高原寒冷地区既有建筑节能改造适宜性及经济性分析

赵 娟，周波涛，白艺飞，高俊梅，强天伟

(西安工程大学 城市规划与市政工程学院，陕西 西安 710048)

拉萨地处高原寒冷地区，冬季漫长而寒冷，夜间温度常年低于-8 ℃，历史最低气温可达-16 ℃，供暖是十分必要的[1].由于其特殊的地理环境，城市热网供暖无法实现，空气源热泵是比较常用的一种集中供暖方式.然而当地较早建设的建筑围护结构未能满足节能建筑要求，且气候条件与平原地区差异较大，空气源热泵无法达到额定制热量，加之设备运行数年之后系统性能衰减，导致很多既有建筑不满足供暖要求的情况.

围护结构节能改造已有众多学者进行了相应的研究.桑国臣等[2]对不同朝向外墙单位面积日平均失热量进行分析，提出“传热朝向差异”的围护结构热工设计方法.李榕榕等[3]利用DeST软件对四个城市的办公建筑模型进行12个角度朝向旋转，模拟计算全年冷、热负荷，分析朝向差异建筑对冷热负荷的影响程度，找到该地区最佳朝向.胡达明等[4]通过DOE-2软件模拟计算夏热冬冷地区典型居住建筑在不同朝向时的能耗，发现建筑南北向时能耗比东西向时低15%左右.André Furtado等[5]通过对既有建筑的外墙填充不同材料的砌体进行围护结构改造，发现最高可以提升70%的能效.梁秒梦等[6]基于建筑朝向差异，对建筑进行功能分区与室内分区设计，即典型建筑.通过软件模拟不同地区既有建筑与典型建筑的室外温度、冬至日建筑耗热量，发现典型建筑模型的室温相对既有建筑模型有明显提高.Faezeh Bagheri Moghaddam等[7]通过软件模拟建筑在不同朝向建立绿色外墙时的能耗，发现在西北向时节能效果不明显，而在南向建立绿色外墙时建筑能耗下降28%.崔俊奎等[8]通过工程实测，发现既有建筑保温特性与节能标准有较大差距.通过模拟计算参数达标前后围护结构能耗差，并比较各方案的改造费用得出最优方案.黄帅帅等[9]通过DeST软件模拟得出建筑围护结构各部分改造后节能情况.外墙最大热负荷节能率为45.66%，屋面最大热负荷节能率为4.25%，外窗最大热负荷节能率为7.36%.F Martín-Consuegra等[10]研究了某小区住宅被动式改造后能效改善情况，并对围护结构改造前后室内热环境进行了分析.LM Ló pez-Ochoa等[11]通过全寿命周期成本分析法，采用最佳方案优化围护结构并根据建筑朝向差异更改开口，以实现近零能源建筑.Lili Zhang等[12]通过DeST软件模拟计算围护结构改造时采用不同类型及厚度的材料进行外墙保温的建筑能耗，发现改造后可节省21.52%的供暖能耗.Claire Far等[13]通过FirstRate5热舒适模拟软件模拟了7种围护结构改造方案下全年累计供暖与制冷能耗，发现改造后节能效果最高可达到71%.Lina La Fleur等[14]以瑞典某住宅为研究对象，提出一种生命周期成本不变的最佳能效的优化方法.通过OPERA-MILP软件进行围护结构改造及能源优化，研究发现对外墙节能改造比对屋顶更符合成本效益.Axel Bruck等[15]通过线性规划法对欧洲地区既有建筑节能改造展开研究，得出了不同气候区和建筑类型的节能改造阈值.刘晓君等[16]建立了既有住宅建筑节能改造评价指标体系，并运用模糊综合评判法建立了既有建筑节能改造项目的判定模型，为既有建筑节能改造提供了决策依据.Yangluxi Li等[17]通过矩阵法建立了围护结构优化模型，探究了不同影响因素对建筑能耗的影响，得出减少通风口，增加保温材料厚度可以有效降低能耗.何梅等[18]以内蒙古地区住宅建筑为研究对象，通过DeST软件计算不同窗户的冬季采暖负荷，对几种节能窗用于不同朝向的房间的节能率进行对比，为严寒地区的既有住宅建筑节能改造窗户选择提供依据.Shahryar Habibi等[19]通过模拟的方式，研究了在屋顶铺设光伏板的节能改造方式，得出在屋顶铺设光伏板不仅可以增强建筑保温性能，而且提高了光伏板发电效率.李峥嵘等[20]通过对贵州地扪侗寨传统民居围护结构改造前后室内温湿度进行现场实测，发现砖墙结构能更好地稳定室内温湿度.以上学者对围护结构改造进行了研究，但拉萨地区建筑能耗不仅受围护结构影响，还和供暖热源有关.高鹏程等[21]对空气源热泵机组在严寒地区的运行效果进行了分析.结果表明热泵机组随室外空气温度的降低会出现制热量不足的情况.李欣林等[22]对拉萨地区空气源热泵进行实验测试，分析实验结果发现空气源热泵在高原环境下受空气温度低等不利因素的影响其全负荷运行下的制热量、性能系数明显降低.Michael Chesser等[23]在对爱尔兰某建筑进行节能改造时，对不同室外环境下空气源热泵性能进行测试，发现室外温度为7℃时，空气源热泵的COP比额定COP低16%.Jihong Pu等[24]通过实验探究结垢对空气源热泵性能的影响，发现污垢对加热模式下的空气源热泵性能的影响会随着空气温度的降低而加剧.王洋涛等[25]为解决空气源热泵在室外空气温度降低、负荷需求增大时制热量减小的问题，提出单价能效系数的概念优化了空气源热泵及辅助电加热供暖的耦合方式，提高了供暖系统的节能性和经济性.

