苏北地区既有公共建筑节能改造集成技术研究

虽然我国自 1986 年就开始推行建筑节能工作，但有数据显示，目前全国每年城乡新建房屋建筑面积近 20 亿 m2，其中 80% 以上仍为高耗能建筑。截至目前，我国存在的高耗能建筑面积要以百亿平方米来计，照此计算，2020 年以后，建筑能耗将超过我国终端能耗的 1/3。既有建筑量大面广，能耗浪费惊人。（参考《》）        公共建筑是指非民用的所有建筑的统称，根据其建筑面积的不同，又可分为:大型公共建筑(单栋建筑面积超过 2 万 m2 且配备中央空调)，如综合商厦、高档办公楼、宾馆等;一般公共建筑(单栋建筑面积小于 2 万 m2，或者面积超过 2 万 m2 但是未配备中央空调)，如普通办公楼、教学楼等。据有关资料统 计，截 至 目 前，我 国 公 共 建 筑 总 量 达 到53 亿 m2，占全国各类建筑总面积的 27% ，其中，大型公共建筑占 11%，一般公共建筑占 16%，其建筑能耗占各类建筑能耗值分别达到4%和19%［1］。因此，开展既有公共建筑的节能改造集成技术研究并推广应用，对于实现我国节能减排工作目标显得尤为迫切与重要。        1 苏北地区气候条件        苏北地处淮河流域，属于寒冷地区，习惯上也称为采暖地区。该地区气候欠佳，是世界同纬度中气候条件较差的地区之一。以徐州地区为例，其位于东经 116°22′ ～118°40′，北纬 33°43′ ～ 34°58′，为苏鲁豫皖四省接壤地区，年日平均气温低于 5 ℃的天数可达 97 d，为建筑采暖区。采暖期平均温度为16 ℃，采暖度日数为1 574度日，夏季高于日平均气温 26 ℃的天数多达 49 d，持续时间长，冬夏相加共146 d，占全年天数的 40%［2］。较差的气候条件直接导致采暖与空调能耗的增加，该地区既有公共建筑能耗十分严重，节能改造势在必行，同时潜力巨大。        2 既有公共建筑能耗组成分析        为了有效地控制公共建筑的能耗，建设部、国家质量监督检验检疫总局联合发布了 GB 50189—2005《公共建筑节能设计标准》(以下简称标准)，并于 2005 年 7 月 1 日开始执行。该标准推出的目的是使新建、改建和扩建的公共建筑与 20 世纪 80 年代的公共建筑相比，在采暖、通风、空气调节和照明方面全年的总能耗要减少 50%［3］。        在公共建筑(特别是大型商场、高档旅馆酒店、高档办公楼等)的全年能耗中，大约 50% ～ 60% 消耗于空调制冷与采暖系统，20% ～ 30% 用于照明。而在空调采暖这部分能耗中，大约 20% ～50% 由于外围护结构传热所消耗(寒冷地区约为 40%)。因此，公共建筑节能 50% 的任务将由建筑围护结构、采暖空调系统和照明设备 3 个方面来分担，而要实现建筑节能 65%甚至更高的要求，还要综合建筑节水、自然资源利用等方面的集成技术。研究人员在对某大院既有办公楼调查分析的基础上，对其能耗结构做了初步分析。        2. 1 围护结构能耗        调查显示，苏北地区既有公共建筑大部分为砖混结构体系(或局部框架结构体系)，围护结构构造处理做法通常为:1)墙体。采用实心黏土砖砌筑，厚 240 mm，内外各抹厚 20 mm 混合砂浆，传热系数K 值约为 1. 873 W/(m2·K)，远高于标准关于寒冷地区外墙传热系数的限值 0. 6 W/(m2·K)。2)屋面。不设保温层，房屋的热环境很差;冬季室内阴冷，气温大约为 4 ～5 ℃，低于标准的下限 12 ℃;夏季室内外几乎同温，远高于夏季室内舒适温度标准上限 28 ℃。3)门窗。大多为木门、钢窗，缝隙率很大，难以保证室内的环境质量(图 1)。                2. 2 采暖系统能耗        调查表明，由于设计、施工、运行管理等原因在采暖地区有些采暖系统存在缺乏必要的调节和计量手段、水力失调和热力失调严重、循环水泵按“大流量、小温差”方式运行、热源运行效率低等不节能因素，导致采暖系统能耗居高不下。据资料统计，在北方地区采暖能耗占建筑能耗的比例高达 50%。        2. 3 通风空调能耗        针对通风空调能耗，调查表明，能耗主要有冷机、水泵、风机电耗等构成，不同类型既有公共建筑的通风空调系统能耗在 13 ～45 kW·h/(m2·a)。造成如此差异的主要原因有:1)开启时间。与工作时间、室内环境控制要求等有关。2)系统形式。全空气系统风机电耗远高于风机盘管等空气 － 水系统。3)控制调节。在部分负荷下，如夏季夜间、春秋过渡季节，通风空调系统的调节策略和手段。        2. 4 建筑电气设备能耗        对于建筑电气设备能耗，调查表明，建筑电气设备能耗主要体现在以下几个方面:1)配电系统。