张宇涵 顾平道

东华大学环境科学与工程学院

根据住房和建设相关部门的预算，到21世纪30年代，我们国家的建筑能源消耗量将会占到能源消耗总量的35%左右[1]。医院建筑是我国公共建筑的重要组成部分，医院设施的能源消耗一般是其他建筑设施的3～4倍，而医院建筑能源消耗约占医院能源消耗总量的27%[2]。因此，对建筑材料和外围护结构进行优化和改造对于建筑节能是非常有必要的，对我国的能源节约也是非常有意义的。本文通过对工程案例的分析，结合实际参数，利用eQUEST能耗模拟软件，对既有建筑进行建模，模拟计算了该建筑的全年空调能耗，并做出经济性分析，得出每项改造的最优方案，与原始方案进行对比。

1 研究内容

1.1 系统概述

本文以上海某医院门诊楼改造项目工程为对象，根据建筑的围护结构特点，分析其节能改造的方向，并设计了几种可行的节能方案。以原始建筑为基础，以外墙、屋面、外窗为变量，分别模拟计算了该建筑的全年建筑能耗，并做出经济性分析，计算回收期，得出每项改造的最优方案。最终确定最优方案，分析空调总能耗节能率，为夏热冬冷地区针对围护结构的节能改造提供理论参考。

1.2 围护结构概况

该工程的围护结构改造规划包括：屋面改造、外墙改造和外窗的改造。改造前的围护结构主要构造特性参数见表1。

表1 围护结构部分结构参数表

本课题设定制冷时间为每年5月1日～9月30日。制热时间设定为12月1日～2月28日。其中，大厅、急诊室、输液室、值班室等急诊区域及其配套设施区域考虑全天开启。人员密度客观数据以实际调研作为参考，室内空调温度分别为：夏季26℃，冬季19℃。

2 围护结构模型建立

2.1 气象参数设置

在eQUEST的项目信息设置中，在可供选择的项目位置中并没有中国，所以无法选择中国的气象参数。天气文件格式为BIN文件，可通过绿建研究院获得该文件，也可通过软件转换 EnergyPlus 软件天气参数获得。本项目所在地为上海。

2.2 模型简化

在建模前，应充分考虑建模过程需要考虑的因素，并忽略掉与研究问题无关的一切因素，对模型进行简化，这样不仅节省了建模的时间，还能更加清晰的得出所需的结果。

本模型的简化方式有：1）室内设计参数相同的房间，如办公室、诊疗室等设为同区。2）走廊等公共区域设为同区。3）不需要空调的区域设为同区。

2.3 模型建立

具体的项目信息等参数设置完成后，把描好的CAD 封闭底图导入 eQUEST，然后设置建筑层高、朝向等一系列参数。之后再进行功能区的划分，并设置空调区域、非空调区域，是否有中庭等。依据建筑的CAD图纸建立建筑的几何模型。

3 围护结构改造方案与模拟分析

3.1 原始模拟的能耗

eQUEST可模拟得到建筑全年8760 h的能耗。但医院建筑各功能房间使用空调的时间会有所不同，特别是医院急诊会全天运行，因此，依据空调的运行实际情况来处理模拟数据，得到原始建筑的全年空调能耗数据，见表2。

表2 原始模型全年空调能耗

3.2 外墙节能改造分析

本节研究建筑外墙结构中不同厚度的保温层对医院建筑的能耗影响，保温材料选取模塑聚苯板（EPS板）。改造方案的墙体构造主要有基层墙体 +砂浆找平层+保温层+保护层+饰面层，主要构造及参数见表3。

表3 墙体主要构造方案

以原始建筑为对照，利用eQUEST软件分别模拟得到各改造方案的能耗数据，见表4。

表4 外墙改造方案全年能耗

分析得到，原方案与改造方案相比，MS1、MS2、MS3这三种设计方案的全年累计空调能耗分别减少了3.44%、3.81%、4.39%，全年空调制热能耗分别减少了8.21%、9.11%、10.48%，但全年空调制冷能耗反而增加了0.80%、0.89%、1.02%。上海属于夏热冬冷地区，在过度季节和夏季，会出现室外温度低于室内温度的现象。因此，要通过增加保温层去减少室内的冷负荷的方法并不会有很大的效果，反之，有时还会出现反面的效果，会造成冷负荷增加的现象发生。增加保温的方案，使制热能耗降低量远比制冷能耗增加的量多，并且增加保温层也能有效地降低建筑的峰值冷负荷，从而减小设备的设计容量，故该方案对降低全年的空调负荷仍有良好的效果[3]。

3.3 屋面节能改造分析

由于本医院建筑为三层建筑，顶层房间的能耗占总建筑的比例较大，因此，建筑顶层的保温性能直接影响着整个建筑的能耗。原方案屋面主体为钢筋混凝土+水泥砂浆，改造方案的墙体构造主要有结构层+找平层+防水层+保温层+找平层+保护层+饰面层，屋面改造主要构造及参数见表5。

