基于陕西渭南某幼儿园的村镇幼儿园节能分析

李文莉 闫秋会

西安建筑科技大学建筑设备科学与工程学院

0 引言

我国村镇地区建筑分散，早些年多使用煤炭作为供暖主要燃料，加重了环境污染。且我国村镇地区整体经济水平较低，也缺乏相应节能标准加以约束，致使村镇学校建筑围护结构的热工性能普遍较差[1]，在简单的供暖设施下教室内部温度偏低[2]。

王登甲等人[3]经调研发现即使寒假停暖，农村中小学校的单位面积供暖能耗值仍然高于北方城镇供暖能耗。可见为村镇学校选择合适的节能技术以降低能源消耗非常必要。Jiang J 等人[4]探究了中小学教室内室温与学生综合能力的关系以获得有利于提高学生学习效率的室内热环境参数。国内李思芸等人[5]对重庆和武汉地区幼儿园建筑中幼儿的热舒适进行了研究。Mahmoud Hammad 等人[6]从多方面对幼儿园进行节能设计并做经济性分析。相关研究多集中室内热环境。幼儿园建筑有过渡季节的供暖需求，相比于其他类型建筑的供暖期长，但其热需求集中在工作日的8:00-18:00，周末及一年中最冷的寒假期间不需要供暖，避开最冷时间段可以有效降低建筑供暖能耗。本文以陕西省富平县某幼儿园为例，分别比较了围护结构的节能改造及供暖模式的优化对室内热环境和供暖能耗影响。

1 研究方法

1.1 方案选择

表1 所示为由不同围护结构类型以及不同供暖模式组成的四种模拟运行方案。不同围护结构的参数见表2。考虑到幼儿园有过渡季采暖要求[7]，本文将供暖时间段设为11 月至次年3 月。连续供暖模式即在此期间全天供热以满足室内设计温度，间歇供暖模式是仅在11 月至次年3 月（不包括3 周假期）间工作日的6:00-18:00 保证室内温度达到设计值，其余时间只满足室温不低于5 ℃的防冻要求即可[8]。

表1 模拟方案设置

1.2 室内空气热平衡方程

本文使用EnergyPlus 进行模拟计算，该软件采用反应系数法计算围护结构传热，采用热平衡法计算负荷。根据能量守恒，建筑室内热平衡方程[9]如下：

式中：V为房间容积，m3；(cρ)r为室内空气单位热容，J/(m3·℃)；tr(n)、tr(n-1)为第n、n-1 时刻室内空气温度，℃；Δτ为时间间隔，s；N为围护结构内表面总数；Fi为第i个围护结构的面积为第i个围护结构内表面的对流换热系数，W/m2·℃；ti(n)为第i个围护结构内表面温度，℃；qw(n)为第n时刻由冷风进入产生的耗热量，W；Φ(n)为建筑内供暖空调系统送入空气需要携带的热量，W。

1.3 操作温度

当室内相对湿度在人体热舒适范围且气流速度较低时，宜选取操作温度作为热舒适指标。操作温度可综合反映室内空气温度及内壁面温度对人体的综合影响[10]，计算公式如下：

式中：top为操作温度，℃；ta为室内空气温度，℃；tr为平均辐射温度，℃。

1.4 间歇供暖热负荷系数

为了观察间歇供暖热负荷变化趋势，同时比较采用间歇供暖模式对建筑热负荷的影响，引入间歇供暖热负荷系数，定义如下：

式中：Q(n) 为间歇供暖模式下建筑逐时热负荷，W；Q为连续供暖模式下建筑逐时热负荷，W。

2 案例研究

2.1 建筑描述

本文所选取陕西省富平县某幼儿园的建筑平面图如图1 所示。该幼儿园的主要建设特点为：1）主体包括两个L 型建筑，以两条连廊相通。2）建筑主体三层，局部两层，顶层层高为4.2 m，其余为3.9 m。总建筑面积为9847 m2，采暖面积8080 m2。3）幼儿活动室和卧室分布在南侧及西侧，均设大面积窗户且周围无高层建筑物遮挡，采光较好。

图1 建筑首层平面图

相关规范中表明建筑设太阳能供热采暖系统时热工性能不低于有关建筑节能设计标准的规定[11]。本文所选幼儿园外墙与屋面均做了保温，外窗为双层玻璃窗，满足寒冷地区公共建筑围护结构热工性能参数限值，属于节能型建筑。为比较围护结构的热工性能对能耗的影响，选择当地普遍采用的未进行保温的围护结构构造形式作为普通型建筑与节能型建筑做对比，两种建筑具体构造见表2。

表2 不同围护结构构造与参数

2.2 供暖设计温度

根据《托儿所、幼儿园建筑设计规范》，幼儿园建筑内主要功能房间的冬季室内供暖设计温度值应取20 ℃[7]。但幼儿活泼爱动，过高的室温更容易使幼儿大量出汗，反而加大了感冒概率。综合考虑，幼儿园内冬季室内温度可适当降低，将活动室、寝室、教师办公室、接待室、保健观察室、晨检室等主要房间的供暖设计温度设为18 ℃，盥洗室和厕所设为20 ℃，厨房、门厅和走廊设为16 ℃。

