孙花艳,祝 磊

(合肥学院 城市建设与交通学院,安徽 合肥 230601)

近年来,我国提出了关于建设能源节约型社会的建议。然而,目前我国有60%以上的既有建筑属于不节能建筑。这也是导致既有建筑在运行阶段碳排放量大的根本原因。对既有建筑物实行节能改造是实现节能目标的重要途径,是提高能源利用率、减少环境污染的有效措施[1],是建筑领域整体实现碳中和的关键措施之一,也是落实可持续发展战略的内在要求[2]。程云等[3]结合现有节能改造技术对既有公共建筑围护结构的节能技术应用策略进行了研究,并对节能改造实际项目案例进行了节能效果及经济效益分析;张慧[4]研究了严寒地区高校教学建筑的绿色改造策略;董海荣等[5]用DeST-C模拟软件对办公楼围护结构的节能改造工作进行了优化及对比分析;商宇轩[6]对商场、办公、宾馆3种典型公共建筑的节能改造技术进行了对比分析;陈德龙[7]研究了不同保温材料对既有公共建筑的节能贡献率。这些研究都对既有建筑的节能改造提供了理论依据。

医院作为公共建筑,其使用功能具有特殊性。目前,大量的医院建筑存在着结构老化、运行阶段能耗过高、室内舒适度较差等问题,进行节能改造迫在眉睫[8]。本文以安徽省合肥市某医院建筑的急救中心大楼绿色节能改造项目为例,研究其节能改造措施,并对改造方案进行优化分析,旨在对类似工程提供参考和借鉴。

1 项目概况

案例工程项目位于安徽省合肥市,属于框剪结构,于2004年竣工投入使用。该建筑地上共12层,地下1层,总建筑面积约19 360 m2。针对急救中心现有功能布局已不能完全满足医疗需求、供能设备老化、就医环境不够完善等问题,为全面提升各项医疗基础设施、改善诊疗环境、提高建筑能效,决定对急救中心大楼进行综合节能改造。

该改造项目于2016年11月开始,2018年10月基本完成,节能改造内容主要有外围护结构改造、供暖通风空调系统改造、照明系统改造和建筑用能监测与控制系统改造。

2 建立建筑模型

为准确了解急救中心建筑楼改造前后的既有能耗的情况,采用建筑能耗计算分析软件PKPM-Energy进行建模及能耗模拟计算。该软件能够根据项目实际情况建立建筑模型,采用当地标准的围护结构材料、暖通设备,计算各围护结构的热工性能;采用当地气象数据库,模拟计算建筑的逐时负荷、供暖通风与空调能耗,并分析各指标的节能降低幅度,生成建筑负荷模拟分析报告书、建筑能耗模拟分析报告书。

3 改造方案

3.1 外围护结构改造

3.1.1外墙节能改造

围护结构的节能效果是建筑节能的核心内容。在外围护结构面积中,占比最大的就是建筑外墙,外墙面积越大,建筑的热损失也就越大[9]。对建筑外墙进行改造的措施是增加保温层,分为外保温改造和内保温改造两种,为不影响医院内部在改造期间正常办公,本项目采用外保温改造形式。半硬质憎水性岩棉板具有绝热、隔音和防潮作用,且成本较低,符合本次节能改造的要求,因此决定以其作为外墙保温材料。

取外墙保温层厚度为30～100 mm,变化区间为10 mm,同时保持建筑的其它参数不变,运用建筑能耗计算分析软件PKPM-Energy模拟改造建筑外墙空调负荷、采暖负荷随保温材料厚度的变化,得出外墙负荷随保温材料厚度变化曲线如图1所示。

图1 外墙负荷随保温材料厚度变化曲线

由图1可以看出,随着保温材料厚度增加,外墙空调负荷、采暖负荷整体呈现不断减小的趋势,当保温材料厚度从30 mm增加到50 mm时,空调负荷、采暖负荷下降最明显,下降率达到了12.4%;继续增加保温材料厚度至100 mm,空调负荷、采暖负荷的变化幅度都变小,每增加10 mm厚度,空调负荷、采暖负荷仅分别下降2.6%、2.7%。可见,当保温材料厚度大于50 mm时,不断增加保温层厚度并不能持续显著地降低外墙的负荷。

