張宇涵 顧平道

東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

根據(jù)住房和建設(shè)相關(guān)部門的預(yù)算，到21世紀(jì)30年代，我們國家的建筑能源消耗量將會占到能源消耗總量的35%左右[1]。醫(yī)院建筑是我國公共建筑的重要組成部分，醫(yī)院設(shè)施的能源消耗一般是其他建筑設(shè)施的3～4倍，而醫(yī)院建筑能源消耗約占醫(yī)院能源消耗總量的27%[2]。因此，對建筑材料和外圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化和改造對于建筑節(jié)能是非常有必要的，對我國的能源節(jié)約也是非常有意義的。本文通過對工程案例的分析，結(jié)合實際參數(shù)，利用eQUEST能耗模擬軟件，對既有建筑進(jìn)行建模，模擬計算了該建筑的全年空調(diào)能耗，并做出經(jīng)濟性分析，得出每項改造的最優(yōu)方案，與原始方案進(jìn)行對比。

1 研究內(nèi)容

1.1 系統(tǒng)概述

本文以上海某醫(yī)院門診樓改造項目工程為對象，根據(jù)建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)特點，分析其節(jié)能改造的方向，并設(shè)計了幾種可行的節(jié)能方案。以原始建筑為基礎(chǔ)，以外墻、屋面、外窗為變量，分別模擬計算了該建筑的全年建筑能耗，并做出經(jīng)濟性分析，計算回收期，得出每項改造的最優(yōu)方案。最終確定最優(yōu)方案，分析空調(diào)總能耗節(jié)能率，為夏熱冬冷地區(qū)針對圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能改造提供理論參考。

1.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)概況

該工程的圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造規(guī)劃包括：屋面改造、外墻改造和外窗的改造。改造前的圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要構(gòu)造特性參數(shù)見表1。

表1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)部分結(jié)構(gòu)參數(shù)表

本課題設(shè)定制冷時間為每年5月1日～9月30日。制熱時間設(shè)定為12月1日～2月28日。其中，大廳、急診室、輸液室、值班室等急診區(qū)域及其配套設(shè)施區(qū)域考慮全天開啟。人員密度客觀數(shù)據(jù)以實際調(diào)研作為參考，室內(nèi)空調(diào)溫度分別為：夏季26℃，冬季19℃。

2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)模型建立

2.1 氣象參數(shù)設(shè)置

在eQUEST的項目信息設(shè)置中，在可供選擇的項目位置中并沒有中國，所以無法選擇中國的氣象參數(shù)。天氣文件格式為BIN文件，可通過綠建研究院獲得該文件，也可通過軟件轉(zhuǎn)換 EnergyPlus 軟件天氣參數(shù)獲得。本項目所在地為上海。

2.2 模型簡化

在建模前，應(yīng)充分考慮建模過程需要考慮的因素，并忽略掉與研究問題無關(guān)的一切因素，對模型進(jìn)行簡化，這樣不僅節(jié)省了建模的時間，還能更加清晰的得出所需的結(jié)果。

本模型的簡化方式有：1）室內(nèi)設(shè)計參數(shù)相同的房間，如辦公室、診療室等設(shè)為同區(qū)。2）走廊等公共區(qū)域設(shè)為同區(qū)。3）不需要空調(diào)的區(qū)域設(shè)為同區(qū)。

2.3 模型建立

具體的項目信息等參數(shù)設(shè)置完成后，把描好的CAD 封閉底圖導(dǎo)入 eQUEST，然后設(shè)置建筑層高、朝向等一系列參數(shù)。之后再進(jìn)行功能區(qū)的劃分，并設(shè)置空調(diào)區(qū)域、非空調(diào)區(qū)域，是否有中庭等。依據(jù)建筑的CAD圖紙建立建筑的幾何模型。

3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造方案與模擬分析

3.1 原始模擬的能耗

eQUEST可模擬得到建筑全年8760 h的能耗。但醫(yī)院建筑各功能房間使用空調(diào)的時間會有所不同，特別是醫(yī)院急診會全天運行，因此，依據(jù)空調(diào)的運行實際情況來處理模擬數(shù)據(jù)，得到原始建筑的全年空調(diào)能耗數(shù)據(jù)，見表2。

