能耗模拟在建筑节能改造节能量计算中的应用

牟宇 林敏敏

1 浙江大学建筑设计研究院有限公司

2 浙江省建设工程造价管理总站

0 引言

近年，建筑在建造及运营维护中消耗的能源持续增长。截至2017 年，我国建筑面积总保有量达591 亿m2。根据估算，2 017 年我国建筑业建造相关的碳排放总量高达43.8 亿tCO2，接近我国碳排放总量的1/2。而建筑运营方面，2 017 年建筑运行总商品能耗为 9.63 亿tce，约占全国能源消费总量的21%[1]。建筑运行能耗在社会能源消耗中占比巨大，我国2005 年才实施了第一版 《公共建筑节能设计标准》，此前我国公共建筑没有相应节能标准来指导建筑设计。现今仍有大量“非节能”建筑在社会中运行，对此类建筑进行既有建筑节能改造势在必行，将为社会节省大量能源消耗。

2017 年，住房城乡建设部办公厅、银监会办公厅联合发文“关于批复2017 年公共建筑能效提升重点城市建设方案的通知”，浙江省的杭州市和温州市被列为重点城市。同年，建设部发布两本有关于既有建筑节能改造的技术导则，分别为 《公共建筑能源审计导则》 及 《公共建筑节能改造节能量核定导则》。国家层面既有建筑节能改造的体系构建完成。杭州市城乡建设委员会于2018 年编制发布了 《杭州市公共建筑节能改造示范项目能源审计导则》（以下简称“能源审计导则”）及《杭州市公共建筑节能改造节能量核定导则》（以下简称“核定导则”），用于指导杭州市既有公共建筑节能改造工作。“核定导则”4.1.3 条规定节能量核定方法可采用账单分析法和测量计算法，优先采用账单分析法。4.1.4 条中又规定：由于相关原因，无法获得节能改造前后至少1 个完整循环运行工况下的计量账单数据，或对某一设备（系统）进行改造需要核定节能量，该设备（系统）与其他设备（系统）没有分开计量时才能采用测量计算法[2]。而“核定导则”并未明确规定测量计算法的详细实施方法及其适用的条件，尤其在建筑围护结构改造和暖通系统改造这类涉及需要动态能耗计算方面。

为探索利用测量计算法来进行节能改造的节能量分析，本文选取一栋典型医院建筑，应用了 eQuest软件进行全年逐时动态能耗模拟计算，分别得出改造项目基准期和核定期的能耗数据，从而计算出节能量。为某些无法取得计量账单的改造项目提供了另一种评估途径。

1 既有建筑节能改造节能量判定方法

国际节能测量和认证规程第一卷（International Performance Measurement and Verification Protocol Volume I）中针对节能改造详细规定4 种核定选项（前2 种可以视为一种方法，一下合并介绍），及其适用条件，可供实施改造的项目参考应用[3]：

1）单独测量改造部位能耗（或部分测量），这种方法适用于某一用能系统相对独立，对其他用能系统不产生影响或影响可忽略不计。如照明系统改造，可在基准期和核定期分别测量全部或部分灯光系统的能耗，基准期和核定期选取保持一致，节能量为二者差值。此类办法不适用于复杂的系统，如暖通空调系统，系统过于复杂，对测量条件较为苛刻。且空调系统受室外环境参数影响，不能简单对基准期和核定期做差值核定节能量。

2）测量整个建筑能耗，这种方法适用于较为复杂的节能系统改造，对基准期和核定期的能耗账单进行对比，做差值，并做一定修正。如空调系统或者围护结构保温系统改造，此类系统改造通常在冷热源、输配系统、末端系统能耗消耗上都会产生变化，记录改造前后整个建筑能耗可有效计算出节能量，值得注意的是，计算节能量时需要针对改造前后的天气参数、使用率等不同参数做一定修正，才能得出较为精确的节能量。如下式：