据市场调查,半硬质憎水性岩棉板的市场价为450元/m3,保温材料厚度越大,费用越高。综合上述分析,当保温材料的厚度取50 mm时,外墙的空调负荷和供暖负荷及经济性最优。

3.1.2外窗节能改造

窗户能耗在建筑能耗中的占比约为50%[10]。改造前,急救中心的外窗采用的是铝合金普通玻璃,冷热传导非常快,并且铝合金窗的整窗传热系数在6.0 W/(m2·K)以上,影响了建筑的密封、保温性能。市面上的窗户有很多类型,根据项目实际情况,选择下面5种常用窗户进行改造研究。通过PKPM软件模拟,对不同外窗材质进行对比分析。外窗改造方案见表1。

表1 外窗改造方案

采用方案W1,即采用断热铝合金低辐射(6Low-E+12A+6)中空玻璃窗时,建筑的节能效果是最优的,此时建筑外窗的空调负荷和采暖负荷总值是最低的。方案W1的空调负荷是所有方案中最低的,但是采暖负荷并不是最高,仅次于方案2。方案W1属于节能型窗户,传热系数仅为2.40 W/(m2·K),不仅能有效减少外窗能耗,还能降低城市噪音对急救中心大楼内部人员的影响。因此,本次改造将外窗换成方案W1中的窗户材质,以达到最优的节能效果。

3.1.3屋顶节能改造

改造前本项目没有设置屋面保温,因此对屋顶增加保温层,并采用匀质改性防火保温板作为屋顶的保温材料。

屋面热阻的计算公式为:

Ro=Ri+∑R+Re

(1)

式(1)中,Ro为屋面总热阻,(m2·K)/W;Ri为内表面换热阻,(m2·K)/W;R为屋面热阻,(m2·K)/W;Re为外表面换热阻,(m2·K)/W。其中,Ri=0.11 (m2·K)/W,Re=0.05(m2·K)/W。

屋面传热系数的计算公式为:

(2)

为满足节能建筑屋面热工规定性指标的最低要求,增加保温层后建筑屋面的传热系数应为0.5 W/(m2·K)。由公式(1)和(2)计算可得保温材料厚度为170 mm,且此厚度在满足规定性指标的前提下最为经济。屋顶热工性能见表2。

表2 屋顶热工性能

3.2 供暖通风空调系统改造

建筑的供暖通风空调系统使用时间越长,设备的老化情况就越严重,会造成建筑能耗不断增加[11]。针对供暖通风空调系统的改造措施是:①门厅设置机械排风,并设置热回收装置,过渡季节全新风运行;②通风、空调设备均更换为高效低噪型的设备;③机房采用自动控制技术,空调水泵改为变频模式运行。这样的改造既能够提高新风品质,又能够降低能耗,达到了节能改造的目的。

改造前后建筑各项能耗变化如图2所示。可以直观地看出,此次节能改造使急救中心冷冻水泵能耗、空调机组能耗和市政供暖能耗显著降低。

图2 改造前后建筑各项能耗变化

3.3 照明系统改造

照明能耗在公共建筑的能耗中的占比达到了20%～40%[12]。照明系统的改造工作主要是将现有灯具进行更换,换成节能灯具,同时建立一个医院内部的照明控制系统,具体措施是:①一般场所均更换为LED节能型光源;②住院病房与护理单元走道设置夜间照明,病房采用防眩光的格栅式荧光灯;③候诊区、消毒室、洗消间等场所预留紫外线消毒器插座回路。

3.4 建筑用能监测与控制系统改造

改造前,急救中心采用人工用能管控模式,但管理分散,能源浪费较多。对此项的改造措施是增加建筑能耗监测系统,实时分析能耗数据,具体内容为:通过安装相应的智能计量表具及传感器,自动收集医院现场的各项数据,主要有照明用电、空调用电、医疗设备用电、冷水用量、热水用量、蒸汽用量以及各种环境参数等;建立对急救中心水、电、空调冷热量、氧气等分类能耗的一级、二级或三级分项消耗全过程的监测监管以及室内环境参数的全面监测,满足能耗监管和能源考核的目标。

