既有大型公共建筑節(jié)能改造的可行性分析

毛澤琴

（重慶市設(shè)計(jì)院有限公司，重慶 400010）

1 引言

隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，節(jié)能減排成為一項(xiàng)基本國策。在全社會(huì)總能耗中建筑物能耗占比達(dá)到25%，成為全國能源消耗的主要部分。在我國綠色發(fā)展理念的不斷深入過程中，既有建筑的暖通、給排水等系統(tǒng)中存在較為嚴(yán)重的能耗問題，這就要求積極對(duì)既有建筑進(jìn)行節(jié)能改造，推動(dòng)建筑綠色發(fā)展。

2 工程概況

某大廈位于我國南方某城市，建筑分為地上、地下兩部分，分別為21層與1層，總建筑面積達(dá)到21 319 m2，建筑地上1～14層、15～21層分別為設(shè)計(jì)院辦公樓與出租辦公樓。本次改造的樓層為1～14層，改造建筑面積為12 300 m2，改造內(nèi)容涉及空調(diào)等多個(gè)系統(tǒng)。

3 既有建筑能耗診斷

在既有大型公共建筑節(jié)能改造之前，對(duì)1～14層能耗進(jìn)行診斷與分析，得出在冷源能耗中制冷機(jī)能耗占比超過80%，與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)制冷機(jī)相比，能耗更多。在100%額定負(fù)載下，機(jī)組在運(yùn)行期間對(duì)電流進(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)超過額定電流，機(jī)組制冷能力相對(duì)較低，低于50%，說明機(jī)組在運(yùn)行期間出力已經(jīng)不足。2016年，對(duì)制冷機(jī)組的能效比進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)測試工況下制冷機(jī)制冷系數(shù)（Coefficient of Performance，COP）、折算到額定工況下COP分別為3.31和3.75，未能達(dá)到節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)。機(jī)組冷凝側(cè)端存在差異，但冷凝器傳熱正常，制冷機(jī)的COP較低，主要原因?yàn)樗畟?cè)積垢換熱不良、壓縮機(jī)在內(nèi)的核心部件老化等。在工況測試中發(fā)現(xiàn)，在制冷機(jī)（1臺(tái)）與冷卻塔（2臺(tái)）開啟后，發(fā)現(xiàn)冷卻塔額定循環(huán)水量、冷卻水測試總流量、冷卻塔進(jìn)水溫度、冷卻塔出水溫度分別為200 m3／h、227.5 m3／h、38.5℃、35.5℃。同期室外濕球溫度為26.4℃，與設(shè)計(jì)水溫相比，進(jìn)塔水溫僅高出1.5℃，與室外濕球溫度相比，冷卻塔出水溫度高出9.1℃。所以可以看出，建筑物的冷卻塔熱工性能已經(jīng)無法滿足實(shí)際需求，能耗相對(duì)比較嚴(yán)重。

4 既有大型公共建筑節(jié)能改造的可行性分析

4.1 背景

“十三五”時(shí)期確定發(fā)展理念為“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享”，開啟中國“綠色發(fā)展”新篇章，堅(jiān)持一條生態(tài)文明道路，加快建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)，為推動(dòng)“美麗中國”建設(shè)提供支持。城市既有大型公共建筑能耗高，對(duì)生態(tài)環(huán)境影響較大，不利于城市的健康發(fā)展，因此，既有大型公共建筑的節(jié)能改造具有可行的背景?！半p碳”目標(biāo)的提出，旨在讓中國實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰與碳中和。在2020年9月中國首次提出2030年“碳達(dá)峰”與2060年“碳中和”目標(biāo)，為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，城市發(fā)展必須積極轉(zhuǎn)型，推動(dòng)既有大型公共建筑的節(jié)能改造。

4.2 技術(shù)應(yīng)用

4.2.1 更換冷水機(jī)組

測試工況下制冷機(jī)COP、折算到額定工況下COP分別為3.31、3.75，未能達(dá)到節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)。為讓COP達(dá)到節(jié)能平均值的5.60，需做好制冷機(jī)組的節(jié)能改造[1]。按照冷水機(jī)組實(shí)際情況，在現(xiàn)場開啟新風(fēng)機(jī)組，建筑在夏季空調(diào)冷負(fù)荷大約為800 kW，因此，將冷水機(jī)組的制冷量選擇為800 kW，以此作為分析對(duì)象。冷水機(jī)組改造方案具體如表1所示。

新機(jī)組單臺(tái)制冷量、耗電量分別為800 kW、145 kW。冷水機(jī)組全年運(yùn)行時(shí)間、每天運(yùn)行時(shí)間分別為100 d、24 h。在電費(fèi)計(jì)算時(shí)，可按照0.85元/（kW·h）的電價(jià)進(jìn)行計(jì)算。開啟新風(fēng)計(jì)算，確定冷水機(jī)組的平均負(fù)荷率為65%。在表1的方案分析中，可以發(fā)現(xiàn)方案一經(jīng)濟(jì)性較高，且目前在使用的活塞式冷水機(jī)組使用時(shí)長達(dá)到20 a，需及時(shí)更換。因此，選擇方案一不僅具有良好的經(jīng)濟(jì)性，還具有可行性，符合建筑使用需求[2]。