表2 原始模型全年空調(diào)能耗

3.2 外墻節(jié)能改造分析

本節(jié)研究建筑外墻結(jié)構(gòu)中不同厚度的保溫層對醫(yī)院建筑的能耗影響，保溫材料選取模塑聚苯板（EPS板）。改造方案的墻體構(gòu)造主要有基層墻體 +砂漿找平層+保溫層+保護(hù)層+飾面層，主要構(gòu)造及參數(shù)見表3。

表3 墻體主要構(gòu)造方案

以原始建筑為對照，利用eQUEST軟件分別模擬得到各改造方案的能耗數(shù)據(jù)，見表4。

表4 外墻改造方案全年能耗

分析得到，原方案與改造方案相比，MS1、MS2、MS3這三種設(shè)計方案的全年累計空調(diào)能耗分別減少了3.44%、3.81%、4.39%，全年空調(diào)制熱能耗分別減少了8.21%、9.11%、10.48%，但全年空調(diào)制冷能耗反而增加了0.80%、0.89%、1.02%。上海屬于夏熱冬冷地區(qū)，在過度季節(jié)和夏季，會出現(xiàn)室外溫度低于室內(nèi)溫度的現(xiàn)象。因此，要通過增加保溫層去減少室內(nèi)的冷負(fù)荷的方法并不會有很大的效果，反之，有時還會出現(xiàn)反面的效果，會造成冷負(fù)荷增加的現(xiàn)象發(fā)生。增加保溫的方案，使制熱能耗降低量遠(yuǎn)比制冷能耗增加的量多，并且增加保溫層也能有效地降低建筑的峰值冷負(fù)荷，從而減小設(shè)備的設(shè)計容量，故該方案對降低全年的空調(diào)負(fù)荷仍有良好的效果[3]。

3.3 屋面節(jié)能改造分析

由于本醫(yī)院建筑為三層建筑，頂層房間的能耗占總建筑的比例較大，因此，建筑頂層的保溫性能直接影響著整個建筑的能耗。原方案屋面主體為鋼筋混凝土+水泥砂漿，改造方案的墻體構(gòu)造主要有結(jié)構(gòu)層+找平層+防水層+保溫層+找平層+保護(hù)層+飾面層，屋面改造主要構(gòu)造及參數(shù)見表5。

表5 屋面主要構(gòu)造方案

以原始建筑為對照，利用 eQUEST 軟件分別模擬得到各改造方案的能耗數(shù)據(jù)，見表6。

表6 屋面改造方案全年能耗

方案R1、R2、R3的全年制冷能耗分別減少了19.70%、20.30%、20.82%，全年制熱能耗分別減少了14.70%、15.14%、15.52%，全年空調(diào)能耗分別減少了17.35%、17.88%、18.33%。由節(jié)能效果可知，屋面保溫對該建筑制冷能耗影響大于對制熱能耗的影響，且全年空調(diào)能耗降低明顯。由于該建筑僅為三層，屋面的保溫改造對整個建筑的能耗影響較大[4]。

3.4 外窗節(jié)能改造分析

相對于圍護(hù)結(jié)構(gòu)其他部分，建筑外窗的傳熱系數(shù)大，氣密性差，透光性等特點，造成了通過門窗損耗的熱量最大，因此其節(jié)能潛力最大。原外窗玻璃為6 mm厚普通透明玻璃，本文選擇熱反射膜和 LOW-E雙層玻璃做出對比分析，表7列出了幾種常用中空玻璃改造方案。

表7 窗戶改造方案

以原始建筑為對照，利用 eQUEST軟件分別模擬得到各改造方案的能耗數(shù)據(jù)，見表8。

表8 窗戶改造方案全年能耗

方案WR1、WR2、WR3全年制冷能耗分別減少了0.06%、1.68%、1.74%，全年制熱能耗分別減少了0.3%、8.01%、8.29%，全年累計空調(diào)能耗分別減少了0.17%、4.66%、4.82%。由不同窗戶玻璃的材質(zhì)造成的全年能耗數(shù)據(jù)表8分析，外窗的傳熱系數(shù)依然是影響建筑全年能耗的主要因素。同時，對全年空調(diào)能耗的是有一定的節(jié)能作用的。由WR2和WR3方案分析，兩種方案的節(jié)能率相差較小，本文推薦使用WR2方案。

