校园建筑空调负荷影响因素及节能改善措施研究

徐永军 王 亮



校园建筑空调负荷影响因素及节能改善措施研究

徐永军1王 亮2

（1.四川省建筑设计研究院 成都 610017；2.西南科技大学土木工程与建筑学院 绵阳 621010）

由于使用功能和条件的特殊性，校园建筑和单一的办公建筑及教育建筑相比，其能耗特征往往存在较大差异。通过采用正交模拟实验方法，对办公室和教室等类型校园建筑进行了研究，发现设备散热、人员密度和照明散热为办公室空调负荷的主要影响因素，人员密度和新风指标为教室空调负荷的主要影响因素，应作为相应的节能运行管理重点，并在此基础上提出了节能改善措施。

校园建筑；负荷；节能；办公室；教室

0 引言

我国各类高校逐渐成为重要的能源消耗大户。高校建筑用能存在能耗水平差异大、增长快的特点，这预示着校园蕴藏了巨大的节能潜力。实现高校建筑节能运行，建设绿色节约型校园势在必行[1]。高校建筑属于公共建筑的范畴，然而公共建筑种类繁多，用能情况存在较大差异，公共建筑的一般性研究和规范难以对高校建筑节能运行提出指导意义[2]。校园建筑设施量大面广，基础数据严重缺失，能源管理水平低，也严重制约着校园节能工作深入持久地开展。

校园建筑通常涵盖办公室、教室、实验室、会议厅等多种用途形式。由于使用功能和条件的特殊性，校园建筑和常规办公建筑相比，其能耗特征往往存在较大差异[3]。校园综合建筑空调系统存在高峰季节与暑期部分交叉，且各用能单元同时使用系数偏低的特殊性，导致空调系统长期处于低负荷状态运行，空调水系统温差偏小，输送系数基本达到要求，说明系统负荷率较低，水系统输送给末端的冷量较大，空调系统设备选型存在较大余量。

校园各用能单元同时使用系数偏低，说明各类建筑使用时间和使用情况都存在较大差异。各类建筑空调系统实际能耗影响因素较多，影响程度也不相同，导致各自节能重点也存在较大差异[4]。

目前，国内外专家对建筑能耗的影响因素都进行了研究。李国帅对公共建筑能耗影响敏感性因素进行了研究[5]。蔡裕盛认为随着窗墙比增加，空调能耗增加，采暖能耗降低[6]。王乾坤分析了不同热工性能的外墙、屋面和围护结构对建筑能耗的影响[7]。潘毅群对各类能耗模拟软件在建筑节能技术研究中的作用给予了肯定[8]。为了研究各因素的影响程度大小，本文根据建立的某高校校园建筑DeST模型进行正交模拟实验，通过对不同使用功能建筑空调负荷的影响程度模拟，寻找关键因素，进而提出各类建筑空调系统的节能运行改善措施。

1 校园综合楼建筑模型

根据某高校校园综合楼实际情况建立DeST模型，具体如图1所示。

图1 校园综合楼建筑模型

该综合楼集教学、办公多功能于一体，在作息时间上，工作日和周末、正常教学时间和寒暑假都存在较大差异。因此，为了提高准确度，人员密度和空调开启时间均根据教学和办公区域，按照工作日和周末、正常教学时间和寒暑假分开设置，具体参数设置如表1所示。

表1 空调系统设定时间

综合楼全年逐时冷、热负荷计算结果如图2所示。其中，全年最大冷负荷值出现在7月4日下午16时，为8178.5kW；最大热负荷出现在1月21日早上8时，为2384.8kW；冬季平均热负荷远小于夏季平均冷负荷。

图2 主楼全年逐时负荷

本文将根据建立的模型，主要选取办公室和教室两种类型建筑作为典型校园建筑研究对象。

2 办公室负荷影响因素及改善措施

2.1 影响因素

办公室是用于行政办公和研究生学习的场所。室内人员密度小，标准层受建筑布局和面积限制，新风量指标也较小。随着现代化办公设备的增多，室内产热量越来越大。办公室的负荷比例中，显热负荷所占的比例最大，达到60%左右；潜热负荷其次，约占30%左右；新风负荷最小，仅占不足10%。

办公室夏季设计温度为26℃，相对湿度为60%；办公室人员密度为0.15人/m2，人员新风量指标为30m3/人；设备总功率为300W/人；照明密度为11W/m2。

采用正交实验确定各办公室负荷影响因素的程度。在正交试验中欲考察的因素称为因子；每个因子在考察范围内分成若干等级，称为水平。由于办公室负荷受到外墙类型、屋顶类型、外窗类型、遮阳类型、人员散热、设备散热、照明指标等的影响，安排正交实验如表2所示。为了挑选出次数较少而又有代表性的组合条件，各因子取等水平数2，不考虑交互作用，水平取值如表3所示。

表2 正交实验安排L8(27)

表3 正交因子值

其中，水平1代表主教学楼实际参数水平，水平2代表《公共建筑节能设计标准》GB 50189-2005中相关规定。由于室内设计温度均为26℃，且新风量指标均为30m3/人·h，因此，不考虑室内设计温度和新风量指标的影响。

