既有大型公共建筑節能改造的可行性分析

毛澤琴

（重慶市設計院有限公司，重慶 400010）

1 引言

隨著我國社會經濟的發展，節能減排成為一項基本國策。在全社會總能耗中建筑物能耗占比達到25%，成為全國能源消耗的主要部分。在我國綠色發展理念的不斷深入過程中，既有建筑的暖通、給排水等系統中存在較為嚴重的能耗問題，這就要求積極對既有建筑進行節能改造，推動建筑綠色發展。

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，總建筑面積達到21 319 m2，建筑地上1～14層、15～21層分別為設計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，改造內容涉及空調等多個系統。

3 既有建筑能耗診斷

在既有大型公共建筑節能改造之前，對1～14層能耗進行診斷與分析，得出在冷源能耗中制冷機能耗占比超過80%，與常規空調系統制冷機相比，能耗更多。在100%額定負載下，機組在運行期間對電流進行測量，發現超過額定電流，機組制冷能力相對較低，低于50%，說明機組在運行期間出力已經不足。2016年，對制冷機組的能效比進行測試，發現測試工況下制冷機制冷系數（Coefficient of Performance，COP）、折算到額定工況下COP分別為3.31和3.75，未能達到節能標準。機組冷凝側端存在差異，但冷凝器傳熱正常，制冷機的COP較低，主要原因為水側積垢換熱不良、壓縮機在內的核心部件老化等。在工況測試中發現，在制冷機（1臺）與冷卻塔（2臺）開啟后，發現冷卻塔額定循環水量、冷卻水測試總流量、冷卻塔進水溫度、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℃，與設計水溫相比，進塔水溫僅高出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無法滿足實際需求，能耗相對比較嚴重。

4 既有大型公共建筑節能改造的可行性分析

4.1 背景

“十三五”時期確定發展理念為“創新、協調、綠色、開放、共享”，開啟中國“綠色發展”新篇章，堅持一條生態文明道路，加快建設資源節約型、環境友好型社會，為推動“美麗中國”建設提供支持。城市既有大型公共建筑能耗高，對生態環境影響較大，不利于城市的健康發展，因此，既有大型公共建筑的節能改造具有可行的背景。“雙碳”目標的提出，旨在讓中國實現碳達峰與碳中和。在2020年9月中國首次提出2030年“碳達峰”與2060年“碳中和”目標，為實現這一目標，城市發展必須積極轉型，推動既有大型公共建筑的節能改造。

4.2 技術應用

4.2.1 更換冷水機組

測試工況下制冷機COP、折算到額定工況下COP分別為3.31、3.75，未能達到節能標準。為讓COP達到節能平均值的5.60，需做好制冷機組的節能改造[1]。按照冷水機組實際情況，在現場開啟新風機組，建筑在夏季空調冷負荷大約為800 kW，因此，將冷水機組的制冷量選擇為800 kW，以此作為分析對象。冷水機組改造方案具體如表1所示。

新機組單臺制冷量、耗電量分別為800 kW、145 kW。冷水機組全年運行時間、每天運行時間分別為100 d、24 h。在電費計算時，可按照0.85元/（kW·h）的電價進行計算。開啟新風計算，確定冷水機組的平均負荷率為65%。在表1的方案分析中，可以發現方案一經濟性較高，且目前在使用的活塞式冷水機組使用時長達到20 a，需及時更換。因此，選擇方案一不僅具有良好的經濟性，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

在夏季運行高峰期，將1臺冷水機組的壓縮機頭（4～5個）開啟后，需搭配使用2臺冷卻塔，如果不搭配2臺冷卻塔就會造成水溫過高。發現冷卻塔四面墻體是冷卻塔水溫過高的主要原因，并且通風不夠暢通，導致冷卻塔換熱期間效率低下，所以需要1臺冷水機組搭配2臺冷卻塔[3]。在節能改造期間，要將冷卻塔東面部分的墻體拆除，這樣可以解決通風不暢的問題，在夏季開啟1臺冷卻塔，即可滿足室內空調系統的運行需求。在不對建筑安全與外觀產生影響的基礎上，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，由于是空心砌塊磚，拆除費用并不高。同時，也要對冷卻塔進行定期清洗，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。假設電費為0.85元/（kW·h），每年能節約電費0.31萬元。

