武漢市某商場(chǎng)改造節(jié)能減碳分析

任志強(qiáng),張春枝,甘 靜

(1.武漢科技大學(xué) 城市建設(shè)學(xué)院,湖北 武漢 430065;2.武漢力美建筑裝飾工程有限公司,湖北 武漢 430050)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)和建筑功能多樣化的發(fā)展,大型商場(chǎng)建筑能耗可以達(dá)到普通建筑能耗的10～20倍,其中空調(diào)系統(tǒng)能耗占比可達(dá)40%～50%[1]。而化石類能源在國(guó)內(nèi)能源消費(fèi)市場(chǎng)中占有很大比重,2018年煤炭等化石能源占國(guó)內(nèi)一次能源消費(fèi)總量的84.7%[2]。受限于改造成本和“碳中和”的背景,以圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能升級(jí)和設(shè)備利舊換新為主的節(jié)能改造,將是未來長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)建筑行業(yè)的主要商業(yè)形式,學(xué)者們對(duì)該方面開展很多研究,如張喆等人以博物館改造為例,通過模擬計(jì)算證明,僅對(duì)墻體、門窗和通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能升級(jí),每年可節(jié)省供熱和制冷能耗分別為19%、19%[3],Wang等人將墻體改造成相變儲(chǔ)能墻體,使南北向墻體內(nèi)表面溫度分別提高25%和109.1%,有效改善室內(nèi)熱環(huán)境[4]。李楠等人的研究證明僅對(duì)外窗進(jìn)行節(jié)能改造,每年小區(qū)可節(jié)省采暖費(fèi)42142.8元,但投資回收期較長(zhǎng),僅靠市場(chǎng)機(jī)制難以促進(jìn)節(jié)能改造[5]。曹立勛等人通過優(yōu)化冷機(jī)總裝機(jī)量和多級(jí)泵系統(tǒng),使冷站總能效由3.1提升到4.0左右,有效的提高了空調(diào)系統(tǒng)的效率[6]。韋古強(qiáng)等人通過對(duì)不同方案的比較,認(rèn)為分散冷源可有效的降低耗冷量[7]。張小東等人通過對(duì)空調(diào)管道和風(fēng)機(jī)盤管的試驗(yàn)證明長(zhǎng)期未清洗的空調(diào)設(shè)備極大的降低了制冷與供熱效率[8]。本文涉及的商場(chǎng)包括由原有全區(qū)域單一冷源的水冷(熱)集中式改為水冷(熱)集中式+多聯(lián)機(jī)獨(dú)立控制并優(yōu)化冷(熱)機(jī)總裝機(jī)量、優(yōu)化圍護(hù)結(jié)構(gòu)、更新空調(diào)設(shè)備三個(gè)方面,本文通過對(duì)上述改造前后能耗及熱環(huán)境的數(shù)據(jù)收集,分析改造的經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能性,為類似改造工程提供參考數(shù)據(jù)。

1 商場(chǎng)建筑總體概況

該商場(chǎng)于2005年建成并投入使用,2020年提出節(jié)能改造,改造對(duì)象主要包括圍護(hù)結(jié)構(gòu)、空調(diào)設(shè)備及室內(nèi)屋頂裝飾裝修等。商場(chǎng)位于武漢市一商住兩用樓的1～3層,4層及以上為住宅,商場(chǎng)建筑面積約3.2萬m2,空調(diào)面積約2.8萬m2。地面樓層高度分別為:一樓5.7 m,二樓5.1 m,三樓5.1 m,三樓樓頂空置面積約4 000 m2,種植草坪減少太陽輻射傳熱,其余面積分布四棟居民樓。負(fù)一樓作為地下車庫層高4.5 m。

2 商場(chǎng)改造概況

2.1 商場(chǎng)功能區(qū)改造概況

該商場(chǎng)原有功能比較單一,以服裝零售為主。改造后增設(shè)區(qū)域④盒馬鮮生,空調(diào)面積為3 800 m2;空置三樓屋面對(duì)原有草坪基礎(chǔ)上新加低灌綠植與連廊。

