珠海某大學圖書館大樓建筑能耗分析及節能改造

廖愛群 LIAO Ai-qun；易訊 YI Xun

（北京理工大學珠海學院工業自動化學院，珠海 509085）

1 圖書館調研及高能耗分析

圖書館建筑在公共建筑中一般為開闊式環境，而在本設計中的房間的房型屬于大深進的類型，為塑造一個安靜、舒服的閱讀環境和清新的呼吸環境，圖書館內房間大部分時間需要保持關閉，以此來減少灰塵量，所以房間內需要利用中央空調系統的機械性的通風來對室內進行氣流組織通風。圖書館因為日工作時間長，電氣化設備運轉時間長負荷量大，也間接導致整個建筑的能耗大，其中單空調耗能就超過了50%。因此如何有效的改造圖書館的空調系統，其節能改造是降低能耗損失的一大關鍵因素。

2 天正暖通的空調系統設計

在建筑設計平面圖上，設置各個房間的人員密度等一些的相關參數，進行冷熱負荷計算；利用DeST分析整棟樓的能耗，檢驗將全水系統改換成全空氣系統后的空調能耗對電耗影響；最后對本次設計提出改善措施，分析通過改良圖書館墻的窗及空調系統來提升室內良好的熱濕環境以及空氣質量的模擬效果，并輸出相關數據報告。

2.1 室外氣象參數

珠海坐落于廣東省的中部為亞熱帶，時常有東夏季風，一年的氣溫是相對偏高，冬暖夏熱，夏天太陽輻射強度如圖1所示。

如圖2、圖3所示：同時經過數據整理分析得出珠海一年四季的主要氣候特征和簡要概況：從七月氣溫來看，珠海平均氣溫約為24℃。氣溫的年間變化一般在22℃到28℃之間。年平均氣溫最高時29℃；最低時20℃，年最低時44%，年最低氣溫5.0℃。最低氣溫在10.0℃以下的月份僅為7%，59%的年份最高氣溫為25.0℃-30℃。最高氣溫低于25.0℃的年份也有60%。最熱月份七月日平均溫度為28.81℃，日最高溫度平均值為33.43℃，日最低平均溫度為25.72℃。數據顯示空調控制溫度應為26℃，空調度日照數為282.3471小時，空調度小時數為8542小時。設計的室外設計氣象參數根據來源于GB 50736-2012《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》[1]。

圖2 珠海某年全年溫度分布統計圖

圖3 珠海某年十二個月的干球溫度統計

2.2 圖書館室建筑參數

珠海某大學圖書館建在校內交通外環線主干道旁，一側有河道。面向學校足球運動場。離教育學區和生活區域也比較近。圖書館主體為長方體結構建筑，共10層，建筑面積15120m2，空調面積9300m2。主要設計樓層為圖書館的1-3層，共有2間閱覽室，2間自習室，1個視聽室，兩個機房，3個洗手間，兩層接待室以及走廊、洗手間、門廳等結構。該高校的圖書館1-3樓為研究對象，建筑總面積5040m2，層高4.2m。圖書館墻體為鋼筋混凝結構，內門皆為普通單層門，透光材料為普通單層玻璃。其中分為分別1-2層的圖書館文獻書籍區域和3層的多功能電腦機房進行研究分析。建筑總高度12.6 m。主要結構是框架結構。其中一樓由1間接待室、3會議室和一個大廳組成，二樓則全部是書籍的存放區域，三樓由3間大機房組成，其中含有兩間自習室和一間多媒體同傳室，兩間大會議室。同時3層均有兩個男女衛生間。

3 基于DeST的圍護結構設計

利用CAD、天正暖通繪制圖書館1-3層建筑平面圖，通過調研獲得各個房間的人員密度等一些的相關參數，進行冷熱負荷計算，統計出冷熱負荷。導出各層平面圖；用DeST軟件分析整棟樓的能耗，來檢驗將全水系統改換成全空氣系統后的空調能耗對電耗影響；最后對本次設計提出改善措施，分析通過改良圖書館墻的窗及空調系統來提升室內良好的熱濕環境以及空氣質量的模擬效果，并輸出報告。

3.1 Medpha

室外氣象參數Medpha（Meteorological Data Producer for HVAC Analysis）是重要的基礎數據，對圖書館系統進行逐時太陽輻射量動態模擬分析。根據相關建筑節能設計標準中的典型氣象年選取方法，Medpha選出了具有普遍性的典型的氣象年。通過氣象年來對圖書館進行能耗模擬分析并輸出一整年的模擬基礎數據。

3.2 VentPlus

自然通風VentPlus自然通風的模擬是多區域網絡模型。圖書館是運用VentPlus模擬系統，其中圖書館中的每層的每個房間是一個區域也是一個網絡節點。如果和空氣融合且空氣的參數相同，那么圖書館的內門、窗戶開口、縫隙等相連接各網絡節點也就流通了起來，從而就形成了流體網絡。利用自然通風模擬模塊VentPlus得到的計算結果，再優化窗孔設計中，盡可能利用自然通風，降低空調能耗。在本次設計中需要在設計規范的前提下保證墻窗比，來利用自然通風。

