夏热冬冷区医院建筑能耗模拟与分析

杨瑞，周建民 （同济大学建筑工程系，上海 200092）

0 前言

建筑能耗是绿色建筑评价的重要指标，本文指建筑运行能耗。医院是我国公共建筑的重要组成部分，也是能耗较大的建筑类型。相较其他公共建筑，医院建筑功能较为复杂，人流量大，能耗强度是一般公共建筑的两倍，具有巨大的节能潜力[1-2]。能耗控制是医院建筑普遍存在的问题，当今环保形势下，节能减排是医院的重要目标。借助建筑能耗仿真软件针对运行能耗进行预测与评估，可以保证建筑在运行中更好地达到节能效果。

医院建筑功能较多，结构相对复杂，医疗卫生设施类型多样。同时，医院用能时间长、用量大，供能环境复杂，对医疗环境要求高，提前供暖、延期供暖层出不穷，管理困难。这均导致医院建筑能耗模拟相对于办公、商场等，建模更为复杂，模拟相对比较繁复。

本文借助PKPM绿色节能软件，以上海某医院门诊综合楼为例，模拟计算其全年空调及采暖能耗，介绍医院建筑能耗模拟过程，针对模拟过程中的一些问题进行解答，并参照《绿色建筑评价标准》（GB/T 50378-2014）[3]与上海市《公共建筑节能设计标准》(DGJ08-107-2015)[4]对该建筑节能效果做出评价，以便对其他医院建筑能耗模拟给出一定的参照。

1 PKPM软件介绍

PKPM建筑节能分析软件由中国建筑科学研究院开发，其中的能耗模拟分析模块PKPM-Energy基于著名能耗软件DOE-2内核，计算功能强大；可视化界面基于AutoCAD软件，可直接从建筑施工图等设计图纸中提取建筑模型，简单快捷。PKPM-Energy围护结构数据库类型齐全，能够反映建筑各构件的真实热工性能；结合项目所在气候分区及全年气象数据，能够计算各构件分项负载，对实际建筑以及对比建筑进行全年8760h的逐时能耗分析，给出相对节能率，评估建筑能效等级。

2 项目概况

该项目位于上海市浦东新区，建筑用途门诊综合楼，属二级综合性医院，气候分区夏热冬冷区，建筑朝向南偏东21.6°，框架结构，总建筑面积29553.16m2，地上建筑面积为19950m2，上部共5层，地下2层，层高汇总表见表1，建筑结构构造见表2。

层高汇总表 表1

3 模拟计算过程及结果

3.1 建模

PKPM-Energy具有模型导入功能，分为平面图纸导入以及三维模型导入。本工程利用建筑施工图，直接从AutoCAD图纸中提取建筑模型，并对此进行修正得到。医院建筑结构较为复杂，在导入之前，须先针对建筑平面图进行整理，归并门、窗、墙、幕墙、柱等线型，闭合外墙线，绘制门窗表，校对建筑朝向，绘制指北针，以便软件能够快速准确地识别，防止重要构件不必要的缺失。

PKPM识别构件并不完全准确，需要与原有建筑图进行对比校正，确定幕墙位置与边界，门、窗等构件位置，保证模型的真实性与准确性。图1为PKPM环境下的该建筑其中一层标准层的平面图。建模后需指定墙、门、窗、幕墙信息，确定房间功能，编辑楼板状态，设置屋顶，建立计算模型。房间功能应与实际建筑的区域功能一致，并据此确定房间空调采暖温度、照明、空气换气指数等参数，保证全年能耗计算的准确性。该项目房屋用途划分及相关参数设置如表3所示。

不同部位材料做法 表2

医院建筑相关参数 表3

模型建立完成，设置相关参数，填写项目信息，输入围护结构材料参数，依照表2所述构件做法设置围护结构。编辑结束后，根据表1，组装标准层，生成建筑三维模型（见图2），并再次进行查看与校对，直至模型无误。该建筑轴测图如图2所示。

图1 某标准层平面图

图2 建筑轴测图

3.2 耗能设备选型

耗能设备主要包括两类，一类是照明系统，一类是暖通空调系统，均应根据建筑实际使用需求进行选型设置。本项目为医院建筑，病人身体较为虚弱，对于光照以及温度需求较常人更高，选用3台单元式热泵机组，单体机组的制热量为1263.0kW，制冷量为1251.0kW，机组制热性能系数为3.20，制冷性能系数为3.20。其中，参照建筑热源采用锅炉，锅炉效率设置为88%；冷源选用冷水机组，冷水机组的性能系数参照标准《建筑能效标识技术标准》（JGJ/T 288-2012）表B.0.4[5]选取。

3.3 计算条件设置

该建筑位于上海地区，气候分区属于夏热冬冷区，室内计算温度、照明功率密度、人员密度等依照房间不同，设置不同，具体可参照表3。室外气象计算参数采用典型气象年，上海地区气象参数从PKPM自带数据库中调用，不需重新输入。

3.4 计算结果分析

PKPM能耗模拟计算结果主要包括负载计算结果以及能耗计算结果两部分。其中，负载计算结果主要包括各构件负载分布与逐月负载分布；能耗计算主要为建筑全年能耗。计算结果如图3～6所示。

经过围护结构节能动态计算，对于设计建筑，针对空调采暖而言，外窗负荷远较其他部位为高；针对采暖部位，各构件负荷较为接近；总体来看，外窗负荷较其他部位负荷为高；建筑逐月负荷合乎预期，12月、1月、2月建筑总负荷与7月、8月建筑总负荷较为接近，分布合理；全年供暖负荷与全年空调负荷较为接近；主要能耗由空调能耗产生，约占总能耗的81.2%。

图3 各构件负荷图

图4 建筑负荷逐月分布图

相对于参照建筑，设计建筑全年供暖负荷及全年空调负荷均较为接近，全年计算负荷降低幅度为0.73%，全年空调机组能耗较高，全年供暖机组能耗很少，总能耗较参照建筑略低，系统能耗降低幅度为2.3%。根据《绿色建筑评价标准》(GB/T 50378-2014)规定，该门诊综合楼满足绿色建筑基本要求，但是空调能耗较高，总能耗降低幅度有限，综合来看，该医院建筑在空调能耗方面仍需要较大的改进。

图5 全年建筑负荷分布图

图6 全年建筑能耗分布图

4 结论

①整体而言，PKPM建筑节能分析软件有着简单、稳定、灵活方便的优点，同时计算结果也较为准确，能够为建筑节能在我国的进一步推进提供一个比较好的平台。

②本文通过上海浦东新区某医院门诊综合楼实际案例分析，模拟计算了其全年空调及采暖能耗。本次模拟分析计算结果表明，该建筑能耗值均在合理范围内，根据《绿色建筑评价标准》（GB/T 50378-2014），该门诊综合楼达到绿色建筑要求。

③该建筑相对于参照建筑，设计建筑全年供暖负荷及全年空调负荷均较为接近，全年计算负荷降低幅度为0.73%；全年空调机组能耗较高，全年供暖机组能耗很少，总能耗较参照建筑略低，系统能耗降低幅度为2.3%，在空调能耗仍需要较大的改进。