呂 潔，王 龍，孫成才

(沈陽工業(yè)大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，沈陽 110870)

我國公共建筑在經(jīng)濟(jì)形勢的推動下發(fā)展迅猛，根據(jù)國內(nèi)學(xué)者研究可知，建筑能耗占全國總能耗比例逐年上升，目前前者約占后者的30%左右[1].在所有的建筑類型中，由于醫(yī)院建筑人員多、醫(yī)療設(shè)備多、用能時間長等原因，醫(yī)院建筑相比辦公、商場、賓館和酒店等建筑的能源消耗強(qiáng)度要高很多[2].同時，醫(yī)院建筑的高能耗也預(yù)示著醫(yī)院建筑存在著巨大的節(jié)能潛力.醫(yī)院建筑節(jié)能的關(guān)鍵點(diǎn)是要找到醫(yī)院建筑的能耗分布特征，針對節(jié)能空間大、節(jié)能效果顯著部分進(jìn)行節(jié)能研究.在整個醫(yī)療建筑能耗中，空調(diào)系統(tǒng)的能耗約占建筑總能耗的40%，占建筑總能耗的比重較高[3].因此，如何有效地解決醫(yī)院建筑空調(diào)系統(tǒng)能耗居高不下且逐漸增多問題已經(jīng)成為建筑與能源應(yīng)用領(lǐng)域的重要課題.

醫(yī)院建筑作為一個復(fù)雜的建筑群，負(fù)荷影響因素較多且相互耦合，導(dǎo)致不同節(jié)能方案的效果存在較大差異，因此，找出關(guān)鍵影響因素并根據(jù)其制定對應(yīng)的節(jié)能措施顯得尤為重要.目前，國內(nèi)外學(xué)者就建筑能耗的影響因素等課題均做出了相關(guān)研究.任剛等[4]通過EnergyPlus軟件來模擬建筑不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)對能耗的影響，發(fā)現(xiàn)太陽能圍護(hù)結(jié)構(gòu)相較于普通墻體的制冷能耗降低了48%；胡達(dá)明等[5]通過DOE-2軟件研究不同建筑朝向?qū)照{(diào)能耗的影響，結(jié)果表明，南北朝向相較于東西朝向可降低15%能耗；Ascione等[6]利用EnergyPlus和MATLAB，針對某參考醫(yī)院建筑提出了最優(yōu)節(jié)能改造方案，經(jīng)比較發(fā)現(xiàn)該方案比改造前節(jié)能12.2%；Kim等[7]提出一種能滿足室內(nèi)熱舒適性且有助于系統(tǒng)節(jié)能的控制算法，并通過TRNSYS仿真程序比較了傳統(tǒng)控制算法與提出的控制算法的精確度.

綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者針對影響因素的研究大多數(shù)是以動態(tài)能耗軟件為主要工具.基于這一現(xiàn)狀，本文通過DeST軟件以沈陽地區(qū)某醫(yī)院建筑建立基準(zhǔn)模型，通過正交模擬試驗(yàn)，來研究不同影響因素對空調(diào)負(fù)荷的影響權(quán)重，尋找關(guān)鍵因素，進(jìn)而提出相應(yīng)合理的節(jié)能措施.

1 基準(zhǔn)模型建立

1.1 模型概況

本文模型以沈陽某綜合醫(yī)院門診樓為研究對象，樓內(nèi)主要功能房間有：診室、實(shí)驗(yàn)室、化驗(yàn)室以及圖書館等.建筑面積為5 302.97 m2，共六層，坐北朝南.一層層高為4 m，其余各層層高為3.5 m，采用框架結(jié)構(gòu).該門診樓在DeST軟件中建模如圖1所示.

圖1 醫(yī)院門診樓建筑模型Fig.1 Model for clinic building of hospital

1.2 室外氣象參數(shù)

DeST軟件建立了全國大部分地區(qū)的典型年的逐時氣象數(shù)據(jù)集，使用該軟件模擬時，直接調(diào)用氣象參數(shù)即可，提高了模擬的效率.沈陽地區(qū)全年干球溫度統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖2所示.

圖2 沈陽地區(qū)全年逐時干球溫度Fig.2 Hourly dry-bulb temperature in Shenyang area

1.3 參數(shù)設(shè)置

圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)根據(jù)實(shí)際工程所測的數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置，參數(shù)如表1所示.

表1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Parameters for maintenance structures

室內(nèi)熱擾參數(shù)設(shè)定如表2所示，醫(yī)療設(shè)備參數(shù)如表3所示，熱擾控制時間如圖3所示.

圖3 熱擾控制時間Fig.3 Control time of thermal disturbance

表2 室內(nèi)熱擾參數(shù)Tab.2 Parameters for indoor thermal disturbance

設(shè)定室內(nèi)夏季空調(diào)溫度為24～26 ℃，濕度為55%～65%；冬季室內(nèi)供暖溫度為18～22 ℃，濕度為45%～55%.

