夏熱冬冷區(qū)醫(yī)院建筑能耗模擬與分析

楊瑞，周建民 （同濟(jì)大學(xué)建筑工程系，上海 200092）

0 前言

建筑能耗是綠色建筑評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)，本文指建筑運(yùn)行能耗。醫(yī)院是我國公共建筑的重要組成部分，也是能耗較大的建筑類型。相較其他公共建筑，醫(yī)院建筑功能較為復(fù)雜，人流量大，能耗強(qiáng)度是一般公共建筑的兩倍，具有巨大的節(jié)能潛力[1-2]。能耗控制是醫(yī)院建筑普遍存在的問題，當(dāng)今環(huán)保形勢(shì)下，節(jié)能減排是醫(yī)院的重要目標(biāo)。借助建筑能耗仿真軟件針對(duì)運(yùn)行能耗進(jìn)行預(yù)測(cè)與評(píng)估，可以保證建筑在運(yùn)行中更好地達(dá)到節(jié)能效果。

醫(yī)院建筑功能較多，結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，醫(yī)療衛(wèi)生設(shè)施類型多樣。同時(shí)，醫(yī)院用能時(shí)間長、用量大，供能環(huán)境復(fù)雜，對(duì)醫(yī)療環(huán)境要求高，提前供暖、延期供暖層出不窮，管理困難。這均導(dǎo)致醫(yī)院建筑能耗模擬相對(duì)于辦公、商場(chǎng)等，建模更為復(fù)雜，模擬相對(duì)比較繁復(fù)。

本文借助PKPM綠色節(jié)能軟件，以上海某醫(yī)院門診綜合樓為例，模擬計(jì)算其全年空調(diào)及采暖能耗，介紹醫(yī)院建筑能耗模擬過程，針對(duì)模擬過程中的一些問題進(jìn)行解答，并參照《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50378-2014）[3]與上海市《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(DGJ08-107-2015)[4]對(duì)該建筑節(jié)能效果做出評(píng)價(jià)，以便對(duì)其他醫(yī)院建筑能耗模擬給出一定的參照。

1 PKPM軟件介紹

PKPM建筑節(jié)能分析軟件由中國建筑科學(xué)研究院開發(fā)，其中的能耗模擬分析模塊PKPM-Energy基于著名能耗軟件DOE-2內(nèi)核，計(jì)算功能強(qiáng)大；可視化界面基于AutoCAD軟件，可直接從建筑施工圖等設(shè)計(jì)圖紙中提取建筑模型，簡單快捷。PKPM-Energy圍護(hù)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫類型齊全，能夠反映建筑各構(gòu)件的真實(shí)熱工性能；結(jié)合項(xiàng)目所在氣候分區(qū)及全年氣象數(shù)據(jù)，能夠計(jì)算各構(gòu)件分項(xiàng)負(fù)載，對(duì)實(shí)際建筑以及對(duì)比建筑進(jìn)行全年8760h的逐時(shí)能耗分析，給出相對(duì)節(jié)能率，評(píng)估建筑能效等級(jí)。

2 項(xiàng)目概況

該項(xiàng)目位于上海市浦東新區(qū)，建筑用途門診綜合樓，屬二級(jí)綜合性醫(yī)院，氣候分區(qū)夏熱冬冷區(qū)，建筑朝向南偏東21.6°，框架結(jié)構(gòu)，總建筑面積29553.16m2，地上建筑面積為19950m2，上部共5層，地下2層，層高匯總表見表1，建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)造見表2。

層高匯總表 表1

3 模擬計(jì)算過程及結(jié)果

3.1 建模

PKPM-Energy具有模型導(dǎo)入功能，分為平面圖紙導(dǎo)入以及三維模型導(dǎo)入。本工程利用建筑施工圖，直接從AutoCAD圖紙中提取建筑模型，并對(duì)此進(jìn)行修正得到。醫(yī)院建筑結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在導(dǎo)入之前，須先針對(duì)建筑平面圖進(jìn)行整理，歸并門、窗、墻、幕墻、柱等線型，閉合外墻線，繪制門窗表，校對(duì)建筑朝向，繪制指北針，以便軟件能夠快速準(zhǔn)確地識(shí)別，防止重要構(gòu)件不必要的缺失。

PKPM識(shí)別構(gòu)件并不完全準(zhǔn)確，需要與原有建筑圖進(jìn)行對(duì)比校正，確定幕墻位置與邊界，門、窗等構(gòu)件位置，保證模型的真實(shí)性與準(zhǔn)確性。圖1為PKPM環(huán)境下的該建筑其中一層標(biāo)準(zhǔn)層的平面圖。建模后需指定墻、門、窗、幕墻信息，確定房間功能，編輯樓板狀態(tài)，設(shè)置屋頂，建立計(jì)算模型。房間功能應(yīng)與實(shí)際建筑的區(qū)域功能一致，并據(jù)此確定房間空調(diào)采暖溫度、照明、空氣換氣指數(shù)等參數(shù)，保證全年能耗計(jì)算的準(zhǔn)確性。該項(xiàng)目房屋用途劃分及相關(guān)參數(shù)設(shè)置如表3所示。