4 改造效果分析

4.1 外围护结构及供暖通风空调系统的节能量分析

对外围护结构进行节能改造后,外窗所占负荷比例最大,达到42.58%,外墙负荷次之,地面负荷最少,仅为5.92%。这是因为合肥地区属于夏热冬冷地区,对建筑的空调和采暖需求较大,而外围护结构属于建筑物与外界环境接触面积最大的构件,受外界环境变化影响最大,因此外围护结构的负荷在建筑围护结构负荷中占比最大。

外窗负荷中的空调负荷高于采暖负荷。这是因为夏季时,合肥地区室外温度高,太阳辐射时间长,建筑通过外窗进行热交换所流失的热量较多,导致夏季空调负荷有所增加。

急救中心的改造面积为20 303.06 m2,系统类型为冷水机组和市政供暖。软件计算得到改造前后急救中心全年累计负荷改造后建筑的全年累计热负荷从1 229 582.28 kWh下降至944 597.36 kWh,下降率为23.18%,冷负荷从1 164 543.14 kWh下降至1 050 898.18 kWh,降低了9.8%,可以看出进行节能改造后热负荷的节能率比冷负荷的高,且约是冷负荷节能率的两倍。此次节能改造对建筑热负荷影响最大,对冷负荷的影响次之。这是因为改造后急救中心冬季采用了市政供暖,大幅度减少了急救中心在冬季的热负荷。

检验围护结构的最终节能改造效果,具体看是否有效地降低了建筑供暖通风空调系统能耗。因此,针对围护结构的节能改造核定节能量,主要是根据供暖通风空调系统能耗的降低程度。对急救中心改造前后供暖通风空调系统能耗用PKPM-Energy进行模拟计算发现,对该项目进行节能改造后,市政供暖能耗下降了60 908.78 kWh,下降率为12.7%;空调机组下降了10.1%;冷却水泵能耗增加了772.73 kWh,增长率为1.5%;冷冻水泵能耗下降了17 411.81 kWh,下降率为29.0%。综上可知,急救中心供暖通风空调系统能耗改造前为811 652.23 kWh,改造后为711 763.55 kWh,节能量为99 888.68 kWh,能耗降低幅度为12.3%。

4.2 照明系统节能量分析

照明系统节能量计算公式如下:

E照明=(P改造前-P改造后)×T照明×K

(3)

式(3)中,P改造前为改造前照明系统的总功率,W;P改造后为改造后照明系统的总功率,W;T照明为照明系统全年运行时长,h;K为室内照明设备同时使用系数。

调研该项目改造前后照明灯具功率,统计得出照明系统改造前的总功率P改造前=131.5 kW,改造后的总功率P改造后=78.2 kW。根据照明系统节能率计算公式,急救中心照明系统按照全年365 d运行,每日运行时间约16 h,同时使用系数取0.8,根据公式(3)计算可得,照明系统这一部分的节能量为24.9 万kWh,节能率为40.5%。

4.3 综合节能量与节能率分析

改造前急救中心照明系统年总能耗为61.2 万kWh。根据急救中心的能源统计,改造前非空调季(不含照明)月总电耗为2.4 万kWh。将急救中心改造前的能耗作为基准期,基准期能耗为非空调季(不含照明)年总电耗、照明系统年总能耗与供暖通风空调系统全年总能耗之和,计算得基准期总能耗为171.2 万kWh。

急救中心的总节能量为围护结构节能量与照明系统节能量总和,围护结构节能量为9.9 万kWh,照明系统节能量为24.9 万kWh,则急救中心总节能量为34.8 万kWh,急救中心的节能率为20.3%。

5 结语

1)在外围护结构改造中增加保温措施、选择高性能的节能外窗显著降低了建筑在制冷与暖通方面的能耗,提升了既有建筑的节能效果。

2)对建筑的照明系统进行节能改造能有效减少照明的耗电量。在公共建筑节能改造中,照明系统的改造与外围护结构改造、暖通空调改造相比,难度低、投入小且改造效果明显。

3)既有建筑绿色节能改造将成为未来建筑业持续健康发展的主要方向。