱能耗上的影響尤為明顯。《公共建筑節能設計標準》(GB50189-2015)給出的建議燈光與各種用電設備的功率之和為15 W/m，結合賓館建筑實際，燈光和插座功率均選取為10 W/m。

3 空調運行策略

3.1 制訂空調運行策略

空調能耗是賓館建筑能耗的重要組成部分。空調設定溫度對能耗的影響是顯而易見的，本文中不再贅述。根據賓館建筑的特點將賓館分為公共區域和客房區域，參考24 h人員在室率分別設定兩區域的空調運行策略。空調各模式的運行策略見表3。

表3 空調各模式的運行策略

3.2 空調運行策略節能分析

不同空調運行策略模擬結果降序對比如圖10所示。

圖10 運行策略模擬結果降序對比響

從圖10中可以看出：運行策略2相比于原策略1能耗反而有所提升，這是由于夜間空調關閉后風機能耗的增加所導致的。在運行策略3中能耗均有下降，說明此類策略可以有效節能。運行策略4-A與4-B均相比原模型能耗有所增加，而在使用增大了溫差的變溫運行表5后，能耗才有所下降。可以得出：變溫運行的溫差過小，反而可能會造成能耗的增加。由于對客房的空調運行加以控制后，運行策略5-A與5-B相比4-A與4-B有所下降，而使用變溫運行表5的5-C與5-D較5-A與5-B又有所下降。

表4 變溫運行一

表5 變溫運行二

若是采用能耗最低的模式5-D即客房空調夜間運行、公共區域白天變溫運行的策略來運行空調，年平均能耗可以降低3.648 5(kW·h)/m2，按照總面積3 725.42 m2來計算，每年可以節省13 592.19 kW·h的電量，可節約電費1萬元，經濟效益顯著。

3.3 節能分析

若是以本文提出的較為合適的人口密度、外墻傳熱系數、照明功率、插座負荷和客房空調夜間運行和公共區域白天變溫運行的節能策略來進行能耗模擬，模擬所得結果為年平均能耗為159.189(kW·h)/m2，較原模型的188.850(kW·h)/m2減少了29.661(kW·h)/m2，按照總面積來計算，每年可以節省約110 501 kW·h的電量。

4 結語

本文對南京地區賓館建筑模型進行了全年能耗模擬，并研究了關鍵因素對賓館建筑能耗的影響。得出以下結論：

1)人口越密集，制冷能耗越高，制熱能耗越低，單位面積總能耗越大。

2)外墻傳熱系數越高，即熱阻越小，制熱能耗越高，制冷能耗基本不變，單位面積總能耗越高。

3)照明功率和插座負荷越高，制冷能耗越高，制熱能耗越低，單位面積總能耗越高。

4)減少空調使用時間，作溫差較大變溫運行均有利于整體節能。

對賓館建筑模型進行節能優化設計后，該賓館全年可節省11萬kW·h左右的電量，折合標煤約1.35 t，節能效果顯著。