孫花艷,祝 磊

(合肥學院 城市建設與交通學院,安徽 合肥 230601)

近年來,我國提出了關于建設能源節(jié)約型社會的建議。然而,目前我國有60%以上的既有建筑屬于不節(jié)能建筑。這也是導致既有建筑在運行階段碳排放量大的根本原因。對既有建筑物實行節(jié)能改造是實現(xiàn)節(jié)能目標的重要途徑,是提高能源利用率、減少環(huán)境污染的有效措施[1],是建筑領域整體實現(xiàn)碳中和的關鍵措施之一,也是落實可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的內(nèi)在要求[2]。程云等[3]結(jié)合現(xiàn)有節(jié)能改造技術(shù)對既有公共建筑圍護結(jié)構(gòu)的節(jié)能技術(shù)應用策略進行了研究,并對節(jié)能改造實際項目案例進行了節(jié)能效果及經(jīng)濟效益分析;張慧[4]研究了嚴寒地區(qū)高校教學建筑的綠色改造策略;董海榮等[5]用DeST-C模擬軟件對辦公樓圍護結(jié)構(gòu)的節(jié)能改造工作進行了優(yōu)化及對比分析;商宇軒[6]對商場、辦公、賓館3種典型公共建筑的節(jié)能改造技術(shù)進行了對比分析;陳德龍[7]研究了不同保溫材料對既有公共建筑的節(jié)能貢獻率。這些研究都對既有建筑的節(jié)能改造提供了理論依據(jù)。

醫(yī)院作為公共建筑,其使用功能具有特殊性。目前,大量的醫(yī)院建筑存在著結(jié)構(gòu)老化、運行階段能耗過高、室內(nèi)舒適度較差等問題,進行節(jié)能改造迫在眉睫[8]。本文以安徽省合肥市某醫(yī)院建筑的急救中心大樓綠色節(jié)能改造項目為例,研究其節(jié)能改造措施,并對改造方案進行優(yōu)化分析,旨在對類似工程提供參考和借鑒。

1 項目概況

案例工程項目位于安徽省合肥市,屬于框剪結(jié)構(gòu),于2004年竣工投入使用。該建筑地上共12層,地下1層,總建筑面積約19 360 m2。針對急救中心現(xiàn)有功能布局已不能完全滿足醫(yī)療需求、供能設備老化、就醫(yī)環(huán)境不夠完善等問題,為全面提升各項醫(yī)療基礎設施、改善診療環(huán)境、提高建筑能效,決定對急救中心大樓進行綜合節(jié)能改造。

該改造項目于2016年11月開始,2018年10月基本完成,節(jié)能改造內(nèi)容主要有外圍護結(jié)構(gòu)改造、供暖通風空調(diào)系統(tǒng)改造、照明系統(tǒng)改造和建筑用能監(jiān)測與控制系統(tǒng)改造。

2 建立建筑模型

為準確了解急救中心建筑樓改造前后的既有能耗的情況,采用建筑能耗計算分析軟件PKPM-Energy進行建模及能耗模擬計算。該軟件能夠根據(jù)項目實際情況建立建筑模型,采用當?shù)貥藴实膰o結(jié)構(gòu)材料、暖通設備,計算各圍護結(jié)構(gòu)的熱工性能;采用當?shù)貧庀髷?shù)據(jù)庫,模擬計算建筑的逐時負荷、供暖通風與空調(diào)能耗,并分析各指標的節(jié)能降低幅度,生成建筑負荷模擬分析報告書、建筑能耗模擬分析報告書。

3 改造方案

3.1 外圍護結(jié)構(gòu)改造

3.1.1外墻節(jié)能改造

圍護結(jié)構(gòu)的節(jié)能效果是建筑節(jié)能的核心內(nèi)容。在外圍護結(jié)構(gòu)面積中,占比最大的就是建筑外墻,外墻面積越大,建筑的熱損失也就越大[9]。對建筑外墻進行改造的措施是增加保溫層,分為外保溫改造和內(nèi)保溫改造兩種,為不影響醫(yī)院內(nèi)部在改造期間正常辦公,本項目采用外保溫改造形式。半硬質(zhì)憎水性巖棉板具有絕熱、隔音和防潮作用,且成本較低,符合本次節(jié)能改造的要求,因此決定以其作為外墻保溫材料。