表1 改造方案

4.2.2 拆除冷卻塔旁的部分墻體

在夏季運(yùn)行高峰期，將1臺(tái)冷水機(jī)組的壓縮機(jī)頭（4～5個(gè)）開啟后，需搭配使用2臺(tái)冷卻塔，如果不搭配2臺(tái)冷卻塔就會(huì)造成水溫過高。發(fā)現(xiàn)冷卻塔四面墻體是冷卻塔水溫過高的主要原因，并且通風(fēng)不夠暢通，導(dǎo)致冷卻塔換熱期間效率低下，所以需要1臺(tái)冷水機(jī)組搭配2臺(tái)冷卻塔[3]。在節(jié)能改造期間，要將冷卻塔東面部分的墻體拆除，這樣可以解決通風(fēng)不暢的問題，在夏季開啟1臺(tái)冷卻塔，即可滿足室內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行需求。在不對(duì)建筑安全與外觀產(chǎn)生影響的基礎(chǔ)上，冷卻塔周圍墻體拆除越多，換熱性能越好。在拆除冷卻塔周圍墻體時(shí)，由于是空心砌塊磚，拆除費(fèi)用并不高。同時(shí)，也要對(duì)冷卻塔進(jìn)行定期清洗，將冷卻塔填料污垢清理干凈，這樣能確保冷卻塔的換熱效率，降低電耗。假設(shè)電費(fèi)為0.85元/（kW·h），每年能節(jié)約電費(fèi)0.31萬元。

4.2.3 水冷冷水機(jī)機(jī)組中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造

水冷冷水機(jī)機(jī)組中央空調(diào)系統(tǒng)的能流分析模型的構(gòu)建，可做好能流分析，為節(jié)能改造提供支持。以末端冷卻盤管為節(jié)點(diǎn)列能量平衡方程，如式（1）所示：

式中，QP為冷卻盤管的冷負(fù)荷；Q為空調(diào)房間的冷負(fù)荷；QXF為新風(fēng)負(fù)荷；CFJ為風(fēng)機(jī)的耗功率；LSS為冷風(fēng)輸送系統(tǒng)的傳熱損失。

用式（2）對(duì)Q進(jìn)行計(jì)算：

式中，mFJ為風(fēng)機(jī)風(fēng)量；hHF為室內(nèi)空氣焓值；hSF為送風(fēng)焓值。

在計(jì)算QXF時(shí)，可使用式（3）：

式中，mXF為新風(fēng)量；hHF為新風(fēng)焓值。

在計(jì)算LSS時(shí)，可使用式（4）：

式中，LSF為風(fēng)管輸送過程中由于管道保溫不夠產(chǎn)生的傳熱冷損失；LXL為通過管道不嚴(yán)密所產(chǎn)生的泄漏冷損失。

在計(jì)算LSF時(shí)，可以使用式（5）：

式中，c為送風(fēng)溫度下空氣的比熱容；mSF為送風(fēng)量；ΔtSF為冷風(fēng)輸送管道保溫不夠引起的管道溫升。

在節(jié)能改造期間，需做好下面幾項(xiàng)工作：

1）室外新風(fēng)焓值hXF與室內(nèi)空氣焓值hHF的相對(duì)大小會(huì)決定新風(fēng)負(fù)荷的正負(fù)。當(dāng)hXF＞hHF時(shí)，新風(fēng)負(fù)荷為正，末端冷卻盤管負(fù)荷增加，采用最小的新風(fēng)量；當(dāng)hXF＜hHF時(shí)，新風(fēng)負(fù)荷為負(fù)，采用加大新風(fēng)量的措施，這樣可以讓空調(diào)系統(tǒng)的總能耗得到有效控制。

2）參照換熱量公式q=CmΔt（q為物質(zhì)吸收或放出的熱量；C為物質(zhì)的比熱容；m為該物質(zhì)的質(zhì)量；Δt為物體溫度的變化），在q一定時(shí)，供回水溫差可通過大溫差送風(fēng)和加大水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，送風(fēng)量與水流量能得到有效減少，風(fēng)機(jī)與水泵在運(yùn)行期間，能耗可有效降低。同時(shí)，也要做好設(shè)備的調(diào)節(jié)與管理，對(duì)動(dòng)力設(shè)備風(fēng)機(jī)與水泵能耗進(jìn)行有效降低。

3）膨脹水箱。水會(huì)因受到溫度的變化而產(chǎn)生體積膨脹封閉系統(tǒng)，系統(tǒng)中的空氣難以有效排除，所以可將管路系統(tǒng)與膨脹水箱連接在一起。膨脹水箱的設(shè)計(jì)容積可按照下面的公式（6）進(jìn)行計(jì)算：

