能耗模擬在建筑節(jié)能改造節(jié)能量計(jì)算中的應(yīng)用

牟宇 林敏敏

1 浙江大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司

2 浙江省建設(shè)工程造價管理總站

0 引言

近年，建筑在建造及運(yùn)營維護(hù)中消耗的能源持續(xù)增長。截至2017 年，我國建筑面積總保有量達(dá)591 億m2。根據(jù)估算，2 017 年我國建筑業(yè)建造相關(guān)的碳排放總量高達(dá)43.8 億tCO2，接近我國碳排放總量的1/2。而建筑運(yùn)營方面，2 017 年建筑運(yùn)行總商品能耗為 9.63 億tce，約占全國能源消費(fèi)總量的21%[1]。建筑運(yùn)行能耗在社會能源消耗中占比巨大，我國2005 年才實(shí)施了第一版 《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，此前我國公共建筑沒有相應(yīng)節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)來指導(dǎo)建筑設(shè)計(jì)。現(xiàn)今仍有大量“非節(jié)能”建筑在社會中運(yùn)行，對此類建筑進(jìn)行既有建筑節(jié)能改造勢在必行，將為社會節(jié)省大量能源消耗。

2017 年，住房城鄉(xiāng)建設(shè)部辦公廳、銀監(jiān)會辦公廳聯(lián)合發(fā)文“關(guān)于批復(fù)2017 年公共建筑能效提升重點(diǎn)城市建設(shè)方案的通知”，浙江省的杭州市和溫州市被列為重點(diǎn)城市。同年，建設(shè)部發(fā)布兩本有關(guān)于既有建筑節(jié)能改造的技術(shù)導(dǎo)則，分別為 《公共建筑能源審計(jì)導(dǎo)則》 及 《公共建筑節(jié)能改造節(jié)能量核定導(dǎo)則》。國家層面既有建筑節(jié)能改造的體系構(gòu)建完成。杭州市城鄉(xiāng)建設(shè)委員會于2018 年編制發(fā)布了 《杭州市公共建筑節(jié)能改造示范項(xiàng)目能源審計(jì)導(dǎo)則》（以下簡稱“能源審計(jì)導(dǎo)則”）及《杭州市公共建筑節(jié)能改造節(jié)能量核定導(dǎo)則》（以下簡稱“核定導(dǎo)則”），用于指導(dǎo)杭州市既有公共建筑節(jié)能改造工作?！昂硕▽?dǎo)則”4.1.3 條規(guī)定節(jié)能量核定方法可采用賬單分析法和測量計(jì)算法，優(yōu)先采用賬單分析法。4.1.4 條中又規(guī)定：由于相關(guān)原因，無法獲得節(jié)能改造前后至少1 個完整循環(huán)運(yùn)行工況下的計(jì)量賬單數(shù)據(jù)，或?qū)δ骋辉O(shè)備（系統(tǒng)）進(jìn)行改造需要核定節(jié)能量，該設(shè)備（系統(tǒng)）與其他設(shè)備（系統(tǒng)）沒有分開計(jì)量時才能采用測量計(jì)算法[2]。而“核定導(dǎo)則”并未明確規(guī)定測量計(jì)算法的詳細(xì)實(shí)施方法及其適用的條件，尤其在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造和暖通系統(tǒng)改造這類涉及需要動態(tài)能耗計(jì)算方面。

為探索利用測量計(jì)算法來進(jìn)行節(jié)能改造的節(jié)能量分析，本文選取一棟典型醫(yī)院建筑，應(yīng)用了 eQuest軟件進(jìn)行全年逐時動態(tài)能耗模擬計(jì)算，分別得出改造項(xiàng)目基準(zhǔn)期和核定期的能耗數(shù)據(jù)，從而計(jì)算出節(jié)能量。為某些無法取得計(jì)量賬單的改造項(xiàng)目提供了另一種評估途徑。

1 既有建筑節(jié)能改造節(jié)能量判定方法

國際節(jié)能測量和認(rèn)證規(guī)程第一卷（International Performance Measurement and Verification Protocol Volume I）中針對節(jié)能改造詳細(xì)規(guī)定4 種核定選項(xiàng)（前2 種可以視為一種方法，一下合并介紹），及其適用條件，可供實(shí)施改造的項(xiàng)目參考應(yīng)用[3]：

