上海某醫院在圍護結構方面的節能改造分析

張宇涵 顧平道

東華大學環境科學與工程學院

根據住房和建設相關部門的預算，到21世紀30年代，我們國家的建筑能源消耗量將會占到能源消耗總量的35%左右[1]。醫院建筑是我國公共建筑的重要組成部分，醫院設施的能源消耗一般是其他建筑設施的3～4倍，而醫院建筑能源消耗約占醫院能源消耗總量的27%[2]。因此，對建筑材料和外圍護結構進行優化和改造對于建筑節能是非常有必要的，對我國的能源節約也是非常有意義的。本文通過對工程案例的分析，結合實際參數，利用eQUEST能耗模擬軟件，對既有建筑進行建模，模擬計算了該建筑的全年空調能耗，并做出經濟性分析，得出每項改造的最優方案，與原始方案進行對比。

1 研究內容

1.1 系統概述

本文以上海某醫院門診樓改造項目工程為對象，根據建筑的圍護結構特點，分析其節能改造的方向，并設計了幾種可行的節能方案。以原始建筑為基礎，以外墻、屋面、外窗為變量，分別模擬計算了該建筑的全年建筑能耗，并做出經濟性分析，計算回收期，得出每項改造的最優方案。最終確定最優方案，分析空調總能耗節能率，為夏熱冬冷地區針對圍護結構的節能改造提供理論參考。

1.2 圍護結構概況

該工程的圍護結構改造規劃包括：屋面改造、外墻改造和外窗的改造。改造前的圍護結構主要構造特性參數見表1。

表1 圍護結構部分結構參數表

本課題設定制冷時間為每年5月1日～9月30日。制熱時間設定為12月1日～2月28日。其中，大廳、急診室、輸液室、值班室等急診區域及其配套設施區域考慮全天開啟。人員密度客觀數據以實際調研作為參考，室內空調溫度分別為：夏季26℃，冬季19℃。

2 圍護結構模型建立

2.1 氣象參數設置

在eQUEST的項目信息設置中，在可供選擇的項目位置中并沒有中國，所以無法選擇中國的氣象參數。天氣文件格式為BIN文件，可通過綠建研究院獲得該文件，也可通過軟件轉換 EnergyPlus 軟件天氣參數獲得。本項目所在地為上海。

2.2 模型簡化

在建模前，應充分考慮建模過程需要考慮的因素，并忽略掉與研究問題無關的一切因素，對模型進行簡化，這樣不僅節省了建模的時間，還能更加清晰的得出所需的結果。

本模型的簡化方式有：1）室內設計參數相同的房間，如辦公室、診療室等設為同區。2）走廊等公共區域設為同區。3）不需要空調的區域設為同區。

2.3 模型建立

具體的項目信息等參數設置完成后，把描好的CAD 封閉底圖導入 eQUEST，然后設置建筑層高、朝向等一系列參數。之后再進行功能區的劃分，并設置空調區域、非空調區域，是否有中庭等。依據建筑的CAD圖紙建立建筑的幾何模型。

3 圍護結構改造方案與模擬分析

3.1 原始模擬的能耗

eQUEST可模擬得到建筑全年8760 h的能耗。但醫院建筑各功能房間使用空調的時間會有所不同，特別是醫院急診會全天運行，因此，依據空調的運行實際情況來處理模擬數據，得到原始建筑的全年空調能耗數據，見表2。

表2 原始模型全年空調能耗

3.2 外墻節能改造分析

本節研究建筑外墻結構中不同厚度的保溫層對醫院建筑的能耗影響，保溫材料選取模塑聚苯板（EPS板）。改造方案的墻體構造主要有基層墻體 +砂漿找平層+保溫層+保護層+飾面層，主要構造及參數見表3。

表3 墻體主要構造方案

以原始建筑為對照，利用eQUEST軟件分別模擬得到各改造方案的能耗數據，見表4。

表4 外墻改造方案全年能耗

分析得到，原方案與改造方案相比，MS1、MS2、MS3這三種設計方案的全年累計空調能耗分別減少了3.44%、3.81%、4.39%，全年空調制熱能耗分別減少了8.21%、9.11%、10.48%，但全年空調制冷能耗反而增加了0.80%、0.89%、1.02%。上海屬于夏熱冬冷地區，在過度季節和夏季，會出現室外溫度低于室內溫度的現象。因此，要通過增加保溫層去減少室內的冷負荷的方法并不會有很大的效果，反之，有時還會出現反面的效果，會造成冷負荷增加的現象發生。增加保溫的方案，使制熱能耗降低量遠比制冷能耗增加的量多，并且增加保溫層也能有效地降低建筑的峰值冷負荷，從而減小設備的設計容量，故該方案對降低全年的空調負荷仍有良好的效果[3]。

3.3 屋面節能改造分析

由于本醫院建筑為三層建筑，頂層房間的能耗占總建筑的比例較大，因此，建筑頂層的保溫性能直接影響著整個建筑的能耗。原方案屋面主體為鋼筋混凝土+水泥砂漿，改造方案的墻體構造主要有結構層+找平層+防水層+保溫層+找平層+保護層+飾面層，屋面改造主要構造及參數見表5。