4.2.3 水冷冷水機機組中央空調系統節能改造

水冷冷水機機組中央空調系統的能流分析模型的構建，可做好能流分析，為節能改造提供支持。以末端冷卻盤管為節點列能量平衡方程，如式（1）所示：

式中，QP為冷卻盤管的冷負荷；Q為空調房間的冷負荷；QXF為新風負荷；CFJ為風機的耗功率；LSS為冷風輸送系統的傳熱損失。

用式（2）對Q進行計算：

式中，mFJ為風機風量；hHF為室內空氣焓值；hSF為送風焓值。

在計算QXF時，可使用式（3）：

式中，mXF為新風量；hHF為新風焓值。

在計算LSS時，可使用式（4）：

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

在計算LSF時，可以使用式（5）：

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

在節能改造期間，需做好下面幾項工作：

1）室外新風焓值hXF與室內空氣焓值hHF的相對大小會決定新風負荷的正負。當hXF＞hHF時，新風負荷為正，末端冷卻盤管負荷增加，采用最小的新風量；當hXF＜hHF時，新風負荷為負，采用加大新風量的措施，這樣可以讓空調系統的總能耗得到有效控制。

2）參照換熱量公式q=CmΔt（q為物質吸收或放出的熱量；C為物質的比熱容；m為該物質的質量；Δt為物體溫度的變化），在q一定時，供回水溫差可通過大溫差送風和加大水系統實現，送風量與水流量能得到有效減少，風機與水泵在運行期間，能耗可有效降低。同時，也要做好設備的調節與管理，對動力設備風機與水泵能耗進行有效降低。

3）膨脹水箱。水會因受到溫度的變化而產生體積膨脹封閉系統，系統中的空氣難以有效排除，所以可將管路系統與膨脹水箱連接在一起。膨脹水箱的設計容積可按照下面的公式（6）進行計算：

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、最大水溫變化值、系統內的水容量。

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

4.2.4 冷卻塔四周設百葉

將百葉設置在冷卻塔四周，空氣的流動形式為敞開式與豎井式安裝的混合流動形式，在頂部與百葉一起進風；在空地中央安裝冷卻塔，進風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；百葉墻的通風面積需達到50%以上，且風在通過百葉墻時速度需控制在3 m/s以內。風速計算采用式（7）：

式中，v為風速；Q風為風量；A為有效進風面積；E為百葉開度。

在阻力較小的途徑空氣進行流通，冷卻塔可以通過該百葉吸入的風量大小由格柵的壓力決定。百葉有效通風面積與通風風速的合理控制，能使回流的可能性降低。在塔頂設置百葉，不能用百葉將冷卻塔排風區域覆蓋住，避免有回流產生。布置多臺機組時，會有更多空氣需要被處理，所以發生回流的可能性較大。當為多臺機組時，按照空氣流速控制在3 m/s以內的方式確定進風口最小間距，可能采用錐形排風罩時，要求間距要進一步減少，但排風罩的高度、出風速度需分別控制為0.9 m、6～9 m/s。

4.3 外圍護結構節能改造

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，但由于建筑建設年代久遠，傳熱系數難以符合新要求，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，會使空調產生較高的能耗，但室內溫度依然存在不均勻的現象，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門的方式，旋轉門直徑為3.0 m，在冬天溫度較低時，有人員出入時會有冷風進來，所以還需增加門斗，這樣能減少冷風的入侵。

4.4 分項計算與能源管理

1～14層屬于辦公區域，可對不同樓層進行分項計量，通過對電路的改造，可以對各個樓層在取暖、照明、能耗等實施分項計量，這樣能了解哪層樓的能耗較高，以便具有針對性地進行處理。辦公樓并沒有對能源管理制度進行明確，導致在管理期間設備節能效果不好，且能耗消耗較大。所以單位需加大宣傳力度，要讓每一個人都能認識到節能減排的重要性，并能通過定期節能培訓，提升節能環保意識。

5 結語

既有大型公共建筑節能改造，符合城市發展趨勢，能有效降低建筑能耗，推動城市的綠色發展。在對建筑節能改造中涉及內容較多，本文只選擇其中的一部分進行論述，可得出在對冷水機組進行節能改造期間，政策、技術與經濟可行性較強，值得改造。在未來，既有大型公共建筑在節能改造期間，還需重視電梯、照明及其他用電等方面的節能改造，要從整體上降低建筑能耗，滿足建筑及城市發展需求，打造可持續發展型城市。