取外墻保溫層厚度為30～100 mm,變化區(qū)間為10 mm,同時保持建筑的其它參數(shù)不變,運用建筑能耗計算分析軟件PKPM-Energy模擬改造建筑外墻空調(diào)負荷、采暖負荷隨保溫材料厚度的變化,得出外墻負荷隨保溫材料厚度變化曲線如圖1所示。

圖1 外墻負荷隨保溫材料厚度變化曲線

由圖1可以看出,隨著保溫材料厚度增加,外墻空調(diào)負荷、采暖負荷整體呈現(xiàn)不斷減小的趨勢,當保溫材料厚度從30 mm增加到50 mm時,空調(diào)負荷、采暖負荷下降最明顯,下降率達到了12.4%;繼續(xù)增加保溫材料厚度至100 mm,空調(diào)負荷、采暖負荷的變化幅度都變小,每增加10 mm厚度,空調(diào)負荷、采暖負荷僅分別下降2.6%、2.7%?？梢?當保溫材料厚度大于50 mm時,不斷增加保溫層厚度并不能持續(xù)顯著地降低外墻的負荷。

據(jù)市場調(diào)查,半硬質(zhì)憎水性巖棉板的市場價為450元/m3,保溫材料厚度越大,費用越高。綜合上述分析,當保溫材料的厚度取50 mm時,外墻的空調(diào)負荷和供暖負荷及經(jīng)濟性最優(yōu)。

3.1.2外窗節(jié)能改造

窗戶能耗在建筑能耗中的占比約為50%[10]。改造前,急救中心的外窗采用的是鋁合金普通玻璃,冷熱傳導非?？?并且鋁合金窗的整窗傳熱系數(shù)在6.0 W/(m2·K)以上,影響了建筑的密封、保溫性能。市面上的窗戶有很多類型,根據(jù)項目實際情況,選擇下面5種常用窗戶進行改造研究。通過PKPM軟件模擬,對不同外窗材質(zhì)進行對比分析。外窗改造方案見表1。

表1 外窗改造方案

采用方案W1,即采用斷熱鋁合金低輻射(6Low-E+12A+6)中空玻璃窗時,建筑的節(jié)能效果是最優(yōu)的,此時建筑外窗的空調(diào)負荷和采暖負荷總值是最低的。方案W1的空調(diào)負荷是所有方案中最低的,但是采暖負荷并不是最高,僅次于方案2。方案W1屬于節(jié)能型窗戶,傳熱系數(shù)僅為2.40 W/(m2·K),不僅能有效減少外窗能耗,還能降低城市噪音對急救中心大樓內(nèi)部人員的影響。因此,本次改造將外窗換成方案W1中的窗戶材質(zhì),以達到最優(yōu)的節(jié)能效果。

3.1.3屋頂節(jié)能改造

改造前本項目沒有設置屋面保溫,因此對屋頂增加保溫層,并采用勻質(zhì)改性防火保溫板作為屋頂?shù)谋夭牧稀?/p>

屋面熱阻的計算公式為:

Ro=Ri+∑R+Re

(1)

式(1)中,Ro為屋面總熱阻,(m2·K)/W;Ri為內(nèi)表面換熱阻,(m2·K)/W;R為屋面熱阻,(m2·K)/W;Re為外表面換熱阻,(m2·K)/W。其中,Ri=0.11 (m2·K)/W,Re=0.05(m2·K)/W。

屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的計算公式為:

(2)

