某严寒地区既有公共建筑节能改造节能量分析

关运龙，李 鹏，成 瑶，黄河平，邓高峰，刘 璐

（1.建筑安全与环境国家重点实验室，北京100013；2.建研科技股份有限公司 工程咨询设计院，北京100013；3.航天中心医院 后勤保障处，北京100049；4.北京化工大学 化学学院，北京100029；5.青海艾能吉节能技术有限公司 研发部，青海 西宁810008）

0 引言

当前，随着经济社会的发展，能源短缺现象已经成为一个世界性话题。伴随能源问题的愈演愈烈，人们也越来越重视节能环保问题，为实现可持续发展，节能、降耗和减排已成为社会发展的主要模式。建筑、工业、交通是能源消耗的3个主要领域，其中建筑能耗占我国社会总能耗的约三分之一，预计建筑领域的碳减排将成为中国2030年碳排放峰值的主要因素[1-3]。数据显示，2000年至2015年，全国城镇供暖面积从106亿m2增加到2015年的274亿m2，年均增长6.56%[4]；2001年至2017年，北方城镇建筑供暖面积从50亿m2增长到140亿m2，2017年北方城镇供暖能耗约为2.01亿吨标准煤当量[5]。建筑的能耗主要来自运行期间能耗，如取暖、制冷、通风、炊事、照明、办公生活用电等。采取节能设计或对原有建筑实施节能改造可以大幅降低建筑运行期间的能源消耗，是建筑可持续发展的重要手段。

我国建筑节能起步较晚，20世纪80年代末，国家有关部门启动了系统性的建筑节能规划，要求寒冷和严寒地区取暖居住建筑采取节能措施，分阶段实现建筑节能改造[6]。随后建筑节能逐渐发展成为规划有序、覆盖全面的体系，新建的居住建筑、公共建筑分别以《民用建筑节能设计标准(采暖居住建筑部分)》(JGJ 26—1986)[7](30%节能率)和《公共建筑节能设计标准》(GB 50189—2005)[8](50%节能率)为起点，以每阶段能耗降低约30%为目标稳步推进。

对于公共建筑，实施节能设计的起步时间较晚，而且为了保障舒适性和功能性，公共建筑单位面积能耗相对较高。面对我国缺乏充分节能措施的存量公共建筑，实施节能改造迫在眉睫[9]。

既有建筑节能改造是以实现建筑能源利用效率的有效提高为目的进行的一系列改造工程。其中，主要措施包括以提升建筑内暖通空调系统等用能设施效率和开发利用可再生能源为主的主动式节能，以及提升建筑围护结构热工性能、密闭性和可调节太阳得热等方式为主的被动式节能等措施。各种节能措施共同作用，为建筑能耗降低作贡献。而计算分析改造前后建筑能耗的变化(即节能核定)，对于评判改造工程的效果和价值起着直接而关键的作用。准确的节能量核算有利于对节能率、经济效益及环境减排的有效评估，对于项目的验收及政府部门决策等有着重要的意义。2017年7月住房和城乡建设部发布的《公共建筑节能改造节能量核定导则》是公共建筑节能改造项目节能量核定的指导文件，但其中对于复杂建筑群的处理未进行明确规定。

既有建筑节能改造是一个周期较长的过程，其中可能伴随着供热系统供热面积的变化(新增或减少)，导致节能改造完成后，需要进行节能核定的区域与被改造供热系统实际供热面积不一致，而且供热范围内建筑建成年代不一，所执行的建筑节能设计标准不同，导致不同建筑的单位面积建筑能耗差别较大。针对供热系统的节能改造，改造前后系统供热的建筑面积发生变化、系统内建筑节能水平不一，在没有分户热计量措施的情况下，对集中供热建筑群的节能量进行核定存在一定困难。

在此，以某严寒地区(严寒地区主要是累年最冷月平均温度≤-10℃或日平均≤5℃的天数，一般在145 d以上的地区[10-11])的大规模公共建筑群节能改造项目为例，对改造范围内建筑群的节能量及节能率进行核定和分析。该改造项目位于我国西北地区某城市，年平均气温7.6℃，冬季最低气温为-18.9℃，属于高原高山寒温性气候，施工过程中涉及改造的锅炉供热面积对比基准期有所增大，同时涉及对非改造区域的供热问题。通过解决没有分户计量、改造前后供热面积发生变化、多种改造方式综合作用等情况的节能量核定问题，为复杂改造工程节能量核定的科学分析提供解决思路。

