樊成亮丁云飛、2劉龍斌

1廣州大學(xué)土木工程學(xué)院 2廣州大學(xué)廣東省建筑節(jié)能與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

0 引言

我國(guó)建筑能耗已占到社會(huì)全部能耗的30%左右，目前還在持續(xù)增加，空調(diào)能耗約占建筑總能耗的60%[1]。合理的節(jié)能改造措施可以有效降低建筑能耗。在進(jìn)行改造前需要對(duì)建筑能耗進(jìn)行評(píng)價(jià)，由于專(zhuān)業(yè)能耗軟件需要復(fù)雜的建模，在實(shí)際場(chǎng)合中，工程師需要快速評(píng)價(jià)建筑全年能耗，BIN法因其簡(jiǎn)單易操作的優(yōu)點(diǎn)可以很好的滿足這種需求。BIN法也叫溫度頻數(shù)法，由ASHRAE[2]提出。為了提高其準(zhǔn)確性，ASHRAE又對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)，得到Modified BIN法（M-BIN法）[3]。在經(jīng)濟(jì)性和能源使用效率分析中，M-BIN模擬的季節(jié)性數(shù)據(jù)80%優(yōu)于DOE-2，還能節(jié)省45.57%的能源使用[4]。為了更加準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)建筑能耗，綜合他們的研究，對(duì)輻射項(xiàng)的改進(jìn)和含濕量劃分頻段同時(shí)進(jìn)行。得到的NM-BIN法提高了對(duì)不同氣候類(lèi)型下建筑能耗評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性，方便了工程人員快速評(píng)價(jià)建筑能耗。

自2004年以來(lái)，為提高已有建筑的能源效率，許多研究者實(shí)施了一些節(jié)能改造策略[5]，并且獲得了較大的效益。仍然存在的問(wèn)題在于，很少有人對(duì)節(jié)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(duì)夏熱冬冷地區(qū)南京某辦公建筑的節(jié)能改造方案進(jìn)行能耗評(píng)價(jià)，得到圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能對(duì)空調(diào)能耗的影響結(jié)果。

1 NM-BIN模型

1.1 空調(diào)能耗

NM-BIN模型中，空調(diào)負(fù)荷主要由太陽(yáng)輻射負(fù)荷（Rad）、傳導(dǎo)負(fù)荷（Temp）、內(nèi)部負(fù)荷（Occ）、新風(fēng)負(fù)荷（Inf）組成[7-8]。采用NM-BIN法計(jì)算空調(diào)能耗，其實(shí)質(zhì)是每段溫濕度對(duì)應(yīng)的單位面積冷負(fù)荷乘以該溫濕段下的頻數(shù)。

1）太陽(yáng)輻射負(fù)荷

改進(jìn)后的輻射得熱項(xiàng)見(jiàn)式（1），認(rèn)為輻射得熱與BIN溫度獨(dú)立，不成線性關(guān)系，輻射負(fù)荷變化只與輻射強(qiáng)度有關(guān)。

式中：Radt為由太陽(yáng)輻射引起的負(fù)荷，W/m2；SCLt,i為 t時(shí)刻朝向i的太陽(yáng)輻射強(qiáng)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(yáng)系數(shù)；Aci為朝向i窗戶有效面積系數(shù)；n為玻璃朝向總數(shù)。

2）傳導(dǎo)負(fù)荷

透過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)由溫差引起的穩(wěn)定傳熱部分可由式（2）計(jì)算：

式中：Tempc,t為由溫差引起的穩(wěn)定傳導(dǎo)負(fù)荷，夏天為正，冬天為負(fù)，W/m2；Ki為朝向i表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，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(nèi)設(shè)定溫度，℃；n為圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱表面數(shù)。

改進(jìn)的透過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定傳熱部分可由式（3）計(jì)算，認(rèn)為傳熱溫差受太陽(yáng)輻射強(qiáng)度影響，不與BIN溫度成線性關(guān)系：

式中：Temps,t為日射形成的導(dǎo)熱負(fù)荷，W/m2；Aj為朝向j表面墻體面積，m2；Kj為朝向 j表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2℃)；TD為太陽(yáng)輻射在j表面形成的輻射溫差，℃；αj為表面j太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)；hout為圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2℃)。

傳導(dǎo)總負(fù)荷由穩(wěn)定傳熱和不穩(wěn)定傳熱組成，可由式（5）計(jì)算：

3）新風(fēng)負(fù)荷

新風(fēng)負(fù)荷包含潛熱和顯熱負(fù)荷，分別由式（6）、式（7）計(jì)算：

式中：Inft,s為新風(fēng)進(jìn)入室內(nèi)形成的顯熱負(fù)荷，W/m2；ρa(bǔ)為室內(nèi)空氣密度，kg/m3；Cp為室內(nèi)空氣比熱容，J/(kgK)；Va為新風(fēng)和滲透風(fēng)量，m3/s。