自然通風(fēng)設(shè)定如下：10月15日～4月1日，不開窗，全天保持0.5次/時的換氣次數(shù)；6月1日～8月31日，19∶00至次日7∶00，窗戶全開，其余時間不開窗，保持0.5次/時的換氣次數(shù).其中，檢驗(yàn)室、手術(shù)室、藥房等功能房間因其對潔凈度的高要求不采用自然通風(fēng)，夜間正常運(yùn)行的急診及病房區(qū)域因空調(diào)運(yùn)行也不能進(jìn)行自然通風(fēng).

1.4 模擬結(jié)果

綜合全年逐時冷、熱負(fù)荷計(jì)算結(jié)果如圖4所示.其中，全年最大冷負(fù)荷值出現(xiàn)在8月3日，為697.14 kW；全年最大熱負(fù)荷值出現(xiàn)在1月14日，為731.43 kW.

圖4 門診樓全年逐時負(fù)荷Fig.4 Hourly load of clinic building per year

2 負(fù)荷影響因素及模擬分析

2.1 負(fù)荷影響因素

空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷包括：圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱負(fù)荷、窗玻璃透射負(fù)荷、人員散熱負(fù)荷、照明燈具散熱負(fù)荷、辦公和醫(yī)療設(shè)備散熱負(fù)荷以及新風(fēng)負(fù)荷[8].以上負(fù)荷分別從建筑熱工性能與房間熱環(huán)境兩大方面對房間負(fù)荷施加影響.根據(jù)該地區(qū)醫(yī)院建筑特點(diǎn)，本文選擇外墻類型、外窗類型、屋頂類型、窗墻面積比、室內(nèi)人員密度、照明設(shè)備功率、新風(fēng)指標(biāo)7個影響因素作為空調(diào)負(fù)荷影響因素進(jìn)行研究.

2.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)和分析方法是目前最常用的優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)確定影響程度的分析方法[9].因此，為了確定各影響因素的顯著程度，采用正交試驗(yàn)法對影響因素進(jìn)行研究.正交試驗(yàn)中欲考察對象稱為影響因子，影響因子在考察范圍內(nèi)分為若干等級，稱為水平，為了挑選出次數(shù)較少而具有代表性的組合條件，本文選擇L8(27)的正交試驗(yàn)表(L為正交表符號；8為試驗(yàn)次數(shù)；2為每個影響因子有兩個水平；7為有7個因子)，正交試驗(yàn)表如表4所示，各因子取值如表5～6所示.

表4 正交試驗(yàn)安排L8(27)Tab.4 Orthogonal test arrangement L8(27)

表5 正交因子值Tab.5 Orthogonal factor values

表6 外窗類型參數(shù)Tab.6 Parameters for external window types

水平1代表門診樓的實(shí)際參數(shù)水平，由于沈陽屬于嚴(yán)寒地區(qū)，所以水平2采用《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB50189-2015)中規(guī)定的參數(shù)限值.其中設(shè)備功率指的是照明設(shè)備，由于醫(yī)院醫(yī)療設(shè)備使用頻繁，非使用時亦處于待機(jī)備用狀態(tài)，無法對基準(zhǔn)模型進(jìn)行準(zhǔn)確賦值，所以本文不予考慮.

3 模擬結(jié)果分析

根據(jù)正交表L8(27)安排，利用DeST軟件對門診樓進(jìn)行了8組正交試驗(yàn)?zāi)M計(jì)算，具體結(jié)果因篇幅原因不進(jìn)行贅述.表7為全年總負(fù)荷模擬試驗(yàn)極差結(jié)果.

表7 試驗(yàn)極差分析Tab.7 Test range analysis

根據(jù)極差分析結(jié)果可知，窗墻面積比因子的極差最大，達(dá)到799.28，為最大影響因素；屋頂因子的極差最小，僅為60.3，屬于最小影響因素.醫(yī)院門診樓空調(diào)負(fù)荷影響因子的影響程度的順序如下：D>B>E>G>F>A>C，即窗墻面積比大于外窗類型大于人員密度大于新風(fēng)指標(biāo)大于照明設(shè)備功率大于外墻傳熱系數(shù)大于屋頂傳熱系數(shù)，其中，窗墻面積比與外窗類型屬于顯著影響因素.

4 顯著影響因素分析及改善措施

通過以上模擬分析可得門診樓空調(diào)負(fù)荷影響因素中窗墻面積比為最關(guān)鍵的影響因素，其次是窗戶的類型.這是由于我國嚴(yán)寒地區(qū)冬季氣溫過低，采暖期相對較長，加之外窗在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中是最大的熱橋，是熱量損失較大部分之一[10].因此，在建筑節(jié)能方案中，減少外窗的能耗損失是節(jié)能重點(diǎn)，外窗的得熱和失熱形式主要包括：太陽得熱、熱交換以及玻璃窗的透射特性，其對應(yīng)的評價(jià)參數(shù)為外窗綜合傳熱系數(shù)K、太陽得熱系數(shù)SHGC和遮陽系數(shù)Sc.