1 研究对象概况与改造方案

1.1 工程概况

研究对象为位于某严寒地区城市的一所大学建筑群，主要包含改造建筑38栋，其中18栋学生公寓执行建筑年代对应的国家和地方居住建筑节能设计标准；其余20栋为办公楼、图书馆、教学用楼，按照建筑年代执行国家和地方公共建筑节能设计标准。建筑年代从20世纪60年代至2013年，改造总面积为25.00万m2，建筑类型包括行政办公楼、教学楼、实验楼、图书馆、学生公寓、附属幼儿园等，表1为改造建筑基本信息。

表1 改造建筑基本信息

基于建筑年代的限制及当地经济、技术水平的制约，2005年之前建成的多栋建筑均不具备外墙保温，使其采暖能耗水平远高于采取了保温措施的建筑；供热系统的控制系统也较老旧，管网热力平衡情况缺乏监控；在用电方面，校园内大量采用传统荧光灯和钠灯等非节能灯具。

在对该校园建筑群的改造过程中，基于项目工程要求和设计方案，不同建筑和系统采取了不同的改造方式。围护结构改造部分涉及1#、2#、3#、6#、7#和8#学生公寓；节电改造和供热系统改造涉及改造区域内全部38栋建筑。同时，改造的供热系统的供热范围不局限于改造区域，还包含一些非改造区域及随工程建设而产生的新增供热区域，这些非改造区域和新增供热区域与改造工程相互作用，但因规划原因并不进行节能量核定，在考察供暖系统改造前后能耗记录时，需要将非改造区域和新增区域的能耗去除。而由于该建筑群没有安装分户热计量系统，无法在总能耗中直接区分核定区域内、核定区域外和新增范围的能耗。

1.2 改造项目

1.2.1 围护结构改造

为提高建筑的保温性能，对未进行外墙保温的1#、2#、3#、6#、7#和8#学生公寓采用聚苯板薄抹灰体系实施了外墙外保温，进行了包括保温隔热墙面、墙面一般抹灰、块料墙面等改造项目。工程主要对原建筑外墙涂料和护栏进行拆除，用粘结砂浆粘贴60 mm厚热固性聚苯板并按规定设置防火隔离带，外饰面喷刷外墙涂料等。

经过节能改造，被改造楼宇外墙传热系数比未改造楼宇外墙传热系数显著下降，改造后建筑外墙主体结构的1#、2#、3#、6#、7#和8#学生公寓传热系数实际测试值分别为0.62、0.61、0.63、0.53、0.58和0.61 W/(m2∙K)；同时，对未进行外墙外保温改造的同类建筑的外墙主体结构传热系数进行了测试，其传热系数为1.53 W/(m2∙K)。传热系数的测试方法依据现行标准《居住建筑节能检测标准》(JGJT 132—2009)有关规定进行。从测试结果可以看出，加装了保温的建筑墙体传热系数在0.60 W/(m2∙K)左右，说明外墙保温改造明显提升了被改造建筑的保温性能。

同时，为1#、2#、3#、6#、7#和8#学生公寓更换和安装了外窗1 336套，房间门494套。其中，外窗采用了70系列铝塑保温节能窗框、中空玻璃(5 mm+15A+5 mm)、硫化橡胶(三元乙丙)类密封胶条，以进一步提高保温性。

1.2.2 供热系统改造

该学校建筑群共有供热站3处，总装机容量为63 MW，为全校共52万m2供热。3处供热站中包含2处燃气锅炉房(总装机容量57.4 MW)和1处一直未进行改造的燃煤锅炉房(装机容量5.6 MW，供热面积1.86万m2)。对3处供热站中的2处燃气锅炉房及供热系统进行改造升级，改造前后均按照维持室温不低于16℃的当地城市集中供热管理暂行办法的要求执行供热，供热系统运行时间保持改造前后的一致性。

对于2台燃气锅炉的改造主要是在锅炉房补水管道上安装计量设备，检测锅炉补水数据并进行补水规律分析；在教学区和家属区2个总区域输送管道出口处安装热能监测设备，对用户使用规律进行分析；在教学区楼宇进口处安装热能监测设备，监测每栋楼宇用能总量和用能规律。通过对总出口和各楼宇用能量的总分关系，对管网进行检漏计算，及时处理管网泄露问题，通过监测区域的划分进行检漏区域的判断，减少人员工作量，增加维修人员的效率。同时，通过每栋楼宇的用能数据发现楼内数据异常，以及时排查楼内管道输送问题，排除漏点，达到节能降耗的目的。

管网调压改造过程中，在主管网中的各区域分支管道处安装调压阀门，调整各分支主管网压力；在各楼宇进口管道上安装调节阀门，按需提供系统前后段压力，达到后端压力提升，提高供给质量，满足使用需求。上述措施保证供热用具达到稳定、安全、经济和高效运行的状态，解决系统末端压力得不到保障的问题。