4 經(jīng)濟性分析

4.1 外墻改造經(jīng)濟性分析

由模擬數(shù)據(jù)分析，不同的保溫層厚度都有節(jié)能效果，在此對其做經(jīng)濟性分析，選用更經(jīng)濟的保溫層厚度，對于夏熱冬冷地區(qū)的醫(yī)院建筑更具有經(jīng)濟性。本文不考慮資金隨時間波動的值，通過計算靜態(tài)投資回收期對各節(jié)能方案進(jìn)行評價。靜態(tài)投資回收期是指以投資項目經(jīng)營凈現(xiàn)金流量抵償原始總投資所需要的全部時間[5]。靜態(tài)投資回收期可根據(jù)式（1）計算。

式中：K為投資總額；Bt為第t年的收入；Ct為第t年的支出（不包括投資）；NBt為第t年的凈收入，NBt=Bt-Ct；Tφ為投資回收期。

各外墻改造方案的消耗保溫材料數(shù)量，全年能耗費用及投資回收期計算結(jié)果見表9。咨詢價格，E PS板240元/m3，其他輔材及施工費用為72元/m2。外墻面積共計為1582m2。原使用空調(diào)系統(tǒng)為分體式空調(diào)，在此選擇一級能耗的最低限制COP=3.3作為計算數(shù)據(jù)。但在冬季制熱時，由于室外環(huán)境溫度的降低，制熱效果會有所衰減，在室外溫度降到2℃時，家用空調(diào)器的制熱量會衰減28%左右[6]，在此，綜合上海天氣條件，取制熱能效比均值為2.84作為計算依據(jù)。電費按1元/kWh計算。

表9 外墻保溫方案回收期

由表9計算結(jié)果分析可得，相對而言，MS3方案的回收期相對較短，而且MS3方案的保溫效果最好，而且方案MS3的節(jié)能率可達(dá)到4.39%，更符合節(jié)能建筑的要求。因此，外墻保溫方案推薦使用60mm厚保溫層。

4.2 屋面改造經(jīng)濟性分析

各屋面改造方案的消耗保溫材料數(shù)量，全年能耗費用及投資回收期計算結(jié)果見表10。咨詢價格，EPS板240元/m3，其他輔材及施工費用為72元/m2。屋面面積共計為920m2。原分體式空調(diào)的COP取3.3，電費按1元/kWh。

表10 屋面保溫方案回收期

由表10計算結(jié)果分析可得，相對外墻的改造，屋面改造的回收期要短得多。由于屋面的改造對頂層建筑的空調(diào)負(fù)荷影響最大，而對于層數(shù)較少的建筑，頂層建筑的能耗占有全建筑能耗的比例更大，因此，屋面的改造對低層建筑的能耗有重要的影響。對屋面三種不同厚度的保溫層的改造方案，回收期相差不大，反而保溫層厚度較小的R1方案的回收期更短。同時，保溫需滿足《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》的要求，外墻保溫方案推薦使用60mm厚保溫層。

5 圍護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案與結(jié)論分析

通過對圍護(hù)結(jié)構(gòu)的改造方案進(jìn)行模擬分析，并計算回收期限，綜合分析后，最終改造方案確定為方案MS3+R2+WR2，利用eQUEST模擬并得到改造方案的能耗結(jié)果，如表11。

表11 優(yōu)選方案全年能耗

圖1 優(yōu)選方案節(jié)能率

由表11可知，優(yōu)選方案的全年空調(diào)能耗相比原始方案節(jié)能26.6%，全年空調(diào)制冷能耗節(jié)省19.1%，全年空調(diào)制熱能耗節(jié)省33.6%。由此可見，圍護(hù)結(jié)構(gòu)加強保溫效果對冬季制熱的節(jié)能效果更顯著。圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能改造是十分有必要的，節(jié)能效果比較顯著，在建筑節(jié)能改造中的節(jié)能潛力較大。

6 結(jié)語

建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)和暖通空調(diào)系統(tǒng)是建筑節(jié)能的關(guān)鍵，二者之間又是相互影響，相輔相成的。圍護(hù)結(jié)構(gòu)所消耗的空調(diào)能耗是空調(diào)總能耗的重要部分，一般占空調(diào)總能耗的10%～32%。暖通空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能主要靠降低建筑冷、熱負(fù)荷而使室內(nèi)達(dá)到適宜的溫濕度，而降低冷、熱負(fù)荷應(yīng)從建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)入手。本文從建筑外墻因素，屋面因素，門窗因素三方面模擬案例工程的全年建筑能耗，來分析圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造在建筑節(jié)能上的效果。