為滿足節(jié)能建筑屋面熱工規(guī)定性指標的最低要求,增加保溫層后建筑屋面的傳熱系數(shù)應為0.5 W/(m2·K)。由公式(1)和(2)計算可得保溫材料厚度為170 mm,且此厚度在滿足規(guī)定性指標的前提下最為經(jīng)濟。屋頂熱工性能見表2。

表2 屋頂熱工性能

3.2 供暖通風空調(diào)系統(tǒng)改造

建筑的供暖通風空調(diào)系統(tǒng)使用時間越長,設備的老化情況就越嚴重,會造成建筑能耗不斷增加[11]。針對供暖通風空調(diào)系統(tǒng)的改造措施是:①門廳設置機械排風,并設置熱回收裝置,過渡季節(jié)全新風運行;②通風、空調(diào)設備均更換為高效低噪型的設備;③機房采用自動控制技術(shù),空調(diào)水泵改為變頻模式運行。這樣的改造既能夠提高新風品質(zhì),又能夠降低能耗,達到了節(jié)能改造的目的。

改造前后建筑各項能耗變化如圖2所示。可以直觀地看出,此次節(jié)能改造使急救中心冷凍水泵能耗、空調(diào)機組能耗和市政供暖能耗顯著降低。

圖2 改造前后建筑各項能耗變化

3.3 照明系統(tǒng)改造

照明能耗在公共建筑的能耗中的占比達到了20%～40%[12]。照明系統(tǒng)的改造工作主要是將現(xiàn)有燈具進行更換,換成節(jié)能燈具,同時建立一個醫(yī)院內(nèi)部的照明控制系統(tǒng),具體措施是:①一般場所均更換為LED節(jié)能型光源;②住院病房與護理單元走道設置夜間照明,病房采用防眩光的格柵式熒光燈;③候診區(qū)、消毒室、洗消間等場所預留紫外線消毒器插座回路。

3.4 建筑用能監(jiān)測與控制系統(tǒng)改造

改造前,急救中心采用人工用能管控模式,但管理分散,能源浪費較多。對此項的改造措施是增加建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng),實時分析能耗數(shù)據(jù),具體內(nèi)容為:通過安裝相應的智能計量表具及傳感器,自動收集醫(yī)院現(xiàn)場的各項數(shù)據(jù),主要有照明用電、空調(diào)用電、醫(yī)療設備用電、冷水用量、熱水用量、蒸汽用量以及各種環(huán)境參數(shù)等;建立對急救中心水、電、空調(diào)冷熱量、氧氣等分類能耗的一級、二級或三級分項消耗全過程的監(jiān)測監(jiān)管以及室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的全面監(jiān)測,滿足能耗監(jiān)管和能源考核的目標。

4 改造效果分析

4.1 外圍護結(jié)構(gòu)及供暖通風空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能量分析

對外圍護結(jié)構(gòu)進行節(jié)能改造后,外窗所占負荷比例最大,達到42.58%,外墻負荷次之,地面負荷最少,僅為5.92%。這是因為合肥地區(qū)屬于夏熱冬冷地區(qū),對建筑的空調(diào)和采暖需求較大,而外圍護結(jié)構(gòu)屬于建筑物與外界環(huán)境接觸面積最大的構(gòu)件,受外界環(huán)境變化影響最大,因此外圍護結(jié)構(gòu)的負荷在建筑圍護結(jié)構(gòu)負荷中占比最大。

外窗負荷中的空調(diào)負荷高于采暖負荷。這是因為夏季時,合肥地區(qū)室外溫度高,太陽輻射時間長,建筑通過外窗進行熱交換所流失的熱量較多,導致夏季空調(diào)負荷有所增加。

急救中心的改造面積為20 303.06 m2,系統(tǒng)類型為冷水機組和市政供暖。軟件計算得到改造前后急救中心全年累計負荷改造后建筑的全年累計熱負荷從1 229 582.28 kWh下降至944 597.36 kWh,下降率為23.18%,冷負荷從1 164 543.14 kWh下降至1 050 898.18 kWh,降低了9.8%,可以看出進行節(jié)能改造后熱負荷的節(jié)能率比冷負荷的高,且約是冷負荷節(jié)能率的兩倍。此次節(jié)能改造對建筑熱負荷影響最大,對冷負荷的影響次之。這是因為改造后急救中心冬季采用了市政供暖,大幅度減少了急救中心在冬季的熱負荷。