4.1 各朝向窗墻比對空調(diào)負(fù)荷的影響

由于窗墻比是圍護(hù)結(jié)構(gòu)中熱量損失最大的部分，其對空調(diào)總負(fù)荷的影響顯著.同時在節(jié)能設(shè)計(jì)上需要注意，窗墻比同時會直接影響室內(nèi)采光、透過窗戶的輻射得熱以及房間的通風(fēng)效果.本文通過模擬不同朝向不同窗墻比對空調(diào)負(fù)荷的影響并進(jìn)行分析，得到全年累計(jì)空調(diào)負(fù)荷與各朝向窗墻比變化的關(guān)系如圖5所示.由圖5可知，全年累計(jì)負(fù)荷隨各朝向窗墻比的增大均呈增大趨勢，其中由于北朝向窗墻比帶來的影響導(dǎo)致空調(diào)負(fù)荷增大幅度最大，其次是西朝向.這主要是由于嚴(yán)寒地區(qū)的醫(yī)院建筑供暖期比供冷期長，沈陽地區(qū)冬季氣溫低，東南朝向的外窗太陽輻射得熱可以部分抵消由于窗墻比增大所增加的熱負(fù)荷，北朝向與西朝向的外窗太陽輻射得熱則十分有限.因此，在圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工設(shè)計(jì)中要充分考慮利用太陽輻射的影響，特別是南向與東向窗戶的太陽輻射得熱.在《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB50189-2015)規(guī)定的參數(shù)限值范圍內(nèi)，適當(dāng)增大南向與東向的窗墻比、減少西向與北向窗墻比對節(jié)約采暖能耗，提高熱舒適程度有重大意義.

圖5 門診樓各窗墻比下空調(diào)負(fù)荷變化圖Fig.5 Change of air conditioning load of clinic building under different window-to-wall ratios

4.2 常見窗型對空調(diào)負(fù)荷的影響

外窗分為兩個組成部分：窗框系統(tǒng)與玻璃系統(tǒng).其中，窗框系統(tǒng)占整窗面積不足20%，玻璃系統(tǒng)占整窗面積的80%以上，決定著整窗的熱工性能.為避免窗框在室內(nèi)表面出現(xiàn)結(jié)露結(jié)冰現(xiàn)象，寒冷地區(qū)窗框形式常用多腔體的PVC塑鋼窗及鋁塑的復(fù)合窗，因此本文主要研究外窗中的玻璃系統(tǒng).為了探討影響外窗空調(diào)能耗的重要因素，本文對不同玻璃類型下的空調(diào)負(fù)荷進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果如表8所示.

表8 不同玻璃的參數(shù)值Tab.8 Parameter values of different glass

由表8可以看出，外窗的傳熱系數(shù)與空調(diào)負(fù)荷呈正相關(guān).從真空鍍膜復(fù)合中空玻璃與low-e膜中空玻璃的比較可以看出，兩者的太陽得熱系數(shù)SHGC相差無幾，但是全年負(fù)荷差距很大，說明太陽得熱系數(shù)SHGC不是影響空調(diào)負(fù)荷的關(guān)鍵參數(shù).同時可以發(fā)現(xiàn)空調(diào)負(fù)荷隨著遮陽系數(shù)Sc的增大也呈增長趨勢，為了進(jìn)一步驗(yàn)證Sc與空調(diào)負(fù)荷的關(guān)系，本文對遮陽系數(shù)與空調(diào)負(fù)荷進(jìn)行回歸分析，回歸曲線與回歸方程如圖6所示.

圖6 遮陽系數(shù)與空調(diào)負(fù)荷的擬合曲線Fig.6 Fitting curve between shading coefficient and air conditioning load

通過圖6可以看出，影響外窗空調(diào)能耗的關(guān)鍵性因素是玻璃的遮陽系數(shù)Sc，因此，在外窗氣密等級相同的條件下，遮陽系數(shù)Sc是設(shè)計(jì)與選擇外窗類型的關(guān)鍵指標(biāo).

5 結(jié) 論

本文通過DeST能耗模擬結(jié)合正交試驗(yàn)對寒冷地區(qū)醫(yī)院空調(diào)負(fù)荷的影響因素進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

1)通過正交試驗(yàn)得出窗墻比極差值為799.28，外窗傳熱系數(shù)極差值為461.88，因此在沈陽地區(qū)醫(yī)院空調(diào)負(fù)荷的影響因素中，窗墻比與窗戶類型是顯著影響因素.

2)不論朝向如何，窗墻比與全年空調(diào)負(fù)荷均呈正比關(guān)系.因此，在保證房間采光和室內(nèi)自然通風(fēng)的情況下減少窗墻比是建筑節(jié)能的重要手段.

3)影響窗戶熱工性能的重要因素是玻璃的遮陽系數(shù)Sc，選取合適的遮陽系數(shù)是節(jié)能的關(guān)鍵.