圖1為改造后的商場(chǎng)區(qū)域圖。

圖1 商場(chǎng)內(nèi)部區(qū)域示意圖

改造后各區(qū)域功能概述:區(qū)域①為美食廣場(chǎng)區(qū),區(qū)域②為零售區(qū),區(qū)域③為餐飲區(qū),區(qū)域④為盒馬鮮生區(qū),區(qū)域⑤為教育培訓(xùn)區(qū),區(qū)域⑥為健身游泳區(qū)。

2.2 商場(chǎng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造概況

通過《江蘇省節(jié)能建筑常見材料熱物理性能參數(shù)表》中查得各材料導(dǎo)熱系數(shù)如下,砌磚:1.1 W/(m·K),石材幕墻(花崗巖):3.49 W/(m·K),水泥砂漿:0.93 W/(m·K),加氣混凝土砌塊:0.22 W/(m·K),鋁板幕墻:203 W/(m·K),斷橋鋁中空玻璃(16 mm):2.2 W/(m2·K),6 mm普通單層鋁合金窗:6.4 W/(m2·K),鋼筋混凝土:1.74 W/(m·K),土壤(密度1 400 kg/m3):0.58 W/(m·K)。圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)計(jì)算公式如下

式中K為圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù),δi為結(jié)構(gòu)中i材料厚度,λi為i材料導(dǎo)熱系數(shù),h1、h2為內(nèi)外表面對(duì)流換熱系數(shù),單日測(cè)得立墻表面空氣平均流速為2.4 m/s,取平均值6.2 W/m2·K[9],樓頂草坪表面換熱系數(shù)參考外墻參數(shù)設(shè)定[9],測(cè)定綠植表面空氣平均流速為0.4 m/s,取對(duì)流換熱系數(shù)為0.9 W/(m2·K)。

改造前后圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料導(dǎo)熱系數(shù)及厚度參數(shù)見表1所示。

表1 商場(chǎng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造明細(xì)表

改造后外墻傳熱系數(shù)小于0.8 W/(m2·K)、外窗傳熱系數(shù)小于2.2 W/(m2·K)、樓頂傳熱系數(shù)小于0.5 W/(m2·K),符合《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》要求。

2.3 商場(chǎng)空調(diào)系統(tǒng)改造概況

2.3.1 空調(diào)系統(tǒng)及其改造概況

商場(chǎng)原有空調(diào)系統(tǒng)采用的是二管制全空氣系統(tǒng),末端采用吊裝式空氣處理機(jī)組和散流器;冷熱源采用的是冷水機(jī)組+電熱水鍋爐集中供冷供熱,冷凍水設(shè)計(jì)進(jìn)出水溫為12/7 ℃,熱水進(jìn)出水溫為50/60 ℃。冷卻塔位于三樓樓頂。改造前制冷裝機(jī)總?cè)萘繛? 386 kW,鍋爐裝機(jī)總?cè)萘繛? 094 kW。

改造后空調(diào)系統(tǒng)不再采用單一冷熱源,而是根據(jù)需求不同采取水冷(熱)集中式+多聯(lián)機(jī)獨(dú)立控制相結(jié)合。多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)用于區(qū)域④,其室外機(jī)制冷/制熱裝機(jī)總?cè)萘繛?85 kW/650 kW,室內(nèi)/外機(jī)配比為108.06%,空調(diào)面積為0.38萬m2。其他區(qū)域使用2臺(tái)冷水機(jī)組和2臺(tái)電熱水鍋爐集中供冷供熱(下文簡(jiǎn)稱:水系統(tǒng)),空調(diào)面積約為2.42萬m2,冷水機(jī)組制冷裝機(jī)總?cè)萘考s為4 924 kW,電熱鍋爐制熱裝機(jī)總?cè)萘繛? 000 kW,空調(diào)系統(tǒng)末端由全空氣系統(tǒng)改為風(fēng)機(jī)盤管+獨(dú)立全熱新風(fēng)。

相對(duì)于改造前,改造后有如下三點(diǎn)改進(jìn):

(1)改造后制冷、制熱總裝機(jī)量分別降低了1 877 kW、444 kW,可以有效的降低包括泵、管道等暖通設(shè)備的損耗,降低運(yùn)行成本。

(2)相對(duì)吊裝空氣處理機(jī)組,首先風(fēng)機(jī)盤管體型小,布置靈活,降低對(duì)室內(nèi)裝修效果的影響,第二,風(fēng)機(jī)盤管噪音小,降低對(duì)消費(fèi)者購(gòu)物行為的影響。