3.3 Scheme

方案分析Scheme空調系統方案設計這一部分不僅銜接著一開始的圖書館的熱過程解析還對后期的設備選擇有重要的作用。模型在負荷計算結束后，空調系統方案模擬Scheme還需進行如下四個步驟：①添加系統；②添加房間到系統；③設定系統內房間屬性；④設定整體系統屬性。當設計到空調部分時，用建筑模擬粗略的對圖書館建筑物本身的熱特性了解分析。之后將進行空調系統的選擇設定，在此以天正暖通的冷負荷數據作為輔助參考，為圖書館設計選擇方案為空氣-水系統。

3.4 BShadow

陰影計算BShadow是圖書館環境進行動態的模擬，如圖4所示，圖書館所獲得日照的熱輻射對于圖書館的內部空調系統能耗有持久深遠的影響。圖書館周圍建筑環境的模擬對陰影計算有影響，需要利用太陽輻射的計算方法來進行計算。本次設計中，圖書館四周無太多的遮擋。因此通過計算得到的圖書館進行365天任意時刻的建筑的日影分布。

圖4 日影模擬圖

綜上幾個要點所述，圍護結構設計中首先確定了圖書館的幾何形狀，用CAD建模完成，其次通過DeST也測算出了窗墻比，最后對圖書館的建筑的材料類型進行選型。DeST根據的圖書館優化后的設計方案，對圖書館進行全年每一時刻的溫度進行模擬，然后再對采暖空調能耗進行計算。為保證經濟性，DeST還對圖書館進行了相應的空調方案的經濟性分析，從費用合理性和可持續性兩方面進行考量。圖書館建筑設計需要最后和實際需求進行比對，如結合珠海當地氣候和珠海當地設計標準得出最優方案。

4 DeST模擬后能耗分析

經過對比結果分析，圍護結構節能后建筑能耗都有所減小。如圖5、圖6所示。同時，由于夏天氣候悶熱因此對空調設備等使用時間長次數多，相對于設計前，圖書館用電的節能相對于以往也大幅度降低了空調的能耗。

圖5 圖書館建筑電耗

圖6 圖書館內各類電耗情況

如圖5所示：以下幾個方面減少電耗：空調、照明和通風等。雖然電量均有所減少，但圖書館耗電量最多的仍然是空調的電耗。由于圖書館對于其他用電需求特別高，加上DeST模擬軟件對機房設備的能模擬也無特別的處理，所以還有改善空間。

5 節能改造

從保溫、經濟性和聲環境這三方面來考慮。對于門窗來說，影響較小，首先考慮的是經濟型，其次再考慮節能性能。

①現有空調系統的改良，同時作為長時間學習的區域，室內的空氣質量要求也要達到標準。所以按照設計需求，空調按照兩個區域進行劃分：辦公區域使用的是風機盤管和新風系統。這種系統對實際空調使用量的控制有很好的節能效果。而對于公共區域來說學生密度高、面積廣，因此采用全空氣系統是最好的了。按照設計規范，圖書館的溫度應維持再26℃左右，室內濕度應該保持在60%，前文再新風量的設計上也要達到標準補充量。②考慮系統選型對于圖書館面積大，空氣質量要求高，使用全水系統僅能減少室內余熱和余濕，對空氣質量沒有控制。因為各房間功能不同，而也采用了分區考慮，但是對于借閱室占據一、二層的大面積，冷負荷和熱負荷也大致相同，所以使用全空氣系統。③在氣溫上的圍護也做到一開始所設定的10℃到30℃之間，有效的對圖書館內藏書得到了好的溫度控制和書籍保護。結合以上信息，此次節能設計從對圍護結構進行的優化，和空調系統的重新設計，墻體保溫方案設計見表1，各方案而而在達到了建筑要求的前提下，同時從節能性和經濟性考慮，選擇方案二是節能效果得到了提升也符合實際成本和運行的方案。通過對門、窗、墻圍護結構的改善，有效的把全年累計冷負荷量從原本的614391.3kW·h降低至573754.61kW·h，共有效降低了40636.69kW·h。④由于條件有限，這次設計研究仍有很大的改良空間。沒有對公共區域的通風設計進行改善，圖書館附樓的報告廳等場所會產生一定的余熱，因此需要通風處理，設置排風系統。

表1 墻體保溫方案的設計

6 小結

本設計研究中心點是基于圖書館的初始建筑信息以及當地氣候，對現有公共建筑—珠海市某高校圖書館大樓進行節能優化。在設計中利用了天正暖通進行的冷負荷計算，來對空調系統的選型進行對比，最后進行空調系統方案的選擇。結論方案可為其他同類設計提供了可行性參考。