南京地区宾馆建筑能耗模拟及节能分析

王寒，程清

(南京工业大学能源科学与工程学院，南京 211816)

随着中国经济从高速发展进入高质量发展阶段，现有的能源产业结构遭受冲击，促使能源转向高质量发展，所以绿色转型的任务也成为了目前所面临的重大问题。在第十四个五年规划期间中国社会用电量年均增速预计可以达到 4%～5%，最大负荷增速快于用电量增速，负荷峰谷差呈增大趋势。我国电力需求总量将持续增长，预计2025年全社会用电量将从2018年的6.9万亿kW·h增长至9.5万亿kW·h左右，年均增速4%～5%[1]。

建筑能耗包括由外部输入的能耗、用于维持建筑环境(如供暖、供冷、通风和照明等)和各类建筑内活动(如办公、炊事等)的能耗，不包括建筑材料制造和建筑施工的用能[2]。中国的建筑能耗约占总能耗的20%～30%，并且还在逐年增加[3]。在电力需求增长的大背景下，建筑节能的问题迫在眉睫。

影响建筑能耗的因素有很多，其中制冷制热能耗占比最大[4]，其它的因素如围护结构[5-9]、风环境[10-11]，甚至人的行为[12]都会对建筑整体的能耗造成或多或少的影响。

本文以南京地区某宾馆建筑为模型，使用EnergyPlus能耗模拟软件进行全年能耗模拟，并基于不同变量对建筑能耗的影响做出节能分析。

1 模型概况

本研究采用美国能源部(DOE)制订的建筑能源规范计划(BECP)所提供的宾馆建筑进行模拟研究，考虑到南京的气候条件，选取了与南京气候相近美国西雅图的建筑模型(如图1所示)，并在此基础上进行能耗模拟。

图1 宾馆建筑模型

宾馆建筑总面积为3 725.38 m2，共四层，无地下室，其中一层和二至四层的房间分配不同，分别列在表1和表2中，对应的楼层剖面图分别为图2和图3。

表1 一楼剖面图中所对应的房间

表2 二至四层剖面图所对应的房间

图2 一楼剖面图

图3 二至四层剖面图

该宾馆建筑的平均窗墙比约为10.9%，长宽比为3，1层的楼层高度为3.35 m，2-4层的楼层高度为2.74 m。外墙为钢结构，由内到外分别为2.54 cm水泥、1.59 cm石膏板、墙体保温层和1.59 cm石膏板组成。

模型的空调设施情况具体为：

1)制热设施。客房：带电阻加热的PTAC(Packaged Terminal Air Conditioning)。公共空间(办公室、洗衣房、大堂、会议室)：空调机组内部的煤气炉。储物室及楼梯：电暖炉。

2)制冷设施。客房和走廊：PTAC。公共空间：DX(直膨式)冷却分体系统。储物室和楼梯：没有制冷。

2 围护结构及人员设备能耗分析

2.1 人口密度对能耗的影响

本节研究了人口密度的变化对宾馆建筑全年能耗的影响，人口密度对能耗的影响如图4所示，人口密度对制冷制热能耗的影响如图5所示。

图4 人口密度对能耗的影响

图5 人口密度对制冷制热能耗的影响

从图4中可以看出，人口越密集，单位面积能耗越大。由图5可知，若平均每个人所占有的面积越来越小，那么人体自身热量的耗散作用显得越来越重要，房间的内热源数目或者所携带能量增大，制热时所需要的能量就越来越少，反而制冷时所需要的能量越来越多。总的来说人口密度对制冷能耗的影响要更大一点。

一般酒店的单人房间面积为10～30 m2不等，双人间面积为20～50 m2不等，参考《公共建筑节能设计标准》(GB 50189-2015)中给出的建议值25 m2/人，再结合图4，可以得知20 m2/人的面积是比较合适的选值。

2.2 外墙传热系数对能耗的影响

《公共建筑节能设计标准》(GB 50189-2015)规定了夏热冬冷地区的外墙传热系数不得高于0.6 W/(m2·K)。外墙传热系数对总能耗的影响如图6所示，外墙传热系数对制冷制热能耗的影响如图7所示。