(3) 增設(shè)全熱新風(fēng)換氣機(jī),有效降低空調(diào)能耗。

2.3.2 各部分改造投資情況

各部分改造投資費(fèi)用如表2所示,改造費(fèi)用總計(jì)480萬元,各項(xiàng)目投資費(fèi)用如表2。

表2 各改造項(xiàng)目投資表

其中項(xiàng)目1包含多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)整體新購(gòu)及安裝費(fèi)用;項(xiàng)目2包含制冷機(jī)組設(shè)備維修及制冷劑充注、冷卻水泵和冷凍水泵的維修以及機(jī)房管路的清洗與更換;項(xiàng)目3包括2臺(tái)電熱水鍋爐的、控制柜、2臺(tái)熱水泵、軟水裝置及管路等設(shè)備的新購(gòu)與安裝;項(xiàng)目4包括風(fēng)機(jī)盤管、新風(fēng)系統(tǒng)的購(gòu)置與安裝、商場(chǎng)內(nèi)管路的清洗、更換保溫及對(duì)應(yīng)輔材;項(xiàng)目5其他包括企業(yè)管理費(fèi)、工人工資等。

2.4 改造后的商場(chǎng)熱環(huán)境測(cè)試

記錄8月27～28日,1月8～9日商場(chǎng)各區(qū)域的人流量、溫度,見圖2所示。

圖2 冬季供暖區(qū)域人員、溫度的時(shí)間曲線

圖3 商場(chǎng)全年能耗統(tǒng)計(jì)圖(2021年8月～2022年7月)

商場(chǎng)各區(qū)域濕度保持在45%～60%之間。夏季室溫為24～28 ℃且溫度隨樓層增加而降低,冬季室溫為18～24 ℃且溫度隨樓層增加而降低升高,滿足暖通系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

2.5 改造后能耗記錄

商場(chǎng)改造后,記錄電表數(shù)據(jù),其中商鋪電表記錄商鋪(區(qū)域①②③⑤⑥)內(nèi)所有電器的總用電量,盒馬鮮生電表記錄盒馬鮮生商超內(nèi)所有電器的總用電量,集中空調(diào)機(jī)房電表記錄冷水機(jī)組、電熱鍋爐、空調(diào)用泵及機(jī)房?jī)?nèi)照明和風(fēng)扇用電量。計(jì)量時(shí)間從2021年8月～2022年7月。

上圖為全年耗電量堆積柱狀圖,其中4月和11月機(jī)房?jī)?nèi)除照明和換氣設(shè)備運(yùn)行外,冷水機(jī)組、電熱鍋爐及泵關(guān)停。因此兩月平均值作為空調(diào)系統(tǒng)關(guān)閉后水系統(tǒng)能耗基準(zhǔn)值進(jìn)行計(jì)算。其計(jì)算公式如下

Qi月水系統(tǒng)用電量=Qi月商鋪用電量-Q4月、11月商鋪用電量平均值+

Qi月冷水機(jī)組、電熱鍋爐和泵用電量

多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)按實(shí)際溫度運(yùn)行,12月至次年2月基本未開啟。因此以12月、1月、2月月平均值為基準(zhǔn)月能耗,計(jì)算其全年能耗。

全年各月能耗計(jì)算公式如下

Qi月多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)用電量=Qi月盒馬鮮生用電量-Q12月,1月,2月盒馬鮮生用電量平均值

上兩式計(jì)算結(jié)果如圖4。

圖4 水系統(tǒng)、多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)各月計(jì)算能耗圖(2021年8月～2022年7月)

水系統(tǒng)冬季1月耗電量最大,為248 428 kW·h,夏季7月耗電量最大,為264 979 kW·h,全年能耗為1 570 295 kW·h。盒馬鮮生內(nèi)部冷鏈展柜較多,主要采用一體式空調(diào)柜,壓縮機(jī)及冷凝器位于設(shè)備下部,運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生大量熱量,加之內(nèi)部餐飲的產(chǎn)熱,使得冬季空調(diào)未開啟時(shí),溫度平均值達(dá)到19.3 ℃。而這部分熱量在夏季嚴(yán)重增加該區(qū)域的耗冷,夏季8月空調(diào)能耗最高,達(dá)到了95 172 kW·h,全年能耗為420 700 kW·h。