1.2.3 配电和照明系统改造

经普查，改造工程开始前，该校园建筑群改造范围内楼宇共有灯具31 103盏，其中40 WT8日光灯管24 882盏，节能灯泡(筒灯)6 221盏。教室、走廊实测照度260 lx以上，每天灯具运行时间6 h，全年运行300 d。在维持原有照度的前提下，将所有荧光灯、钠灯等全部更换为发光效率更高的LED灯管、筒灯、吸顶灯、路灯等，分周期更换已损坏灯具、使用超过3年的灯具及工作正常的灯具。其中，工作正常的灯具进行了重新入库管理，用于后期监测改造楼宇以外的建筑使用或后期再利用。

1.2.4 建筑用能监测与控制系统改造

建筑用能监测与控制系统改造主要包括对楼宇进行分区、分时、分温节能控制及换热站供热自动控制系统的改造。在改造过程中，对图书馆、1#、2#、3#、6#、7#和8#学生公寓进行了分时分温控制改造，加装了楼宇现场控制器配合电动阀可自动调节供热流量，实现各楼宇的分时、按量供热，保证按需供热。在换热站供热自动控制系统中，为改造区内2个燃气换热站安装供热自动控制系统。该自动控制系统包含气候补偿、故障报警、数据存储和统计功能，并通过气候补偿实现供热水温与气候变化自动对接和自动补偿，按需供热。

2 节能量和节能率核算

2.1 基准期能耗核定

该项目节能量核定基准期能耗主要包括供热站燃气能耗和因照明产生的用电能耗2个部分。基准期能耗数据取自项目改造施工开始前一年的能耗数据，即包含1个完整采暖季(每年10月15日至次年4月15日)在内的1年的燃气能耗及耗电量数据。

改造区域内基准期燃气消耗包括2个燃气换热站内7组锅炉的天然气使用量。上述7组锅炉在对改造区域内250 096.53 m2建筑供热外，在改造项目开始前对72 113.89 m2非改造区域建筑进行供热。在改造项目进行期间，上述锅炉增加了对新建建筑120 739.41 m2的供热面积；基准期和核定期分别对上述锅炉的天然气用量进行了总用气量的核查，详细数据如表2所示。

表2 燃气锅炉供热情况

基准期用电量为LED改造前根据校方提供的用电量数据，改造区域基准期用电量为4 670 914 kW∙h。

2.2 节能量及节能率核算

改造项目工程中与燃气相关的改造包括：楼宇供热分区、分时、分温节能控制系统改造，换热站供热自动控制系统改造，供热管网热力平衡改造，管网调压改造，楼宇节能改造和围护结构改造等。与用电能耗相关的改造项目包括LED照明节能改造。

2.2.1 燃气节能量核算

在改造完成后，由于既有2个换热站的供热面积相较基准期有大幅增加，对应锅炉总燃气消耗量有所增加。由于该校供热系统无法实现单独、分楼宇计量改造区域内燃气消耗量，在核定改造区域燃气节能量时，需要计算核减非改造区域及新增区域的燃气消耗，以得到改造区域所实现的燃气节能量。

若采用直接将燃气消耗量与建筑面积比值作为单位建筑面积的燃气消耗量，对于按照不同节能设计标准的建筑而言会造成较大的误差。因此，在计算单位建筑面积的燃气消耗量时，根据不同的建筑年代设置节能率的校正，以实现更为准确的建筑群内改造区域、未改造区域及新增区域单位建筑面积燃气消耗量的计算。

根据《公共建筑节能设计标准》(GB 50189—2005)[8]和《公共建筑节能设计标准》(GB 50189—2015)[12]，供热区域内既有公共建筑按照建筑年代执行相应的50%和65%节能率设计要求。根据《民用建筑节能设计标准(采暖居住建筑部分)》(JGJ 26—1986)[7]和《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》(JGJ 26—2010)[13]及相关地方标准，供热区域内学生公寓等居住建筑按照建筑年代执行相应的30%、50%和65%节能率设计要求。

由于节能量核定范围内的建筑没有分户热计量，而整个供暖系统在改造期间供暖范围又较原定核定范围有所扩大，为了考察核定范围内建筑的节能量，并排除新增供暖范围对核定工作的干扰，在计算过程中将不同年代建筑的单位面积能耗预期执行的节能要求进行校正，即假定1986年以前建成的、没有节能措施的建筑单位建筑面积燃气消耗量为q，则2017年的公共建筑由于执行65%节能率设计要求，单位建筑面积燃气消耗量为q×(1−0.65)。