配电系统由于电网容量与负荷不匹配、布局不合理等因素导致电能浪费巨大。2)配电变压器。大多为高能耗低效率型，由于多种原因导致未能及时更新，造成了大量电能浪费。3)空调设备。造成空调设备耗电严重的主要因素包括，多数空调能效比较低，缺乏对大型中央空调的设计、安装、运行管理的深度，缺乏对商用空调温度调控的认识等。4)照明设备。目前，多数既有公共建筑中的照明电器一般为普通荧光灯、普通白炽灯等非节能灯具，再就是照明控制系统设置的不合理导致耗能严重。        3 既有公共建筑节能技术及应用        一旦明确了既有公共建筑节能改造要在采暖、通风、空气调节和照明方面全年要减少 50% 或者更高的总能耗，那么如何针对这 3 个方面进行相应的节能改造、应用适应的节能技术就成了关键。        建筑节能技术由于地域、气候、生活习惯和建筑形式的差别，除了其基本理论和共同原则之外，是具有独特性的。有些在某一国家或某一地区行之有效的节能技术措施，用到另一国家或另一地区就可能毫无作用乃至起反作用。因此，针对当地独特的区域、气候、建筑风格等开展适应的节能技术研究探索是非常有必要的。研究人员立足苏北地区，针对既有公共建筑节能改造技术开展了一系列的相关调查研究，并进行了初步应用。        3. 1 围护结构节能技术改造        围护结构的保温性能和门窗的气密性是影响寒冷地区既有公共建筑能耗的主要内在因素之一。其中围护结构的传热热损失约占70% ～80%，门窗缝隙空气渗透的热损失约占20% ～30%。可见，围护结构保温性能的改进自然成为寒冷地区建筑节能工作的重点。外围护结构主要包括:外墙、门窗、屋面等。一般来讲，减少外墙传热有两种方法:一是严格控制体型系数，减少传热面积;二是增强外墙体的保温、隔热性能。外墙外保温技术是将保温隔热系统通过组合、组装、施工或安装，固定在外墙外表面上。对于既有建筑的节能改造来说，采用墙体外保温做法在技术上已经成熟(图 2、图 3)。                        3. 2 采暖系统节能技术改造        1)热源或热力站改造。采暖系统应采用热水作为热媒，热源宜改造为集中设置的热水机组或供热、换热设备;将原有的集中供热锅炉房替换为高效率节能锅炉，并应按系统实际负荷需求和运行负荷规律，合理配备锅炉容量和数量。        2)室内采暖系统改造。将原系统为垂直 － 水平单管顺流系统的，改造为在每组散热器的供回水管之间设跨越管的垂直 － 水平单管系统;原系统为水平双管系统时，每组散热器的供水支管上应设高阻力的两通恒温阀或高阻力手动调节阀，回水支管上应加装手动调节阀。        3)室外供热管网和建筑物热力入口的改造。更换室外供热管网损坏的管道、阀门及部件;修复已损坏的保温结构;进行严格的室外管网改造水力平衡计算，各并联环路之间的压力损失差值不应大于15%。        3. 3 通风空调节能技术改造        1)降低系统的设计负荷。        2)冷源和热源设备的选择。冷热源在中央空调系统中被称为主机，一方面因为它是系统的心脏;另一方面，它的能耗也是构成系统总能耗的主要部分。衡量冷水机组节能效果的重要指标是制冷性能系数 COP(Coefficient of Performance)值。它是指在其额定工况下的制冷量与其输入能量之比，标志着制取单位冷热量所需消耗的能量，在选择冷水机组时，力争保持较高的 COP 值。        3)空调系统监测与控制。建筑物空调系统运行的监测与自动控制对于节约能量及合理使用设备具有非常重要的意义。        3. 4 建筑电气节能技术改造        建筑电气节能技术改造主要包括以下内容:1)大力推广高效节能空调，采用能效比达 3. 0 ～3. 5 及以上的空调设备。2)积极推广蓄冷中央空调。利用电网低谷电力储存冷量，电网高峰时段释放冷量，不开或少开制冷机。3)减少民用空调待机损耗。空调待机损耗一般 3 ～5 W，如待机损耗降 1 ～2 W，可节约待机能耗60%;按照80%的使用率计算，全国民用空调可降低负荷 12 万 kW 以上;取空调负荷年运行300 h 计算，可节约电量 3 600万 kW·h。4)对中央空调采取组控、轮控的方式。在电网高峰期间对中央空调采取分组组控方式，每组每小时轮流停 15 min，同时率按 0. 5 计算，可转移高峰负荷375 万 kW以上。5)调整商用空调温度。目前，公共建筑场所在夏季空调温度一般在 24 ～25 ℃，适当调整温度，可以有效降低空调负荷;空调温度提高1 ℃，可降低负荷5% 以上。如商用空调温度调高1 ℃，可降低负荷150 万 kW 以上，实现空调节电15 亿 kW·h。6)加强对大型中央空调的设计、安装、运行管理，提高中央空调的运行效率。