2.3 模型验证

将本文建筑模型的模拟数据与实测数据[12]对比以进行模型验证。文献[12]中对关中地区某小学室内外温度进行了一天实测，该校的围护结构与本文所选普通建筑的围护结构相同。从模拟气象参数中选取室外温度与文献[12]实测室外温度变化相似的一天如图2所示中两者仅差0.16 ℃，只是极值出现有滞后。模拟得到的室内温度变化相比实测也有滞后，但基本趋势与波动范围较为接近，实测室温的极值分别为0.67 ℃和8.91 ℃，模拟室温的极值分别为1.15 ℃和8.75 ℃，模拟与实测最低与最高相差0.73 ℃和0.16 ℃，仅占实测温度波动幅值的6.3%和2.1%，因此可认为本模型能反应实际建筑热传递过程。

图2 模拟数据与实测数据的对比

3 结果与分析

由于整个供暖季室外温度变化较大，为更清楚地表现围护结构及供暖模式对供暖能耗的影响，将选取周平均室外温度与正常供暖期最冷月月平均室外温度相接近的一周作为典型周，只对本周内各项参数变化进行分析。并选择西南角活动室作为研究对象分析典型周内不同参数的变化。

3.1 围护结构改造的影响

3.1.1 围护结构改造对操作温度的影响

图3 显示了普通建筑与节能建筑在不同供暖模式下室内操作温度的变化。可以看出两种类型围护结构构造下操作温度有明显差距，节能建筑的操作温度相比于普通建筑约高1 ℃。因为室内空气温度均保持在设计温度值，操作温度的差距取决于室内平均辐射温度的差异，即普通型建筑围护结构的壁面温度更容易随室外温度的变化而变化。

图3 不同方案室内操作温度

3.1.2 围护结构改造对供暖能耗的影响

性能越差的围护结构抵抗室外低温的能力越弱，为保证室内达到设计温度值需要消耗的能量也就更多。图4 显示了在两种类型围护结构建筑在间歇供暖模式下的逐时供暖能耗值。从图中可以看出保温性能较好的节能建筑的单位面积供暖能耗值要低于普通建筑，例如周三两种建筑类型的供暖能耗峰值可相差约100 MJ/m2，相比于普通建筑供暖能耗峰值降低了13%，即围护结构热工性能的优化可以有效降低建筑的供暖能耗值。

图4 节能建筑与普通建筑单位面积供暖能耗

3.2 供暖模式对供暖能耗的影响

图5 为节能型建筑采用连续与间歇两种供暖模式逐时供暖能耗的对比。从图中可以看出间歇供暖模式下的能耗值波动较大，因为只要夜间室温不低于5 ℃就不需要提供热量，早晨开使供暖后，逐时能耗会从0迅速升高，但受到围护结构及室内物体蓄热的影响会产生一个较小的波动。而连续供暖模式下的能耗值相对稳定，与室外气温的变化趋势相反。对比两种供暖模式发现，在间歇供暖模式的运行时间段内其逐时能耗值高于连续供暖，但是就整一周的总能耗值而言，间歇供暖模式的能耗值要少于连续供暖，且供暖周期数越长，间歇供暖模式节省能量越多。

图5 连续供暖与间歇供暖单位面积供暖能耗

图6 所示为间歇供暖热负荷系数的变化，从图中可以看出热负荷系数在6 点开启供暖设备时为最大，逐渐在13 点左右降到最低后缓慢回升。这是因为采用间歇供暖模式时前一天夜间室内温度的降到了最低值，围护结构的蓄热量向室内空气散热，再次开始供暖时需要消耗更多的热量。此外，节能型建筑相比于普通建筑在供暖的起始与停止时间段的热负荷系数值略微高出，这是因为节能性建筑的围护结构热惯性较大，对外界温度的变化需要更多的响应时间，也即室外温度越低，节能建筑的效果越好。

图6 普通建筑与节能建筑间歇供暖热负荷系数

经模拟得四种方案的建筑年供暖能耗值及节能率见表3，节能率是指后三种方案相比于方案一的节能率。从表中可以看出对于该幼儿园建筑进行围护结构的节能改造并应用间歇供暖模式后，建筑的年供暖能耗可由19.98 kgce/m2依次降低至16.42 kgce/m2和10.11 kgce/m2。

表3 供暖季建筑总供暖能耗值

4 结论

通过模拟分析了村镇幼儿园建筑典型房间在不同围护结构构造及不同供暖方式下室内热环境及供暖能耗变化，主要得到以下结论：

村镇地区小型公共建筑在现有围护结构下建筑供暖能耗较大，当建筑围护结构的参数符合节能设计标准后可以将单位面积供暖煤耗降低至11.7 kgce/m2，节能41.4%。间歇供暖模式的应用为间歇性用能特征明显的幼儿园建筑提供有效节能途径，对于符合节能设计标准的幼儿园建筑，使用只在正常使用期间供暖的间歇供暖模式比连续供暖可以节能13.6%，对现有围护结构幼儿园建筑，可节能17.8%。