1）單獨(dú)測量改造部位能耗（或部分測量），這種方法適用于某一用能系統(tǒng)相對獨(dú)立，對其他用能系統(tǒng)不產(chǎn)生影響或影響可忽略不計(jì)。如照明系統(tǒng)改造，可在基準(zhǔn)期和核定期分別測量全部或部分燈光系統(tǒng)的能耗，基準(zhǔn)期和核定期選取保持一致，節(jié)能量為二者差值。此類辦法不適用于復(fù)雜的系統(tǒng)，如暖通空調(diào)系統(tǒng)，系統(tǒng)過于復(fù)雜，對測量條件較為苛刻。且空調(diào)系統(tǒng)受室外環(huán)境參數(shù)影響，不能簡單對基準(zhǔn)期和核定期做差值核定節(jié)能量。

2）測量整個建筑能耗，這種方法適用于較為復(fù)雜的節(jié)能系統(tǒng)改造，對基準(zhǔn)期和核定期的能耗賬單進(jìn)行對比，做差值，并做一定修正。如空調(diào)系統(tǒng)或者圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫系統(tǒng)改造，此類系統(tǒng)改造通常在冷熱源、輸配系統(tǒng)、末端系統(tǒng)能耗消耗上都會產(chǎn)生變化，記錄改造前后整個建筑能耗可有效計(jì)算出節(jié)能量，值得注意的是，計(jì)算節(jié)能量時需要針對改造前后的天氣參數(shù)、使用率等不同參數(shù)做一定修正，才能得出較為精確的節(jié)能量。如下式：

式中：E為節(jié)能量，t ce；Eb為基準(zhǔn)期能耗，k gce；Er為核定期能耗，kgce；△E為能耗修正量，kgce。

本方法存在兩個難點(diǎn)，一是修正量不好確定，如基準(zhǔn)期和核定期影響建筑能耗的變量太多，如室外天氣參數(shù)、建筑使用率、行為用能等。二是如過建筑整體或局部功能改變，導(dǎo)致基準(zhǔn)期的能耗賬單無法參考，節(jié)能量也就無法核算。

3）利用建筑動態(tài)能耗模擬的方法計(jì)算節(jié)能量，這種方法可將基準(zhǔn)期和核定期的室外天氣參數(shù)、建筑使用率、非改造部位的設(shè)備參數(shù)等均設(shè)為一致，然后計(jì)算改造部位的節(jié)能量。可有效避免方法2 中的弊端。能耗模擬方法可分別讀取不同系統(tǒng)的分項(xiàng)節(jié)能量，方便統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。在建筑功能改變時，此類方法也可假定改造前后的使用功能一致，從而將計(jì)算出節(jié)能量。但這種方法對操作軟件的人員要求較高，一旦某一參數(shù)輸入錯誤，就會導(dǎo)致節(jié)能量計(jì)算錯誤。

以上幾種方法，應(yīng)為互補(bǔ)關(guān)系，不同的測量和計(jì)算方式應(yīng)適用于不同的改造模式，并無孰先孰后的論斷。本文選取的項(xiàng)目由于建筑功能改變，且改造了較難評估節(jié)能量的空調(diào)系統(tǒng)，因此，動態(tài)能耗模擬的方法來進(jìn)行節(jié)能量計(jì)算。

2 案例分析

2.1 工程簡介

實(shí)施節(jié)能改造項(xiàng)目為杭州某醫(yī)院項(xiàng)目，建筑面積19000 m2左右，分為A、B、C 三棟建筑。項(xiàng)目性質(zhì)原為酒店功能，2018 年實(shí)施改造，項(xiàng)目變?yōu)獒t(yī)院 +養(yǎng)老院的性質(zhì)。項(xiàng)目針對窗系統(tǒng)，照明系統(tǒng)，空調(diào)系統(tǒng)及熱水系統(tǒng)進(jìn)行了節(jié)能改造，主要實(shí)施改造的系統(tǒng)如表1：

表1 改造內(nèi)容清單

改造后項(xiàng)目布局為：A 樓一層二層為門診及各類檢查室，三層至九層為病房。B 樓一層為食堂，二層為辦公室，三層至四層為養(yǎng)老病房。C 樓一層為活動室，二層至三層為養(yǎng)老病房。