不同部位材料做法 表2

醫(yī)院建筑相關(guān)參數(shù) 表3

模型建立完成，設(shè)置相關(guān)參數(shù)，填寫項(xiàng)目信息，輸入圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料參數(shù)，依照表2所述構(gòu)件做法設(shè)置圍護(hù)結(jié)構(gòu)。編輯結(jié)束后，根據(jù)表1，組裝標(biāo)準(zhǔn)層，生成建筑三維模型（見圖2），并再次進(jìn)行查看與校對(duì)，直至模型無誤。該建筑軸測(cè)圖如圖2所示。

圖1 某標(biāo)準(zhǔn)層平面圖

圖2 建筑軸測(cè)圖

3.2 耗能設(shè)備選型

耗能設(shè)備主要包括兩類，一類是照明系統(tǒng)，一類是暖通空調(diào)系統(tǒng)，均應(yīng)根據(jù)建筑實(shí)際使用需求進(jìn)行選型設(shè)置。本項(xiàng)目為醫(yī)院建筑，病人身體較為虛弱，對(duì)于光照以及溫度需求較常人更高，選用3臺(tái)單元式熱泵機(jī)組，單體機(jī)組的制熱量為1263.0kW，制冷量為1251.0kW，機(jī)組制熱性能系數(shù)為3.20，制冷性能系數(shù)為3.20。其中，參照建筑熱源采用鍋爐，鍋爐效率設(shè)置為88%；冷源選用冷水機(jī)組，冷水機(jī)組的性能系數(shù)參照標(biāo)準(zhǔn)《建筑能效標(biāo)識(shí)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ/T 288-2012）表B.0.4[5]選取。

3.3 計(jì)算條件設(shè)置

該建筑位于上海地區(qū)，氣候分區(qū)屬于夏熱冬冷區(qū)，室內(nèi)計(jì)算溫度、照明功率密度、人員密度等依照房間不同，設(shè)置不同，具體可參照表3。室外氣象計(jì)算參數(shù)采用典型氣象年，上海地區(qū)氣象參數(shù)從PKPM自帶數(shù)據(jù)庫中調(diào)用，不需重新輸入。

3.4 計(jì)算結(jié)果分析

PKPM能耗模擬計(jì)算結(jié)果主要包括負(fù)載計(jì)算結(jié)果以及能耗計(jì)算結(jié)果兩部分。其中，負(fù)載計(jì)算結(jié)果主要包括各構(gòu)件負(fù)載分布與逐月負(fù)載分布；能耗計(jì)算主要為建筑全年能耗。計(jì)算結(jié)果如圖3～6所示。

經(jīng)過圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能動(dòng)態(tài)計(jì)算，對(duì)于設(shè)計(jì)建筑，針對(duì)空調(diào)采暖而言，外窗負(fù)荷遠(yuǎn)較其他部位為高；針對(duì)采暖部位，各構(gòu)件負(fù)荷較為接近；總體來看，外窗負(fù)荷較其他部位負(fù)荷為高；建筑逐月負(fù)荷合乎預(yù)期，12月、1月、2月建筑總負(fù)荷與7月、8月建筑總負(fù)荷較為接近，分布合理；全年供暖負(fù)荷與全年空調(diào)負(fù)荷較為接近；主要能耗由空調(diào)能耗產(chǎn)生，約占總能耗的81.2%。

圖3 各構(gòu)件負(fù)荷圖

圖4 建筑負(fù)荷逐月分布圖

相對(duì)于參照建筑，設(shè)計(jì)建筑全年供暖負(fù)荷及全年空調(diào)負(fù)荷均較為接近，全年計(jì)算負(fù)荷降低幅度為0.73%，全年空調(diào)機(jī)組能耗較高，全年供暖機(jī)組能耗很少，總能耗較參照建筑略低，系統(tǒng)能耗降低幅度為2.3%。根據(jù)《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50378-2014)規(guī)定，該門診綜合樓滿足綠色建筑基本要求，但是空調(diào)能耗較高，總能耗降低幅度有限，綜合來看，該醫(yī)院建筑在空調(diào)能耗方面仍需要較大的改進(jìn)。

圖5 全年建筑負(fù)荷分布圖

圖6 全年建筑能耗分布圖

4 結(jié)論

①整體而言，PKPM建筑節(jié)能分析軟件有著簡單、穩(wěn)定、靈活方便的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)計(jì)算結(jié)果也較為準(zhǔn)確，能夠?yàn)榻ㄖ?jié)能在我國的進(jìn)一步推進(jìn)提供一個(gè)比較好的平臺(tái)。

②本文通過上海浦東新區(qū)某醫(yī)院門診綜合樓實(shí)際案例分析，模擬計(jì)算了其全年空調(diào)及采暖能耗。本次模擬分析計(jì)算結(jié)果表明，該建筑能耗值均在合理范圍內(nèi)，根據(jù)《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50378-2014），該門診綜合樓達(dá)到綠色建筑要求。

③該建筑相對(duì)于參照建筑，設(shè)計(jì)建筑全年供暖負(fù)荷及全年空調(diào)負(fù)荷均較為接近，全年計(jì)算負(fù)荷降低幅度為0.73%；全年空調(diào)機(jī)組能耗較高，全年供暖機(jī)組能耗很少，總能耗較參照建筑略低，系統(tǒng)能耗降低幅度為2.3%，在空調(diào)能耗仍需要較大的改進(jìn)。