檢驗圍護結(jié)構(gòu)的最終節(jié)能改造效果,具體看是否有效地降低了建筑供暖通風空調(diào)系統(tǒng)能耗。因此,針對圍護結(jié)構(gòu)的節(jié)能改造核定節(jié)能量,主要是根據(jù)供暖通風空調(diào)系統(tǒng)能耗的降低程度。對急救中心改造前后供暖通風空調(diào)系統(tǒng)能耗用PKPM-Energy進行模擬計算發(fā)現(xiàn),對該項目進行節(jié)能改造后,市政供暖能耗下降了60 908.78 kWh,下降率為12.7%;空調(diào)機組下降了10.1%;冷卻水泵能耗增加了772.73 kWh,增長率為1.5%;冷凍水泵能耗下降了17 411.81 kWh,下降率為29.0%。綜上可知,急救中心供暖通風空調(diào)系統(tǒng)能耗改造前為811 652.23 kWh,改造后為711 763.55 kWh,節(jié)能量為99 888.68 kWh,能耗降低幅度為12.3%。

4.2 照明系統(tǒng)節(jié)能量分析

照明系統(tǒng)節(jié)能量計算公式如下:

E照明=(P改造前-P改造后)×T照明×K

(3)

式(3)中,P改造前為改造前照明系統(tǒng)的總功率,W;P改造后為改造后照明系統(tǒng)的總功率,W;T照明為照明系統(tǒng)全年運行時長,h;K為室內(nèi)照明設備同時使用系數(shù)。

調(diào)研該項目改造前后照明燈具功率,統(tǒng)計得出照明系統(tǒng)改造前的總功率P改造前=131.5 kW,改造后的總功率P改造后=78.2 kW。根據(jù)照明系統(tǒng)節(jié)能率計算公式,急救中心照明系統(tǒng)按照全年365 d運行,每日運行時間約16 h,同時使用系數(shù)取0.8,根據(jù)公式(3)計算可得,照明系統(tǒng)這一部分的節(jié)能量為24.9 萬kWh,節(jié)能率為40.5%。

4.3 綜合節(jié)能量與節(jié)能率分析

改造前急救中心照明系統(tǒng)年總能耗為61.2 萬kWh。根據(jù)急救中心的能源統(tǒng)計,改造前非空調(diào)季(不含照明)月總電耗為2.4 萬kWh。將急救中心改造前的能耗作為基準期,基準期能耗為非空調(diào)季(不含照明)年總電耗、照明系統(tǒng)年總能耗與供暖通風空調(diào)系統(tǒng)全年總能耗之和,計算得基準期總能耗為171.2 萬kWh。

急救中心的總節(jié)能量為圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能量與照明系統(tǒng)節(jié)能量總和,圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能量為9.9 萬kWh,照明系統(tǒng)節(jié)能量為24.9 萬kWh,則急救中心總節(jié)能量為34.8 萬kWh,急救中心的節(jié)能率為20.3%。

5 結(jié)語

1)在外圍護結(jié)構(gòu)改造中增加保溫措施、選擇高性能的節(jié)能外窗顯著降低了建筑在制冷與暖通方面的能耗,提升了既有建筑的節(jié)能效果。

2)對建筑的照明系統(tǒng)進行節(jié)能改造能有效減少照明的耗電量。在公共建筑節(jié)能改造中,照明系統(tǒng)的改造與外圍護結(jié)構(gòu)改造、暖通空調(diào)改造相比,難度低、投入小且改造效果明顯。

3)既有建筑綠色節(jié)能改造將成為未來建筑業(yè)持續(xù)健康發(fā)展的主要方向。