2.2 方法論

依據(jù) 《杭州市公共建筑節(jié)能改造節(jié)能量核定導(dǎo)則》3.0.1 條：“ 公共建筑節(jié)能改造后，應(yīng)對項(xiàng)目邊界內(nèi)建筑或相關(guān)用能設(shè)備（系統(tǒng)）運(yùn)行情況進(jìn)行檢查，并對節(jié)能效果進(jìn)行核定?！?.0.2 條：公共建筑節(jié)能改造前，應(yīng)參照相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和導(dǎo)則開展能源審計(jì)，審計(jì)結(jié)果作為節(jié)能量核定的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。這意味著，改造前，改造后均應(yīng)對建筑進(jìn)行實(shí)地檢測，再進(jìn)行節(jié)能量核算。

由于本項(xiàng)目的特殊情況，改造前為酒店，改造后為醫(yī)院性質(zhì)，兩種建筑類型及運(yùn)行時間，能耗組成均存在較大偏差，無法進(jìn)行改造前和改造后的能耗比較。因此本次節(jié)能量核定擬采用能耗模擬驗(yàn)證的方法（選用的軟件為 eQuest），假定改造前也為醫(yī)院性質(zhì)，改造前建筑設(shè)定為基準(zhǔn)建筑，改造后設(shè)定為核定建筑。模型為保證節(jié)能量核定的準(zhǔn)確性，做了如下約定：

1）基準(zhǔn)建筑及核定建筑采用統(tǒng)一的氣象參數(shù)，消除天氣參數(shù)對節(jié)能率的影響。

2）模型計(jì)算全年8760 h 能耗，用以判定節(jié)能率。

3）模型中室內(nèi)人員密度、設(shè)備功率兩種模型保持一致。

4）空調(diào)系統(tǒng)設(shè)置中，室內(nèi)設(shè)定溫度、新風(fēng)量、送風(fēng)溫度等參數(shù)保持一致。

5）室內(nèi)人員在室率。照明開關(guān)時間表、電氣設(shè)備逐時使用率，供暖通風(fēng)和空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)運(yùn)行時間保持一致。

6）僅對改造內(nèi)容（窗系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、生活熱水系統(tǒng)）進(jìn)行節(jié)能量分析。

7）改造前后節(jié)能率按照式（1）確定，由于除改造內(nèi)容外，其它輸入?yún)?shù)均保持一致，因此公式中△E（能耗修正量）為0。

2.3 模型建立

依據(jù)建筑設(shè)計(jì)圖紙資料采用 eQUEST 軟件建立能耗模擬模型，如下：

圖1 eQUEST 分析模型

2.4 改造前后主要用能措施對比

1）圍護(hù)結(jié)構(gòu)

改造前建筑為 20 世紀(jì) 90 年代老建筑，圍護(hù)結(jié)構(gòu)未設(shè)置保溫?？紤]實(shí)用性，該項(xiàng)目僅針對窗系統(tǒng)進(jìn)行了更新，具體如表2、3 ：

表2 改造前后主要圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造

表3 改造前后窗系統(tǒng)熱工參數(shù)對比

2）人員密度

改造前后各房間人員密度保持一致，按照 《民用建筑綠色性能計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》 附表 C.0.5-1 設(shè)置，如表4 所示。

表4 人員密度值

3）照明功率密度

由于改造前建筑為假定的20 世紀(jì)90 年代醫(yī)院建筑，照明功率密度無法實(shí)際獲取，依據(jù)當(dāng)時的科技水平，按照最不利情況考慮，基準(zhǔn)建筑參照 《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》 GB 50034-2013 現(xiàn)行值設(shè)置（表 5）；改造后建筑依據(jù)實(shí)際參數(shù)進(jìn)行模擬。

表5 照明功率密度值

4）電氣設(shè)備功率

本項(xiàng)目改造前后各房間電器設(shè)備功率密度值和逐時使用率參考 《民用建筑綠色性能計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》 設(shè)置（表6），另門診還有一些與檢測相關(guān)的大型設(shè)備，具體如表7。

表6 電器設(shè)備功率密度值

表7 醫(yī)療設(shè)備功率

5）建筑使用時間及溫度設(shè)定

基準(zhǔn)建筑與核定建筑各房間運(yùn)行時間表保持一致。本項(xiàng)目為醫(yī)院建筑，門診辦公時間為周一至周五上午7:30am 到下午8:00pm（6:00am 后人數(shù)減少），周六周日休息，病房全年無休。人員逐時在室率，照明開關(guān)時間表及電器設(shè)備逐時使用率參考 《民用建筑綠色性能計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》 表C.0.5.2～C.0.5.3 設(shè)置。

