北京师范大学教四楼建筑能耗模拟和节能潜力分析北京建筑工程学院 朱丹 李德英摘 要 依托于北京 师范大学节约型校园发展规划，以北师大教学四号楼为例，用 DeST 软件模拟计算出了该建筑的建筑能耗，并分析了 对其进行改造的节能潜力。关键词 校园建筑 节能改造 能耗模拟0 引言为了进一步落实国家节约能源的政策，推动既有建筑的改造，2008 年建设部颁发了高等学校节约型校园管理与技术导则（建科200889 号） ，并将北京师范大学作为重点示范项目，力求带动全国高校广泛开展节约型校园的建设。整个项目的资金来源于国家教育部、建设部、国资委以及北师大校方，同时委托中国建筑设计研究院节能工程中心于 2008 年 5 月至 2008 年 12 月完成北师大节约型校园建设的总体规划工作，包括对水、电、气、暖各方面的能耗统计与诊断，提出正确合理的节能改造技术路线，以及经济效益分析。笔者有幸参与了其中既有建筑围护结构改造部分的工作，本工作小组共 5 人（建筑学专业 1 人，暖通专业 3 人，经济学专业 1 人） 。笔者和其他小组成员对校园既有 256 座建筑进行了能耗的统计，建筑本体信息的调研，体型系数与窗墙面积比的计算，能耗的模拟，数值分析和经济效益评价。由于教四楼属于北师大教学楼中选取的典型建筑，下面就教四楼的能耗模拟过程进行简要阐述。1 模拟建筑概况北京师范大学既有建筑 256 座，总建筑面积 708598.73m2。按使用功能划分为教工住宅、教学楼、学生宿舍、办公楼等 13 种建筑类型。教四楼属于教学楼，其建筑情况见图 12。图 1 北师大教四楼建筑外观图 2 教四楼建筑平面图围护结构构造信息和热工参数见表 1。表 1 教四楼围护结构主体部分构造做法及传热系数一览表名称 主体构造做法 传热系数 K（ ）2/Wmk10 厚沥青柔性油毡防水卷材；20 厚 1:2.5 水泥砂浆找平层；250 厚加气混凝土保温层；隔气层；20 厚水泥砂浆找平层；屋顶120 厚预制钢筋混凝土空心楼板0.86 厚 1:2.5 水泥砂浆罩面；14 厚水泥砂浆打底扫毛；370 厚实心粘土砖；外墙20 厚石灰砂浆扫底1.720 厚水泥砂浆抹灰；370 厚实心粘土砖；楼梯间隔墙20 厚水泥砂浆抹灰窗户 单层玻璃铝合金窗 6.420 厚水泥砂浆抹面； 周边 0.52地面100 厚钢筋混凝土 非周边 0.3教四楼的用电情况见图 3，由于 2 月份与 8 月份在校人数少，用电量接近于 0，而 9 月份是教四楼的用电高蜂期，主要用于教室内的风扇与办公室的空调。用水情况见图 4，除去 2 月和 8 月假期外，从 3 月到 7 月用水量持平在 50t 左右，而 9-12 月的用水量明显较大，上升到了 400t 以上，进一步调研后发现主要有两方面的原因：一是学校对教学楼的用水计量工作不到位，只求全年用水总量平衡，不求逐月计量精确；二是 2007 年 8 月后学校重新栽种植被，大部分水都用于教四楼周围的浇灌，浪费现象较为严重。再看教学楼的燃气用量，燃气主要用于采暖锅炉，北师大的燃气计量是按井分类的，全校教学与学生生活区共有 10 个井（教工住宅区单独计量） ，教四楼的暖气来源于 7#井，对教四楼燃气用量没有单独计量，图 5 是笔者根据供暖面积分摊后得出的粗略结果。进行能耗现状调研有两个目的：第一是了解这个建筑用能高峰与低谷在什么时间什么时刻，这样在 DeST 软件中可以较好的设置人员作息时间。第二是可以作为衡量模拟准确度的标准，模拟结果越接近计量值就说明模拟结果越精确。