3 EnergyPlus模擬分析

3.1 模型參數(shù)輸入

商場(chǎng)建模不同于一般住宅建模,具有空間大、房間多等特點(diǎn),因此在建模時(shí)首先要對(duì)房間進(jìn)行簡(jiǎn)化分類,將整個(gè)商場(chǎng)分為四個(gè)熱區(qū),熱區(qū)Ⅰ包含區(qū)域①②,熱區(qū)Ⅱ包含區(qū)域③,熱區(qū)Ⅲ包含區(qū)域④,熱區(qū)Ⅳ包含區(qū)域⑤⑥[10]。EnergyPlus具體參數(shù)如表3所示。

改造后區(qū)域④由多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)提供冷熱源,其他區(qū)域仍由冷水機(jī)組+電熱鍋爐提供冷熱源。模擬時(shí)不考慮長(zhǎng)時(shí)使用造成的管道損失。

3.2 模型驗(yàn)證

改造后水系統(tǒng)全年能耗模擬值為1 690 544 kW·h,全年實(shí)際能耗為1 590 245 kW·h,誤差為5.9%,多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)全年能耗模擬值為390 824 kW·h,全年實(shí)際消耗電量為420 700 kW·h,誤差為7.12%。造成結(jié)果存在誤差的原因主要分為以下兩個(gè)方面:

(1)設(shè)備參數(shù)輸入:商場(chǎng)用電設(shè)備復(fù)雜多樣,難以全部輸入;

(2)人員行為模式輸入:商場(chǎng)空調(diào)運(yùn)行時(shí)間由人員視具體情況進(jìn)行操作,運(yùn)行時(shí)間存在不確定性,其次,受疫情影響,導(dǎo)致商場(chǎng)無法正常營(yíng)業(yè),導(dǎo)致運(yùn)行能耗低。

水系統(tǒng)和多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)能耗模擬值與實(shí)際值的差值分別為5.9%、7.12%,低于10%[11],其次改造前后非空調(diào)用電設(shè)備參數(shù)保持一致,抵消輸入?yún)?shù)不確定對(duì)計(jì)算帶來的影響,便于討論空調(diào)改造對(duì)能耗的影響,因此仿真模擬的精度對(duì)本文所研究的問題是可行的。

3.3 模擬結(jié)果分析

改造前商場(chǎng)空調(diào)全年能耗模擬值為3 580 431 kW·h。數(shù)據(jù)對(duì)比如圖5。

圖5 改造前后全年能耗模擬計(jì)算對(duì)比圖

(1)除七月外各月能耗改造后明顯降低,改造前后空調(diào)設(shè)備軸功率對(duì)比如表4。

表4 軸功率對(duì)比表

表4表明改造后冷(熱)源總軸功率比改造前降低了1 438.5 kW,熱源軸功率改造前后分別比冷源設(shè)備軸功率高717 kW、38 kW。上述數(shù)據(jù)與圖5改造前后能耗變化趨勢(shì)相同,冬季單月空調(diào)能耗高于夏季單月空調(diào)能耗,與冷熱源軸功率相對(duì)大小一致;

(2)改造后冷水機(jī)組夏季實(shí)際用電量為505 996 kW·h,機(jī)組一號(hào)機(jī)使用階段內(nèi)累計(jì)運(yùn)行t1為1 071 h,二號(hào)機(jī)累計(jì)運(yùn)行t2為823 h,理論最大用電量為1 043 770 kW·h,實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷為理論最大負(fù)荷的55.54%,螺桿機(jī)最佳運(yùn)行負(fù)荷為最大負(fù)荷的30%～60%之間[12]。12、1、2月用電量數(shù)據(jù)證明,多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)供熱效率遠(yuǎn)高于電熱鍋爐。