式中：E为节能量，t ce；Eb为基准期能耗，k gce；Er为核定期能耗，kgce；△E为能耗修正量，kgce。

本方法存在两个难点，一是修正量不好确定，如基准期和核定期影响建筑能耗的变量太多，如室外天气参数、建筑使用率、行为用能等。二是如过建筑整体或局部功能改变，导致基准期的能耗账单无法参考，节能量也就无法核算。

3）利用建筑动态能耗模拟的方法计算节能量，这种方法可将基准期和核定期的室外天气参数、建筑使用率、非改造部位的设备参数等均设为一致，然后计算改造部位的节能量。可有效避免方法2 中的弊端。能耗模拟方法可分别读取不同系统的分项节能量，方便统计数据。在建筑功能改变时，此类方法也可假定改造前后的使用功能一致，从而将计算出节能量。但这种方法对操作软件的人员要求较高，一旦某一参数输入错误，就会导致节能量计算错误。

以上几种方法，应为互补关系，不同的测量和计算方式应适用于不同的改造模式，并无孰先孰后的论断。本文选取的项目由于建筑功能改变，且改造了较难评估节能量的空调系统，因此，动态能耗模拟的方法来进行节能量计算。

2 案例分析

2.1 工程简介

实施节能改造项目为杭州某医院项目，建筑面积19000 m2左右，分为A、B、C 三栋建筑。项目性质原为酒店功能，2018 年实施改造，项目变为医院 +养老院的性质。项目针对窗系统，照明系统，空调系统及热水系统进行了节能改造，主要实施改造的系统如表1：

表1 改造内容清单

改造后项目布局为：A 楼一层二层为门诊及各类检查室，三层至九层为病房。B 楼一层为食堂，二层为办公室，三层至四层为养老病房。C 楼一层为活动室，二层至三层为养老病房。

2.2 方法论

依据 《杭州市公共建筑节能改造节能量核定导则》3.0.1 条：“ 公共建筑节能改造后，应对项目边界内建筑或相关用能设备（系统）运行情况进行检查，并对节能效果进行核定。”3.0.2 条：公共建筑节能改造前，应参照相应的标准和导则开展能源审计，审计结果作为节能量核定的数据基础。这意味着，改造前，改造后均应对建筑进行实地检测，再进行节能量核算。

由于本项目的特殊情况，改造前为酒店，改造后为医院性质，两种建筑类型及运行时间，能耗组成均存在较大偏差，无法进行改造前和改造后的能耗比较。因此本次节能量核定拟采用能耗模拟验证的方法（选用的软件为 eQuest），假定改造前也为医院性质，改造前建筑设定为基准建筑，改造后设定为核定建筑。模型为保证节能量核定的准确性，做了如下约定：

1）基准建筑及核定建筑采用统一的气象参数，消除天气参数对节能率的影响。

2）模型计算全年8760 h 能耗，用以判定节能率。

3）模型中室内人员密度、设备功率两种模型保持一致。

4）空调系统设置中，室内设定温度、新风量、送风温度等参数保持一致。

5）室内人员在室率。照明开关时间表、电气设备逐时使用率，供暖通风和空气调节系统运行时间保持一致。

6）仅对改造内容（窗系统、照明系统、空调系统、生活热水系统）进行节能量分析。

7）改造前后节能率按照式（1）确定，由于除改造内容外，其它输入参数均保持一致，因此公式中△E（能耗修正量）为0。

2.3 模型建立

依据建筑设计图纸资料采用 eQUEST 软件建立能耗模拟模型，如下：

图1 eQUEST 分析模型

2.4 改造前后主要用能措施对比

1）围护结构

改造前建筑为 20 世纪 90 年代老建筑，围护结构未设置保温。考虑实用性，该项目仅针对窗系统进行了更新，具体如表2、3 ：

表2 改造前后主要围护结构构造

表3 改造前后窗系统热工参数对比

2）人员密度

改造前后各房间人员密度保持一致，按照 《民用建筑绿色性能计算标准》 附表 C.0.5-1 设置，如表4 所示。

表4 人员密度值

3）照明功率密度

由于改造前建筑为假定的20 世纪90 年代医院建筑，照明功率密度无法实际获取，依据当时的科技水平，按照最不利情况考虑，基准建筑参照 《建筑照明设计标准》 GB 50034-2013 现行值设置（表 5）；改造后建筑依据实际参数进行模拟。