基于以上信息，改造区域内燃气节约量按照公式（1）~公式（4）计算。

式中：E燃气为改造区域内核定供热燃气节约量，m3；Eb,燃气为改造区域内基准期燃气消耗量，m3；Er,燃气为改造区域内核定期燃气消耗量，m3；ΔE燃气为燃气消耗量修正值，m3；Vb为基准期锅炉燃气消耗量，m3；Vr为核定期锅炉燃气消耗量，m3；A0,no为没有节能措施建筑面积，m2；A30为执行30%节能率设计建筑面积，m2；A50为执行50%节能率设计建筑面积，m2；A65为执行65%节能率设计建筑面积，m2；q为改造区域改造前单位建筑面积燃气消耗量，m3；no代表未改造区域、ne代表新增供热区域。

经考察基准期和核定期的当地气候数据，根据《建筑节能气象参数标准》(JGJ/T 346—2014)[14]计算核定期采暖度日数比基准期采暖度日数高3.3%。根据热工基本规律，当采暖度日数相差较小时，采暖度日数与采暖能耗呈线性正相关关系。因此，气象因素对供热能耗的影响小于5%，按当地地方民用建筑设计节能标准实施细则的规定不进行气候修正。改造前后锅炉供热时间没有发生变化，故不作运行时长修订。经计算，改造区域供热燃气年节约量为211 612 m3，折合标准煤275.04 tce，对建筑单位面积能耗下降贡献率为15.6%。

2.2.2 照明节能量核算

照明改造前后涉及灯具功率、数量和使用时间的统计，通过公式（5）~公式（7）对改造区域内照明节能量进行计算。

式中：E电为照明节能量，kW∙h；Eb,电为改造区域基准期照明耗电量，kW∙h；Er,电为改造区域核定期照明耗电量，kW∙h；ΔE电为照明耗电量修正量，kW∙h；Pb为改造区域基准期所用灯具功率，kW；Pr为改造区域核定期所用灯具功率，kW；tb为改造区域基准期灯具使用时间，h；tr为改造区域核定期灯具使用时间，h；nb为改造区域基准期所用灯具数量；nr为改造区域核定期所用灯具数量。

由于照明改造前后，灯具使用时间没有发生变化，故不对照明节能量进行运行时长修正。经计算，改造区域核定期照明耗电量为3 962 710 kW∙h，照明节能量为708 204 kW∙h，折合标准煤87.04 tce，对建筑单位面积能耗下降的贡献率为4.9%。

2.2.3 综合节能率

改造前后，该校园建筑群的综合节能率按照下式计算。

式中：η为综合节能率，%；E燃气(tce)为核定期燃气节能量(换算为吨标煤)，tce；E电(tce)为核定期照明节能量(换算为吨标煤)，tce；Eb,燃气(tce)为基准期燃气能耗(换算为吨标煤)，tce；Eb,电(tce)为基准期耗电量(换算为吨标煤)，tce。

经计算可知，经围护结构改造、供热系统改造和照明节电改造后，该校园建筑单位面积能耗下降率为20.5%。

3 节能效益核算

根据上述计算，该项目年节约天然气211 612 m3，年节电量708 204 kW∙h，年总节能量折合标准煤362.08 tce。根据当地行政事业单位集中供热用气价格(1.59元/m3)及用电价格(0.534 8元/(kW∙h))的定价，该项目通过节能每年可产生经济效益约71.52万元。

每1万m3天然气燃烧产生的排放量约为二氧化碳21 622 kg、二氧化硫0.005 kg、氮氧化物12.48 kg、颗粒物1.14 kg。生产和输送1万kW∙h电产生的排放量：二氧化碳8 709 kg、二氧化硫1.13 kg、氮氧化物1.62 kg、颗粒物0.16 kg[15-16]。因此，通过节约天然气和电能，该项目每年产生的减排效益可按公式（9）计算。

式中：Ri为节能改造每年贡献的污染物减排量，kg；i代表二氧化碳、粉尘、二氧化硫或氮氧化物；E燃气为节能改造项目每年贡献的燃气节约量，万m3；E电为节能改造项目每年贡献的电能节约量，万kW∙h；c燃气,i为燃气污染物排放系数，kg/万m3；c电,i为电能污染物排放系数，kg/万m3。

根据公式（9）可得，节能改造项目每年可贡献减排量为二氧化碳1 074 t、二氧化硫80.4 kg、氮氧化物378.8 kg、颗粒物35.6 kg。

4 结束语

基于既有建筑节能改造的要求，对某严寒地区校园建筑群供热通风空调系统、既有居住建筑围护结构、配电与照明系统及建筑用能监测与控制系统进行改造升级。通过提升建筑保温性能，实现供热系统监测及管网有效调压，以及更换LED照明等途径，实现了节约燃气消耗量和用电量的目标。为避免直接平均计算单位建筑面积燃气消耗量，利用不同建筑所执行的节能设计标准对数据进行校正，以更为准确表达单位建筑面积燃气消耗量，提高改造前后节能减排的计算准确性。