表5 屋面主要構造方案

以原始建筑為對照，利用 eQUEST 軟件分別模擬得到各改造方案的能耗數據，見表6。

表6 屋面改造方案全年能耗

方案R1、R2、R3的全年制冷能耗分別減少了19.70%、20.30%、20.82%，全年制熱能耗分別減少了14.70%、15.14%、15.52%，全年空調能耗分別減少了17.35%、17.88%、18.33%。由節能效果可知，屋面保溫對該建筑制冷能耗影響大于對制熱能耗的影響，且全年空調能耗降低明顯。由于該建筑僅為三層，屋面的保溫改造對整個建筑的能耗影響較大[4]。

3.4 外窗節能改造分析

相對于圍護結構其他部分，建筑外窗的傳熱系數大，氣密性差，透光性等特點，造成了通過門窗損耗的熱量最大，因此其節能潛力最大。原外窗玻璃為6 mm厚普通透明玻璃，本文選擇熱反射膜和 LOW-E雙層玻璃做出對比分析，表7列出了幾種常用中空玻璃改造方案。

表7 窗戶改造方案

以原始建筑為對照，利用 eQUEST軟件分別模擬得到各改造方案的能耗數據，見表8。

表8 窗戶改造方案全年能耗

方案WR1、WR2、WR3全年制冷能耗分別減少了0.06%、1.68%、1.74%，全年制熱能耗分別減少了0.3%、8.01%、8.29%，全年累計空調能耗分別減少了0.17%、4.66%、4.82%。由不同窗戶玻璃的材質造成的全年能耗數據表8分析，外窗的傳熱系數依然是影響建筑全年能耗的主要因素。同時，對全年空調能耗的是有一定的節能作用的。由WR2和WR3方案分析，兩種方案的節能率相差較小，本文推薦使用WR2方案。

4 經濟性分析

4.1 外墻改造經濟性分析

由模擬數據分析，不同的保溫層厚度都有節能效果，在此對其做經濟性分析，選用更經濟的保溫層厚度，對于夏熱冬冷地區的醫院建筑更具有經濟性。本文不考慮資金隨時間波動的值，通過計算靜態投資回收期對各節能方案進行評價。靜態投資回收期是指以投資項目經營凈現金流量抵償原始總投資所需要的全部時間[5]。靜態投資回收期可根據式（1）計算。

式中：K為投資總額；Bt為第t年的收入；Ct為第t年的支出（不包括投資）；NBt為第t年的凈收入，NBt=Bt-Ct；Tφ為投資回收期。

各外墻改造方案的消耗保溫材料數量，全年能耗費用及投資回收期計算結果見表9。咨詢價格，E PS板240元/m3，其他輔材及施工費用為72元/m2。外墻面積共計為1582m2。原使用空調系統為分體式空調，在此選擇一級能耗的最低限制COP=3.3作為計算數據。但在冬季制熱時，由于室外環境溫度的降低，制熱效果會有所衰減，在室外溫度降到2℃時，家用空調器的制熱量會衰減28%左右[6]，在此，綜合上海天氣條件，取制熱能效比均值為2.84作為計算依據。電費按1元/kWh計算。

表9 外墻保溫方案回收期

由表9計算結果分析可得，相對而言，MS3方案的回收期相對較短，而且MS3方案的保溫效果最好，而且方案MS3的節能率可達到4.39%，更符合節能建筑的要求。因此，外墻保溫方案推薦使用60mm厚保溫層。

4.2 屋面改造經濟性分析

各屋面改造方案的消耗保溫材料數量，全年能耗費用及投資回收期計算結果見表10。咨詢價格，EPS板240元/m3，其他輔材及施工費用為72元/m2。屋面面積共計為920m2。原分體式空調的COP取3.3，電費按1元/kWh。

表10 屋面保溫方案回收期

由表10計算結果分析可得，相對外墻的改造，屋面改造的回收期要短得多。由于屋面的改造對頂層建筑的空調負荷影響最大，而對于層數較少的建筑，頂層建筑的能耗占有全建筑能耗的比例更大，因此，屋面的改造對低層建筑的能耗有重要的影響。對屋面三種不同厚度的保溫層的改造方案，回收期相差不大，反而保溫層厚度較小的R1方案的回收期更短。同時，保溫需滿足《公共建筑節能設計標準》的要求，外墻保溫方案推薦使用60mm厚保溫層。

5 圍護結構優化方案與結論分析

通過對圍護結構的改造方案進行模擬分析，并計算回收期限，綜合分析后，最終改造方案確定為方案MS3+R2+WR2，利用eQUEST模擬并得到改造方案的能耗結果，如表11。

表11 優選方案全年能耗

圖1 優選方案節能率

由表11可知，優選方案的全年空調能耗相比原始方案節能26.6%，全年空調制冷能耗節省19.1%，全年空調制熱能耗節省33.6%。由此可見，圍護結構加強保溫效果對冬季制熱的節能效果更顯著。圍護結構的節能改造是十分有必要的，節能效果比較顯著，在建筑節能改造中的節能潛力較大。

6 結語

建筑圍護結構和暖通空調系統是建筑節能的關鍵，二者之間又是相互影響，相輔相成的。圍護結構所消耗的空調能耗是空調總能耗的重要部分，一般占空調總能耗的10%～32%。暖通空調系統的節能主要靠降低建筑冷、熱負荷而使室內達到適宜的溫濕度，而降低冷、熱負荷應從建筑圍護結構入手。本文從建筑外墻因素，屋面因素，門窗因素三方面模擬案例工程的全年建筑能耗，來分析圍護結構改造在建筑節能上的效果。