3.4 基于模擬計(jì)算的后期運(yùn)行改進(jìn)建議

結(jié)合本文2.4節(jié)人數(shù)與溫度數(shù)據(jù),對(duì)項(xiàng)目后期運(yùn)營(yíng)提出以下改進(jìn)建議,區(qū)域⑤為教育培訓(xùn)區(qū),根據(jù)圖2人數(shù)統(tǒng)計(jì)可以看出,在十二點(diǎn)半之前,區(qū)域⑤每小時(shí)平均人數(shù)僅為50人,造成冬季供熱能耗的浪費(fèi)?？紤]二樓餐飲對(duì)三樓溫度的影響,將三樓空調(diào)單獨(dú)設(shè)置運(yùn)行時(shí)間(12:00～21:00)。三樓區(qū)域⑤平均溫度如圖6。

圖6 優(yōu)化設(shè)計(jì)后區(qū)域⑤平均溫度曲線圖

圖6數(shù)據(jù)表明隨著陽光照射,區(qū)域⑤溫度開始上升,到9點(diǎn)其他區(qū)域空調(diào)開啟后,溫度基本維持在15℃,影響人群較少,影響程度較低。12:00隨著空調(diào)開啟室內(nèi)溫度快速上升,此時(shí)依據(jù)圖2表明該區(qū)域人數(shù)上升到220人,將溫度對(duì)購(gòu)物影響降至最低。通過EnergyPlus計(jì)算,該方案每年可降低取暖用電量2.79×104kW·h,折算電費(fèi)2.04萬元。

4 改造后節(jié)能減排分析

(1)全年費(fèi)用計(jì)算

C年度費(fèi)用=Q年度用電量×C平均電費(fèi)單價(jià)

式中Q年度用電量——商場(chǎng)全年模擬用電量;

C平均電費(fèi)單價(jià)——該商場(chǎng)2022年1月～8月平均電費(fèi)單價(jià)(單一制1～10 kV)為0.729 6元/kW·h。

(2)靜態(tài)投資回收期計(jì)算

式中C空調(diào)改造總投資費(fèi)用——表2(各改造項(xiàng)目投資表)計(jì)算得出,為480萬元。

(3)碳排放差值計(jì)算

ΔM全年碳排放量=ΔQ′年度用電量×i

式中Q′年度用電量——商場(chǎng)全年模擬用電量;

i——華中單位供電平均碳排放系數(shù)[13],0.801 kg/kW·h。

節(jié)能減排計(jì)算結(jié)果如表5。

表5 電費(fèi)及碳排放計(jì)算表

5 結(jié)論

本文以武漢市某既有商場(chǎng)改造為例,首先從圍護(hù)結(jié)構(gòu)、冷熱源和空調(diào)末端等方面詳細(xì)闡述改造內(nèi)容,其次搭建EnergyPlus模型,通過實(shí)際值與模擬值分析模型準(zhǔn)確度,最后計(jì)算節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析并提出優(yōu)化方案。根據(jù)上述研究,本文得出以下結(jié)論:

(1)在改進(jìn)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能的同時(shí),降低空調(diào)裝機(jī)量設(shè)計(jì)裕度,使得機(jī)組處于合理的負(fù)荷下有效地降低能耗;

(2)對(duì)仍處于使用年限的空調(diào)設(shè)備,設(shè)備利舊可以有效降低工程的投資回報(bào)期,例如制冷量1 231 kW的離心式冷水機(jī)組市場(chǎng)報(bào)價(jià)約為80～120萬遠(yuǎn)高于本文整體的機(jī)房改造費(fèi)用;

(3)冷水機(jī)組+多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)可以有效地滿足商場(chǎng)功能多樣化帶來特定的空調(diào)運(yùn)營(yíng)溫度及時(shí)間,同時(shí)有效的降低商場(chǎng)能耗,多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)冬季供熱效率遠(yuǎn)高于由中央機(jī)房的電熱鍋爐提供熱源的方式;

(4)改造后室內(nèi)溫度全年處于較為舒適的范圍內(nèi),對(duì)比模擬的能耗數(shù)據(jù),計(jì)算可得每年商場(chǎng)空調(diào)系統(tǒng)可減少二氧化碳的排放量0.12萬t,投資回報(bào)期4.39年,證明了該改造的節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)依據(jù)收集的人數(shù)、溫度等數(shù)據(jù)證明改進(jìn)商場(chǎng)空調(diào)運(yùn)營(yíng)時(shí)間可以在滿足溫度對(duì)購(gòu)物行為影響最小的前提下降低運(yùn)營(yíng)成本。