表5 屋面主要构造方案

以原始建筑为对照，利用 eQUEST 软件分别模拟得到各改造方案的能耗数据，见表6。

表6 屋面改造方案全年能耗

方案R1、R2、R3的全年制冷能耗分别减少了19.70%、20.30%、20.82%，全年制热能耗分别减少了14.70%、15.14%、15.52%，全年空调能耗分别减少了17.35%、17.88%、18.33%。由节能效果可知，屋面保温对该建筑制冷能耗影响大于对制热能耗的影响，且全年空调能耗降低明显。由于该建筑仅为三层，屋面的保温改造对整个建筑的能耗影响较大[4]。

3.4 外窗节能改造分析

相对于围护结构其他部分，建筑外窗的传热系数大，气密性差，透光性等特点，造成了通过门窗损耗的热量最大，因此其节能潜力最大。原外窗玻璃为6 mm厚普通透明玻璃，本文选择热反射膜和 LOW-E双层玻璃做出对比分析，表7列出了几种常用中空玻璃改造方案。

表7 窗户改造方案

以原始建筑为对照，利用 eQUEST软件分别模拟得到各改造方案的能耗数据，见表8。

表8 窗户改造方案全年能耗

方案WR1、WR2、WR3全年制冷能耗分别减少了0.06%、1.68%、1.74%，全年制热能耗分别减少了0.3%、8.01%、8.29%，全年累计空调能耗分别减少了0.17%、4.66%、4.82%。由不同窗户玻璃的材质造成的全年能耗数据表8分析，外窗的传热系数依然是影响建筑全年能耗的主要因素。同时，对全年空调能耗的是有一定的节能作用的。由WR2和WR3方案分析，两种方案的节能率相差较小，本文推荐使用WR2方案。

4 经济性分析

4.1 外墙改造经济性分析

由模拟数据分析，不同的保温层厚度都有节能效果，在此对其做经济性分析，选用更经济的保温层厚度，对于夏热冬冷地区的医院建筑更具有经济性。本文不考虑资金随时间波动的值，通过计算静态投资回收期对各节能方案进行评价。静态投资回收期是指以投资项目经营净现金流量抵偿原始总投资所需要的全部时间[5]。静态投资回收期可根据式（1）计算。

式中：K为投资总额；Bt为第t年的收入；Ct为第t年的支出（不包括投资）；NBt为第t年的净收入，NBt=Bt-Ct；Tφ为投资回收期。

各外墙改造方案的消耗保温材料数量，全年能耗费用及投资回收期计算结果见表9。咨询价格，E PS板240元/m3，其他辅材及施工费用为72元/m2。外墙面积共计为1582m2。原使用空调系统为分体式空调，在此选择一级能耗的最低限制COP=3.3作为计算数据。但在冬季制热时，由于室外环境温度的降低，制热效果会有所衰减，在室外温度降到2℃时，家用空调器的制热量会衰减28%左右[6]，在此，综合上海天气条件，取制热能效比均值为2.84作为计算依据。电费按1元/kWh计算。

表9 外墙保温方案回收期

由表9计算结果分析可得，相对而言，MS3方案的回收期相对较短，而且MS3方案的保温效果最好，而且方案MS3的节能率可达到4.39%，更符合节能建筑的要求。因此，外墙保温方案推荐使用60mm厚保温层。

4.2 屋面改造经济性分析

各屋面改造方案的消耗保温材料数量，全年能耗费用及投资回收期计算结果见表10。咨询价格，EPS板240元/m3，其他辅材及施工费用为72元/m2。屋面面积共计为920m2。原分体式空调的COP取3.3，电费按1元/kWh。

表10 屋面保温方案回收期

由表10计算结果分析可得，相对外墙的改造，屋面改造的回收期要短得多。由于屋面的改造对顶层建筑的空调负荷影响最大，而对于层数较少的建筑，顶层建筑的能耗占有全建筑能耗的比例更大，因此，屋面的改造对低层建筑的能耗有重要的影响。对屋面三种不同厚度的保温层的改造方案，回收期相差不大，反而保温层厚度较小的R1方案的回收期更短。同时，保温需满足《公共建筑节能设计标准》的要求，外墙保温方案推荐使用60mm厚保温层。

5 围护结构优化方案与结论分析

通过对围护结构的改造方案进行模拟分析，并计算回收期限，综合分析后，最终改造方案确定为方案MS3+R2+WR2，利用eQUEST模拟并得到改造方案的能耗结果，如表11。

表11 优选方案全年能耗

图1 优选方案节能率

由表11可知，优选方案的全年空调能耗相比原始方案节能26.6%，全年空调制冷能耗节省19.1%，全年空调制热能耗节省33.6%。由此可见，围护结构加强保温效果对冬季制热的节能效果更显著。围护结构的节能改造是十分有必要的，节能效果比较显著，在建筑节能改造中的节能潜力较大。

6 结语

建筑围护结构和暖通空调系统是建筑节能的关键，二者之间又是相互影响，相辅相成的。围护结构所消耗的空调能耗是空调总能耗的重要部分，一般占空调总能耗的10%～32%。暖通空调系统的节能主要靠降低建筑冷、热负荷而使室内达到适宜的温湿度，而降低冷、热负荷应从建筑围护结构入手。本文从建筑外墙因素，屋面因素，门窗因素三方面模拟案例工程的全年建筑能耗，来分析围护结构改造在建筑节能上的效果。