式中，VP、α、Δtmax、VS分別為膨脹水箱有效容積、水的體積膨脹系數(shù)、最大水溫變化值、系統(tǒng)內(nèi)的水容量。

為保證水系統(tǒng)在工作期間的穩(wěn)定性與可靠性，在水泵的吸入側(cè)連接膨脹水箱，水箱標(biāo)高要比系統(tǒng)高至少1.0 m。冷卻塔的工作環(huán)境需干燥、通風(fēng)，在布置2塔以上的塔群時(shí)，需將兩塔之間的距離進(jìn)行合理控制，要控制在塔徑的1～2倍。水平安裝冷卻塔，確保布水器等設(shè)備能安全運(yùn)行。中央進(jìn)水管的安裝，需在冷卻塔中心安裝布水器。

4.2.4 冷卻塔四周設(shè)百葉

將百葉設(shè)置在冷卻塔四周，空氣的流動(dòng)形式為敞開式與豎井式安裝的混合流動(dòng)形式，在頂部與百葉一起進(jìn)風(fēng)；在空地中央安裝冷卻塔，進(jìn)風(fēng)口與百葉墻的距離需合理控制，不宜超過1.0 m，要留出足夠的檢修空間；百葉墻的通風(fēng)面積需達(dá)到50%以上，且風(fēng)在通過百葉墻時(shí)速度需控制在3 m/s以內(nèi)。風(fēng)速計(jì)算采用式（7）：

式中，v為風(fēng)速；Q風(fēng)為風(fēng)量；A為有效進(jìn)風(fēng)面積；E為百葉開度。

在阻力較小的途徑空氣進(jìn)行流通，冷卻塔可以通過該百葉吸入的風(fēng)量大小由格柵的壓力決定。百葉有效通風(fēng)面積與通風(fēng)風(fēng)速的合理控制，能使回流的可能性降低。在塔頂設(shè)置百葉，不能用百葉將冷卻塔排風(fēng)區(qū)域覆蓋住，避免有回流產(chǎn)生。布置多臺(tái)機(jī)組時(shí)，會(huì)有更多空氣需要被處理，所以發(fā)生回流的可能性較大。當(dāng)為多臺(tái)機(jī)組時(shí)，按照空氣流速控制在3 m/s以內(nèi)的方式確定進(jìn)風(fēng)口最小間距，可能采用錐形排風(fēng)罩時(shí)，要求間距要進(jìn)一步減少，但排風(fēng)罩的高度、出風(fēng)速度需分別控制為0.9 m、6～9 m/s。

4.3 外圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能改造

本大廈的外窗氣密性良好，且采取了保溫措施，保溫性能符合要求，但由于建筑建設(shè)年代久遠(yuǎn)，傳熱系數(shù)難以符合新要求，所以要通過檢測提出改造方案由于建筑并未采取這樣措施，在夏季溫度較高時(shí)，會(huì)使空調(diào)產(chǎn)生較高的能耗，但室內(nèi)溫度依然存在不均勻的現(xiàn)象，所以需做好遮陽措施，如可增加窗簾等方式。大堂入口處采取旋轉(zhuǎn)門的方式，旋轉(zhuǎn)門直徑為3.0 m，在冬天溫度較低時(shí)，有人員出入時(shí)會(huì)有冷風(fēng)進(jìn)來，所以還需增加門斗，這樣能減少冷風(fēng)的入侵。

4.4 分項(xiàng)計(jì)算與能源管理

1～14層屬于辦公區(qū)域，可對(duì)不同樓層進(jìn)行分項(xiàng)計(jì)量，通過對(duì)電路的改造，可以對(duì)各個(gè)樓層在取暖、照明、能耗等實(shí)施分項(xiàng)計(jì)量，這樣能了解哪層樓的能耗較高，以便具有針對(duì)性地進(jìn)行處理。辦公樓并沒有對(duì)能源管理制度進(jìn)行明確，導(dǎo)致在管理期間設(shè)備節(jié)能效果不好，且能耗消耗較大。所以單位需加大宣傳力度，要讓每一個(gè)人都能認(rèn)識(shí)到節(jié)能減排的重要性，并能通過定期節(jié)能培訓(xùn)，提升節(jié)能環(huán)保意識(shí)。

5 結(jié)語

既有大型公共建筑節(jié)能改造，符合城市發(fā)展趨勢，能有效降低建筑能耗，推動(dòng)城市的綠色發(fā)展。在對(duì)建筑節(jié)能改造中涉及內(nèi)容較多，本文只選擇其中的一部分進(jìn)行論述，可得出在對(duì)冷水機(jī)組進(jìn)行節(jié)能改造期間，政策、技術(shù)與經(jīng)濟(jì)可行性較強(qiáng)，值得改造。在未來，既有大型公共建筑在節(jié)能改造期間，還需重視電梯、照明及其他用電等方面的節(jié)能改造，要從整體上降低建筑能耗，滿足建筑及城市發(fā)展需求，打造可持續(xù)發(fā)展型城市。