表5 照明功率密度值

4）电气设备功率

本项目改造前后各房间电器设备功率密度值和逐时使用率参考 《民用建筑绿色性能计算标准》 设置（表6），另门诊还有一些与检测相关的大型设备，具体如表7。

表6 电器设备功率密度值

表7 医疗设备功率

5）建筑使用时间及温度设定

基准建筑与核定建筑各房间运行时间表保持一致。本项目为医院建筑，门诊办公时间为周一至周五上午7:30am 到下午8:00pm（6:00am 后人数减少），周六周日休息，病房全年无休。人员逐时在室率，照明开关时间表及电器设备逐时使用率参考 《民用建筑绿色性能计算标准》 表C.0.5.2～C.0.5.3 设置。

该医院空调制冷季为5 月1 日～9 月 31 日，采暖季为12 月1 日～2 月28 日。基准建筑与核定建筑各房间空调设定逐时温度保持一致，室内空调逐时设定温度参考 《民用建筑绿色性能计算标准》 表 C.0.5.2～C.0.5.3 设置。

6）空调系统

本项目改造后建筑参考“暖通设计说明”及“主要设备材料表”设置，改造前建筑按项目改造前冷热源进行设置，改造前水泵及风系统参数不明确，按照核定建筑赋予相应参数，冷热源改造前应用溴化锂制冷机组，效率按照 《公共建筑节能设计标准》 进行模拟，具体如表8 所示。

表8 冷热源机组性能参数设置

表9 冷热源机组性能参数设置

表10 空调新风系统性能参数设置

7）生活热水系统

本项目核定建筑参考设计参数设置，基准建筑按项目改造前热水系统进行设置，热水住院部用量较大，452 张床位，人均每天消耗70 L 热水。具体设备参数如表11 所示。

表11 冷热源机组性能参数设置

2.5 节能改造节能量分析

经计算，本项目基准期建筑能耗为 1029.7tce，核定期建筑能耗为786.3tce，节能率为23.6%。且基准建筑在建模中大量引用了现行节能设计标准中的推荐值，实际改造前建筑的用能系统无论从设备的先进性，老化程度均比现行标准要求要差很多，如冷热源的效率，灯具的选型和效率等，因此实际节能量要高于计算值。具体结果如图2 及表12：

图2 基准建筑与核定建筑逐月分项能耗统计图（tce）

表12 基准建筑与核定建筑分项年能耗对比（tce）

本项目节能源于以下四点：

1）围护结构中窗系统更换为更高效双层窗系统，冷热负荷均有所降低，从而空调系统能耗大幅降低。

2）空调冷热源选用了更高效的风冷热泵。同时由于取消了原系统中的冷却塔及冷却水泵，因此亦获得较大的节能量。

3）生活热水有燃气提供，改为高效的空气源热泵热水系统。

4）照明系统均更换为LED 光源，更为节能。

3 结论

本文总结不同的既有建筑节能改造节能量判定方法，分析了不同方法的适用场景。并以杭州某医院改造为例，利用全年动态能耗模拟的方法对基准期和核定期进行能耗分析，得出节能量。文中案例中项目改造前后使用功能发生了变化，同时针对窗系统，照明系统，暖通空调系统及生活热水系统进行了节能改造，传统计量方式无法准确获得改造前后的节能量，本文利用全年动态能耗模拟的方法有效解决了上述矛盾点，证明该方法的可行性。