对办公室负荷进行模拟，得到模拟结果如表4所示。

表4 L8(27)试验极差

续表4 L8(27)试验极差

其中，设备散热因子的极差最大，达到17310，且远远大于其它因子，为办公室空调负荷的最关键因素。屋顶极差最小，仅为1068，属于次要因素。办公室空调负荷影响因子的影响程度顺序如下：

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

即：设备散热>人员密度>照明散热>遮阳系数>外墙>外窗>屋顶。

2.2 改善措施

由于设备散热是影响办公室负荷的最关键因素，其次为人员密度和照明散热。因此，办公室空调节能策略应该从减少室内热源（包括办公设备、人员和照明散热）着手。

首先，应尽量关闭不使用的办公设备，尤其在离开办公室后应及时关闭电脑。尽量减少不必要的办公设备，这对降低室内空调负荷，减少空调能耗具有十分重要的意义。

其次，应该推广并更换节能灯具。节能灯具的初投资虽然较高，但其使用不仅可以减少照明用电量，同时又可以降低空调负荷。

最后，由于办公室仅满足室内最小新风量要求，因此在过渡季节或者办公室负荷较小时，应开启门窗，加强自然通风，充分利用天然冷源，保证室内空气质量。

3 教室负荷影响因素及改善措施

3.1 影响因素

教室是用于学生学习上课的场所，占用空间大，使用人员多，室内环境的好坏，将会直接影响到学习的质量。因此，教室的空调环境应引起足够的重视。教室人员密度较大，室内负荷主要由人员、照明和新风负荷组成，其中室内人员的散热是室内负荷的主要来源。

教室负荷在全天内的变化较为稳定，白天上课时间显热负荷占比例较大，下午17:00之后潜热负荷所占的比例增大。新风负荷所占比例远远超过办公室新风负荷比例，最大可高达35%左右。

教室夏季设计温度26℃，相对湿度60%；办公室的人员密度0.6人/m2，人员新风量指标25m3/人；照明密度11W/m2。教室的作息时间相对较为规则，并存在课间休息时间。

同理，为分析各因素对教室负荷的影响程度，采用正交实验分析法，对外墙、屋顶、外窗、遮阳、人员密度、新风指标和照明散热等7个因素进行正交极差分析，正交模拟安排方案如表5所示。

表5 正交实验安排L8(27)

各正交因子水平取值如表6所示。

表6 正交因子值

根据DeST模型，对教室负荷进行模拟，得到模拟结果如表7所示。

表7 L8(27)试验极差

其中，人员密度因子的极差最大，达到9610，且远远大于其它因子，为最关键因素；屋顶极差最小，仅为36，属于次要因素。教室空调负荷影响因子的影响程度顺序如下：

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

即：人员密度>新风指标>遮阳系数>外窗>外墙>照明散热>屋顶。

3.2 改善措施

虽然人员密度和新风量指标为教室空调负荷的主要影响因素，但教室座位数恒定，人员密度难以改变；同时人员密度高、且停留时间长的这种大空间建筑类型，室内新风量指标不但不应该降低，反而应该增大，才能保证室内空气的新鲜度和室内人员的学习工作效率。

教室人员密度大、新风量指标高，因此，可以考虑回收利用排风中的能量，以取得节能和环保效益，尤其是当新风与排风采用专门独立的管道输送时，非常利于设置集中的热回收装置。排风热回收装置的额定热回收效率不应低于60%，因此教室亦是适应于采用热回收实现节能运行的。通过DeST模型对教室空调系统采用热回收装置进行模拟，显热回收40%，潜热回收60%，夏季累计耗冷量减少16%，冬季累计耗热量减少8%。

4 结语

（1）设备散热、人员密度和照明散热为办公室空调负荷的主要影响因素，节能运行管理过程中应注意尽量关闭不使用的办公设备，推广并更换节能灯具，在过渡季节或者办公室负荷较小时，开启门窗，加强自然通风，充分利用天然冷源，保证室内空气质量。

（2）人员密度和新风指标为教室空调负荷的主要影响因素，节能运行管理过程中应注意教室特殊性，新风量指标反而应该增大，才能保证室内空气的新鲜度和室内人员的学习工作效率，可考虑回收利用排风中的能量，以取得节能和环保效益。

[1] 陈翊.节约型校园建设与评价的研究[D].上海:同济大学,2008．

[2] 建科2008[89].高等学校节约型校园建设管理与技术导则[S].中华人民共和国住房和城乡建设部,中华人民共和国教育部,2008.

[3] 王亮,卢军,罗轶麟.校园综合建筑空调系统能耗[J].暖通空调,2013,43(12):154-159.

[4] 王亮.高校主楼空调系统节能运行及合同能源管理适应性研究[D].重庆:重庆大学,2013．

[5] 李国帅,刘刚,彭先见.公共建筑能耗影响敏感性因素分析[C].第六届国际绿色建筑与建筑节能大会论文集,2010:5.

[6] 蔡裕盛.公共建筑节能设计敏感性因素分析[J].福建建设科技,2008,(2):56-58.

[7] 王乾坤,万畅.公共建筑围护结构对建筑能耗的影响分析[J].武汉理工大学学报,2011,33(2):112-115.

[8] 潘毅群,左明明,李玉明.建筑能耗模拟——绿色建筑设计与建筑节能改造的支持工具之一：基本原理与软件[J].制冷与空调,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（通讯作者）简介：徐永军（1986.04-），男，硕士，工程师，E-mail：360295741@qq.com