图6 外墙传热系数对总能耗的影响

图7 外墙传热系数对制冷制热能耗的影响

从图6中可以看出外墙传热系数越大，墙体的保温性能越差，能耗越高。而图7则表示外墙传热系数对能耗的影响主要体现在冬季制热能耗的大幅上升上。考虑降低传热系数带来的成本的增加，选取0.3 W/(m2·K)是比较合适且理想的。

2.3 灯具和插座负荷对能耗的影响

灯具与室内各种用电设备等在负荷中也占据相当大的比例。它们的功率大小对建筑总能耗的影响是不言而喻的，灯具和插座负荷对宾馆建筑的全年能耗影响如图8和图9所示。

图8 灯具对制冷制热能耗的影响

图9 插座负荷对制冷制热能耗的影响

从图8和图9中可以看出，随着灯具照明功率和插座负荷的提升，制冷能耗提升，制热能耗下降。原因是室内各类电器在使用时一定会带来或多或少的热耗散，灯光对制冷制热能耗上的影响尤为明显。《公共建筑节能设计标准》(GB50189-2015)给出的建议灯光与各种用电设备的功率之和为15 W/m，结合宾馆建筑实际，灯光和插座功率均选取为10 W/m。

3 空调运行策略

3.1 制订空调运行策略

空调能耗是宾馆建筑能耗的重要组成部分。空调设定温度对能耗的影响是显而易见的，本文中不再赘述。根据宾馆建筑的特点将宾馆分为公共区域和客房区域，参考24 h人员在室率分别设定两区域的空调运行策略。空调各模式的运行策略见表3。

表3 空调各模式的运行策略

3.2 空调运行策略节能分析

不同空调运行策略模拟结果降序对比如图10所示。

图10 运行策略模拟结果降序对比响

从图10中可以看出：运行策略2相比于原策略1能耗反而有所提升，这是由于夜间空调关闭后风机能耗的增加所导致的。在运行策略3中能耗均有下降，说明此类策略可以有效节能。运行策略4-A与4-B均相比原模型能耗有所增加，而在使用增大了温差的变温运行表5后，能耗才有所下降。可以得出：变温运行的温差过小，反而可能会造成能耗的增加。由于对客房的空调运行加以控制后，运行策略5-A与5-B相比4-A与4-B有所下降，而使用变温运行表5的5-C与5-D较5-A与5-B又有所下降。

表4 变温运行一

表5 变温运行二

若是采用能耗最低的模式5-D即客房空调夜间运行、公共区域白天变温运行的策略来运行空调，年平均能耗可以降低3.648 5(kW·h)/m2，按照总面积3 725.42 m2来计算，每年可以节省13 592.19 kW·h的电量，可节约电费1万元，经济效益显著。

3.3 节能分析

若是以本文提出的较为合适的人口密度、外墙传热系数、照明功率、插座负荷和客房空调夜间运行和公共区域白天变温运行的节能策略来进行能耗模拟，模拟所得结果为年平均能耗为159.189(kW·h)/m2，较原模型的188.850(kW·h)/m2减少了29.661(kW·h)/m2，按照总面积来计算，每年可以节省约110 501 kW·h的电量。

4 结语

本文对南京地区宾馆建筑模型进行了全年能耗模拟，并研究了关键因素对宾馆建筑能耗的影响。得出以下结论：

1)人口越密集，制冷能耗越高，制热能耗越低，单位面积总能耗越大。

2)外墙传热系数越高，即热阻越小，制热能耗越高，制冷能耗基本不变，单位面积总能耗越高。

3)照明功率和插座负荷越高，制冷能耗越高，制热能耗越低，单位面积总能耗越高。

4)减少空调使用时间，作温差较大变温运行均有利于整体节能。

对宾馆建筑模型进行节能优化设计后，该宾馆全年可节省11万kW·h左右的电量，折合标煤约1.35 t，节能效果显著。