該醫(yī)院空調(diào)制冷季為5 月1 日～9 月 31 日，采暖季為12 月1 日～2 月28 日。基準(zhǔn)建筑與核定建筑各房間空調(diào)設(shè)定逐時溫度保持一致，室內(nèi)空調(diào)逐時設(shè)定溫度參考 《民用建筑綠色性能計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》 表 C.0.5.2～C.0.5.3 設(shè)置。

6）空調(diào)系統(tǒng)

本項(xiàng)目改造后建筑參考“暖通設(shè)計(jì)說明”及“主要設(shè)備材料表”設(shè)置，改造前建筑按項(xiàng)目改造前冷熱源進(jìn)行設(shè)置，改造前水泵及風(fēng)系統(tǒng)參數(shù)不明確，按照核定建筑賦予相應(yīng)參數(shù)，冷熱源改造前應(yīng)用溴化鋰制冷機(jī)組，效率按照 《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》 進(jìn)行模擬，具體如表8 所示。

表8 冷熱源機(jī)組性能參數(shù)設(shè)置

表9 冷熱源機(jī)組性能參數(shù)設(shè)置

表10 空調(diào)新風(fēng)系統(tǒng)性能參數(shù)設(shè)置

7）生活熱水系統(tǒng)

本項(xiàng)目核定建筑參考設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)置，基準(zhǔn)建筑按項(xiàng)目改造前熱水系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置，熱水住院部用量較大，452 張床位，人均每天消耗70 L 熱水。具體設(shè)備參數(shù)如表11 所示。

表11 冷熱源機(jī)組性能參數(shù)設(shè)置

2.5 節(jié)能改造節(jié)能量分析

經(jīng)計(jì)算，本項(xiàng)目基準(zhǔn)期建筑能耗為 1029.7tce，核定期建筑能耗為786.3tce，節(jié)能率為23.6%。且基準(zhǔn)建筑在建模中大量引用了現(xiàn)行節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中的推薦值，實(shí)際改造前建筑的用能系統(tǒng)無論從設(shè)備的先進(jìn)性，老化程度均比現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)要求要差很多，如冷熱源的效率，燈具的選型和效率等，因此實(shí)際節(jié)能量要高于計(jì)算值。具體結(jié)果如圖2 及表12：

圖2 基準(zhǔn)建筑與核定建筑逐月分項(xiàng)能耗統(tǒng)計(jì)圖（tce）

表12 基準(zhǔn)建筑與核定建筑分項(xiàng)年能耗對比（tce）

本項(xiàng)目節(jié)能源于以下四點(diǎn)：

1）圍護(hù)結(jié)構(gòu)中窗系統(tǒng)更換為更高效雙層窗系統(tǒng)，冷熱負(fù)荷均有所降低，從而空調(diào)系統(tǒng)能耗大幅降低。

2）空調(diào)冷熱源選用了更高效的風(fēng)冷熱泵。同時由于取消了原系統(tǒng)中的冷卻塔及冷卻水泵，因此亦獲得較大的節(jié)能量。

3）生活熱水有燃?xì)馓峁?，改為高效的空氣源熱泵熱水系統(tǒng)。

4）照明系統(tǒng)均更換為LED 光源，更為節(jié)能。

3 結(jié)論

本文總結(jié)不同的既有建筑節(jié)能改造節(jié)能量判定方法，分析了不同方法的適用場景。并以杭州某醫(yī)院改造為例，利用全年動態(tài)能耗模擬的方法對基準(zhǔn)期和核定期進(jìn)行能耗分析，得出節(jié)能量。文中案例中項(xiàng)目改造前后使用功能發(fā)生了變化，同時針對窗系統(tǒng)，照明系統(tǒng)，暖通空調(diào)系統(tǒng)及生活熱水系統(tǒng)進(jìn)行了節(jié)能改造，傳統(tǒng)計(jì)量方式無法準(zhǔn)確獲得改造前后的節(jié)能量，本文利用全年動態(tài)能耗模擬的方法有效解決了上述矛盾點(diǎn)，證明該方法的可行性。