图 3 2007 年教四楼逐月用电量统计图 4 2007 年教四楼逐月用水量统计图 5 2007 年教四楼逐月燃气用量统计2 能耗模拟过程利用计算机进行建筑物能耗模拟，首先要建立“数学模型” ，这个模型一方面要真实的反映出建筑的尺寸布局和构造形式，另一方面要对实际建筑进行抽象和简化，因为过于复杂的建筑平面形式会大大增加计算量。把教四楼的平、立、剖面信息输入 DeST-h 软件，如图 6。利用 DeST-c 软件进行建筑能耗模拟计算时，除了需要对建筑的实体进行描述，还需要处理以下几个问题。（1）外扰的设定外扰的具体数据是 DeST-c 在计算时调用 Medpha 产生的气象数据。Medpha 是清华大学热能系开发的逐时气象数据生成软件。目前 Medpha 可以生成各种形式的， 193 个中国城市的逐时气象参数，包括全年 8760 个小时的逐时干球温度、湿球温度、含湿量、水平面总辐射强度和水平面散射辐射强度等气象参数。这里调用北京市气象参数。（2）内扰的设定内扰包括人员热扰、设备热扰和照明热扰三大部分。对这三大部分的热扰的设定基于对采暖期间用户作息时间及设备、照明的使用情况进行调研的基础上，笔者采用采用抽样调查的方式搜集基础数据。经过调研后归纳总结，表 2 为校园不同类型建筑的内扰情况。（3）通风次数的设定 这里的通风仅包括水平方向上的房间与房间之间的通风、外界至房间的通风以及楼梯上下楼层之间的垂直通风。不设置房间至外界的排风，这是因为排风对计算没有影响。按照建筑设计规范，教室的通风次数为 3 次/h，图书馆为 1-2 次/h，办公建筑为 2 次/h，一般住宅类建筑为 0.5 次/h 。图 6 北师大教四楼 DsST-c 建模表 2 校园不同类型建筑的内扰情况建筑类型 作息时间 人员密度 主要用电设备 室内采暖温度教学楼 6:00-23:00 1.37 m2/人 照明、电化设备 18办公室 8:00-18:00 6 m2/人 照明、空调、电脑、打印机、微波 炉 20学生宿舍 0:00-23:00 4 m2/人 照明、电脑、热水器、洗衣机 16教工住宅 0:00-23:00 30 m2/人 家电 16图书馆 8:00-22:00 2 m2/人 照明、电化设备、电脑、电梯、空 调 20备注：北师大采暖期为 11 月 1 日3 月 31 日，共 151 天3 能耗模拟结果分析计算结果主要分为两部分：建筑室温计算和能耗负荷计算。详细的数据报表见表 3。由于教四楼大部分教室没有安装空调系统，所以本文由 Load_report 选项中直接得出采暖季热负荷指标，来反映建筑物能耗情况。得出教四楼节能改造前的能耗情况，见表 4。表 3 DeST-c 模拟计算数据报表选项 内容Building_Load 建筑逐时冷热负荷，建筑逐时单位面积冷热负荷Economics_H 系统的能耗及经济性分析Enclousure_report 建筑构件信息及费用（用户可自行更改单价）Load_report 建筑、系统及房间统计负荷统计数据（非逐时）Room_Load_H 房间逐时冷热负荷RoombarsT 房间逐时基础室温及度小时数RoomT 房间逐时空调室温数据System_load_H 系统逐时负荷Weather 逐时气象数据表 4 教四楼改造前模拟结果季节设定 月份 日期采暖季开始日期 11 1采暖季结束日期 3 31空调季开始日期 6 1空调季结束日期 8 30统计项目 单位 统计值建筑空调面积 m2 4696.34建筑负荷统计全年最大热负荷 KW 222.84全年最大冷负荷 KW 426.83全年累计热负荷 KWh 382728.36全年累计冷负荷 KWh 40335.83建筑负荷面积指标全年最大热负荷指标 W/m2 47.45全年最大冷负荷指标 W/m2 90.89全年累计热负荷指标 KWh/m2 81.49全年累计冷负荷指标 KWh/m2 8.59建筑分季节负荷指标采暖季热负荷指标 W/m2 21.31空调季冷负荷指标 W/m2 3.79将教四楼围护结构各部分按照公共建筑节能设计标准DBJ 01-621-2005 要求的围护结构传热系数限值进行改造，采暖系统改造后室外管网输送效率可达到 0.9，锅炉运行效率达到 0.68。