式中：Inft,lat為新風(fēng)進(jìn)入室內(nèi)形成的潛熱負(fù)荷，W/m2；hp為室內(nèi)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(fēng)引起的總負(fù)荷由式（8）計(jì)算：

4）內(nèi)部負(fù)荷

包含人員、設(shè)備、照明的向室內(nèi)的散熱。

式中：Qcct為內(nèi)部散熱引起的負(fù)荷，W/m2；Qccmax為室內(nèi)最大散熱量，W；AU為同時(shí)散熱系數(shù)。

式中：Loadbin為空調(diào)能耗，Wh；i為 BIN 溫度段，℃；j為BIN含濕量段，g/kg干；m，k分別對(duì)應(yīng)最大BIN溫濕段；n為對(duì)應(yīng)BIN溫濕段小時(shí)的頻數(shù)；CLi,j為對(duì)應(yīng)BIN溫濕段的負(fù)荷，W/m2；Af為空調(diào)區(qū)域面積，m2。

空調(diào)系統(tǒng)耗電量可由式（12）計(jì)算：

式中：COPbin為不同BIN溫度下空調(diào)設(shè)備能效比。

1.2 BIN數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)

1）BIN溫度的統(tǒng)計(jì)

當(dāng)夏季室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為26℃時(shí)，認(rèn)為室外BIN干球溫度≥26℃，日射得熱傳導(dǎo)得熱滲透風(fēng)新風(fēng)得熱以及建筑內(nèi)部得熱就會(huì)全部轉(zhuǎn)化為室內(nèi)冷負(fù)荷；而對(duì)于室外BIN干球溫度≤24℃的情況，認(rèn)為即使室內(nèi)有得熱量，依靠自然通風(fēng)就可以完全抵消這部分得熱量，此時(shí)日射得熱，滲透風(fēng)，新風(fēng)潛熱以及內(nèi)部得熱不轉(zhuǎn)換為室內(nèi)冷負(fù)荷；當(dāng)室外干球溫度大于24℃且小于26℃時(shí)，認(rèn)為自然通風(fēng)無(wú)法完全抵消室內(nèi)負(fù)荷，需要補(bǔ)充部分冷量。BIN溫度間隔取2℃。

2）BIN濕度的統(tǒng)計(jì)

認(rèn)為含濕量與BIN溫度相對(duì)獨(dú)立，對(duì)含濕量也劃分頻段。室內(nèi)含濕量低于11.5 g/kg干時(shí)，認(rèn)為室內(nèi)空氣需要加濕。當(dāng)室內(nèi)含濕量高于11.5 g/kg干時(shí)，為了滿足室內(nèi)設(shè)定參數(shù)，認(rèn)為室內(nèi)空氣需要除濕。BIN濕度間隔取2 g/kg干。BIN氣象數(shù)據(jù)采用標(biāo)準(zhǔn)年氣象數(shù)據(jù)[9]。選取的城市是：夏熱冬冷地區(qū)的南京。表1統(tǒng)計(jì)了南京的空調(diào)期一班制溫濕頻參數(shù)。

表1 南京空調(diào)期BIN參數(shù)統(tǒng)計(jì)

2 建筑模型

以南京市某十層辦公樓為例，EnergyPlus建模見(jiàn)圖1，建筑總面積13376 m2，主體高度42.5 m，空調(diào)面積11136 m2。5～10月開(kāi)空調(diào)，空調(diào)時(shí)間為8:00-18:00?？照{(diào)系統(tǒng)采用風(fēng)機(jī)盤(pán)管加新風(fēng)系統(tǒng)。表2給出該圖書(shū)館一班制人員、設(shè)備、照明同時(shí)使用系數(shù)（AU），其他時(shí)間AU為0。室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表3，圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能見(jiàn)表4。用NM-BIN法對(duì)該辦公建筑進(jìn)行能耗評(píng)價(jià)，可以得到計(jì)算式（13）：

式中：Load為改造后的空調(diào)能耗，kWh；ti為溫度段為i時(shí)的BIN溫度，℃；di,j為溫度段為i，濕度段為j時(shí)的BIN濕度，g/kg干。

圖1 辦公建筑模擬外觀圖

表2 同時(shí)使用系數(shù)（AU）

表3 室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)

表4 圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能

為了驗(yàn)證NM-BIN法在全年能耗統(tǒng)計(jì)上的準(zhǔn)確性和可靠性，改造前的建筑空調(diào)能耗分別由NM-BIN和EnergyPlus進(jìn)行模擬對(duì)比。EnergyPlus已經(jīng)被研究證明具有極高的計(jì)算準(zhǔn)確性和可靠性，其最大計(jì)算偏差不超過(guò)5.2%[10]。改造前該建筑的空調(diào)能耗用EnergyPlus和NM-BIN法模擬的結(jié)果分別為2202.2 MWh和2333.1 MWh，相對(duì)誤差為5.61%，誤差在可接受范圍內(nèi)。

3 節(jié)能改造分析

3.1 外墻改造

根據(jù)《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50189-2015）[11]對(duì)南京地區(qū)該辦公建筑外墻傳熱系數(shù)的限值要求為≤1.0 W/(m2K)，節(jié)能改造方案見(jiàn)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(duì)建筑能耗的影響見(jiàn)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(guān)系圖

圖2說(shuō)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(qū)的空調(diào)能耗逐漸下降，當(dāng)保溫層厚度為40 mm，外墻厚度為240 mm時(shí)，與改造前相比每年減少空調(diào)能耗88.6 MWh，節(jié)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(shí)，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(shuō)明在南京地區(qū)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(shí)能耗降幅最明顯。

3.2 外窗改造

《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)不同朝向的玻璃傳熱系數(shù)給出了限值見(jiàn)表6。外窗的改造方案見(jiàn)表7，列出幾種常見(jiàn)的玻璃和主要熱工性能。現(xiàn)把原有外窗根據(jù)方案三進(jìn)行改造，通過(guò)增設(shè)外遮陽(yáng)構(gòu)件，可以進(jìn)一步降低遮陽(yáng)系數(shù)。

表6 外窗規(guī)定熱工參數(shù)值

表7 外窗改造方案

圖3說(shuō)明外減小外窗遮陽(yáng)系數(shù)能有效降低空調(diào)能耗，傳熱系數(shù)不變時(shí)，遮陽(yáng)系數(shù)與空調(diào)能耗存在線性關(guān)系。外窗遮陽(yáng)系數(shù)每減小0.1，總能耗降低33.1 MWh，節(jié)能率為1.50%，外窗傳熱系數(shù)每減小1 W/(m2K)，總能耗降低7.1 MWh，節(jié)能率為0.32%，這說(shuō)明改變外窗傳熱系數(shù)對(duì)全年空調(diào)能耗影響較小，降低外窗外遮陽(yáng)系數(shù)的節(jié)能效果更明顯。當(dāng)遮陽(yáng)系數(shù)從改造前的0.85降至0.2時(shí)，全年空調(diào)總能耗降低198.6 MWh，節(jié)能率為9.02%。

圖3 不同外窗傳熱系數(shù)下遮陽(yáng)系數(shù)與能耗關(guān)系圖

3.3 屋頂改造

對(duì)于既有屋頂?shù)母脑欤垢脑旌蟮奈菝鎮(zhèn)鳠嵯禂?shù)≤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?shù)膫鳠嵯禂?shù)及空調(diào)能耗見(jiàn)圖4。圖中可以看出，當(dāng)保溫層厚度從0 mm增加到30 mm，能耗下降4.95%，此后，空調(diào)能耗降幅逐漸減小，從30 mm增加到40 mm時(shí)，能耗僅下降0.45%，這說(shuō)明屋頂保溫層并不是越厚越好。從經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能考慮，保溫層厚度可選擇30 mm，此時(shí)屋頂傳熱系數(shù)為0.527 W/(m2K)。此外，采用預(yù)制箱式屋頂綠化也能很好的增加屋頂保溫性能，減少太陽(yáng)輻射吸收，降低空調(diào)能耗。

4 總結(jié)

運(yùn)用NM-BIN法對(duì)南京地區(qū)既有辦公建筑進(jìn)行節(jié)能改造分析可得到如下結(jié)論：

1）NM-BIN法模擬的辦公建筑空調(diào)能耗，與EnergyPlus模擬的誤差為5.61%，誤差在可接受范圍內(nèi)，使用NM-BIN法可方便工程人員快速對(duì)建筑進(jìn)行能耗評(píng)價(jià)，為節(jié)能改造提供能耗參考；

圖4 不同保溫厚度下傳熱系數(shù)與空調(diào)能耗圖

2）以南京為代表的夏熱冬暖地區(qū)，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(shí)，全年能耗可降低4.02%；

3）相同的外窗傳熱系數(shù)下，全年空調(diào)能耗與外窗遮陽(yáng)系數(shù)成線性關(guān)系，外窗遮陽(yáng)系數(shù)每減小0.1，全能能耗可以下降1.50%，節(jié)能效果明顯，而減小外窗傳熱系數(shù)得到的節(jié)能效果非常有限；

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