教四楼改造后的能耗结果见表 5，改造后采暖季热负荷指标为 16.03 W/m2，将改造前后建筑全年逐时热负荷作比较，如图 7，得出教四楼的节能潜力为 25%。表 5 教四楼改造后模拟结果季节设定 月份 日期采暖季开始日期 11 1采暖季结束日期 3 31空调季开始日期 6 1空调季结束日期 8 30统计项目 单位 统计值建筑空调面积 m2 4696.34建筑负荷统计全年最大热负荷 KW 183.11全年最大冷负荷 KW 393.20全年累计热负荷 KWh 285119.78全年累计冷负荷 KWh 46601.09建筑负荷面积指标全年最大热负荷指标 W/m2 38.99全年最大冷负荷指标 W/m2 83.73全年累计热负荷指标 KWh/m2 60.71全年累计冷负荷指标 KWh/m2 9.92建筑分季节负荷指标采暖季热负荷指标 W/m2 16.03空调季冷负荷指标 W/m2 4.23图 7 教四楼改造前后全年逐时热负荷比较4 典型建筑节能率分析公共建筑节能设计标准 （DBJ 01-621-2005）指出，学校教学楼属于乙类公共建筑，由于乙类建筑体型系数对能耗的影响较大，对于该类公建需要控制体型系数和围护结构传热系数的限值，可以免去权衡判断，简化计算。本文研究建筑节能潜力时，将建筑改造前作为参照，按照围护结构传热系数的限值进行改造，得出节能潜力，见表 6。表 6 教学类典型建筑采暖季热负荷指标体型系数外墙传热系数屋顶传热系数外窗传热系数 窗墙面积比采暖季热负荷指标节能率 单位（W/m 2k）（W/m 2k）（W/m 2k） 东 西 南 北 （W/m2）参照建筑0.3 0.6 0.55 3.5 教四楼0.21 1.7 0.82 6.4 0.06 0.06 0.33 0.22 21.31 25%5 小结对北京师范大学既有建筑的围护结构构造情况，建筑平、立、剖面，建筑用能状况进行了调研，在计算机模拟过程中一方面要如实反映建筑情况，另一方面为了节省工作量，提高效率，必须有的放矢地简化建筑，抓住影响建筑能耗的最重要信息。在对教学类典型建筑的建筑基本信息和使用状况详细走访调研后，用 DeST 软件对典型建筑进行逐一模拟，得出其单位面积的能耗和节能率。参考文献1 北京市地方标准公共建筑节能设计标准 （DBJ 01-621-2005）2 建设部建筑节能中心. 北京市既有建筑节能改造技术研究 . 建筑节能. 2005, (3): 31353 李德英. 建筑节能技术M . 北京: 机械工业出版社, 20064 张建, 刘金祥 , 刘鹏, 陈晓春 , 丁瑜, 丁高. 既有群体建筑围护结构节能诊断工程案例. 暖通空调. 2009, 39(5):23265 燕达, 谢晓娜, 宋芳婷, 江亿. 建筑环境设计模拟分析软件 DeST. 暖通空调. 2004, 34(7):48566 白胜芳. 既有建筑围护结构节能改造的技术与材料分析. 建筑节能. 467 薛志峰. 既有建筑节能诊断与改造. 中国建筑工业出版社 . 2007.98 简毅文, 江亿. 窗墙比对住宅供暖空调能耗总能耗的影响 , 暖通空调, 2006, 36(6): 15