以上研究分别对不同朝向的围护结构差异、空气源热泵的高原修正进行了探讨，但并未基于高原寒冷地区强辐射、低密度的特殊气候条件，提出主动与被动相结合的既有建筑节能改造综合优化方案.本文通过对当地建筑实测数据分析，充分考虑到气象条件和地理因素的影响，采用DeST能耗模拟软件实施了针对不同朝向有差异的围护结构改造方案，并对空气源热泵运行参数进行高原修正，针对不同方案进行初投资和运行费用的综合性经济性分析，得到较好的既有建筑节能改造方案.

1 供暖季室内热环境实测

该建筑共5层，总面积为5 200 m2，其中供暖面积为4 118 m2.建筑采用空气源热泵作为空调热源形式，室内末端设备为风机盘管.冬季室内供暖设计温度为18 ℃，供回水温度为45/40 ℃.

该测试选择4个办公室房间做室内热环境监测，分别取南北向四个房间，其平面布置如图1所示.

图1 办公建筑典型层平面图

房间3未开启风机盘管，其他房间均供暖.温湿度自记仪分别记录12月25日与12月27日10：00～18：00室内外温度数据，温度曲线如图2所示.

图2 实测室内外温度曲线

由图2可知，温度曲线按照被测房间号从高到低排列为：房间4>房间3>房间1>房间2.房间1与房间2为北向房间，房间1空间大，室内温度低，全天大部分时间都温度低于18 ℃.房间2空间小，风机盘管一直开启，且电热器取暖的情况下才能保证室内温度.根据房间工作人员解释，北向房间全天都比较冷，需要空调供暖；房间3与房间4为南向房间，南向房间温度在10：00时温度与北向房间温度较为接近.之后温度上升较快，至13：00温度最高达到24 ℃，之后再22 ℃左右波动.据房间工作人员介绍，该房间温度较为舒适，仅在早晨需要开空调，其余时间依靠太阳辐射可满足温度要求.

从室内外环境测试结果可以看出，室内热环境与外墙保温有很大的关系，对于高原寒冷地区，由于太阳辐射强度大、昼夜温差大、天空背景辐射强等因素，南北外墙应采用不同的保温措施，北外墙可强化保温性能以防止热量散失，南外墙可适度弱化保温强度并加大窗墙比，从而强化白天传热，以提高室内温度，但居住建筑等夜间使用的房间需要考虑夜间散热传热，要综合比较白天得热量与夜间失热量以确定墙体保温措施.

2 能耗模拟分析

2.1 建立模型及参数设置

根据以上测试结果及建议，考虑对围护结构进行改造以降低室内热负荷.采用DeST软件建立该建筑模型，并进行不同围护结构方案的能耗模拟.其DeST模型如图3所示.

图3 DeST模型三维视图

初始模型围护结构材料根据设计施工图纸设定，围护结构各部分具体材料及参数详见表1.

表1 初始模型围护结构参数

其中外墙传热系数为0.859 W/m2·K；传热系数为2.569 W/m2·K；外窗类型为6+12A+6，玻璃层数为两层，传热系数K为2.9 W/m2·K，太阳能得热系数为72.2%.

室内环境参数具体设定如下：

(1)室外气象参数：采用拉萨地区典型年的逐时气象数据.

(2)内扰设定：软件内扰部分详见表2.

表2 室内参数

(3)系统设定：建筑内每个空调房间设定独立风机盘管系统，采暖时间2为每年的11月4日至次年的3月19日，共计136 d.采暖运行时间设定为每天9：00-19：00.

2.2 建筑热负荷计算

通过DeST模拟计算得到该建筑最大热负荷为246.95 kW，其供暖季逐时负荷曲线如图4所示.

图4 建筑供暖季逐时负荷

计算该建筑各房间热负荷，并对所选房间全年热负荷进行统计，统计结果见表3.

表3 典型房间供暖季热负荷统计

3 供暖系统能耗诊断

该建筑主要暖通设备见表4.

表4 主要暖通设备表

该建筑供暖季最大热负荷为246.95 kW，低温型风冷热泵额定制热量为70 kW×4台=280 kW.基本满足要求，但工程中需考虑机组老化、锈蚀或受室外环境影响导致制热量下降等问题，参考李欣林[16]对拉萨地区风冷热泵实际制热量随室外温度变化衰减的研究，结合本文研究的室外情况得出实际制热量在38.1～63 kW之间，且仅在下午17：00左右太阳热辐射最大时达到60 kW，故取最不利状况每台机组实际制热量为38.1 kW.四台机组共152.4 kW小于建筑供暖季最大热负荷，故该机组不满足要求.针对机组不满足要求的情况，一般处理方法是更换一套大功率的热水机组.但是这种方法存在两种弊端，①更换一套新机组的投资费用较高；②换用更大功率的热水机组对于南向房间存在热量浪费的情况，且运行费用明显增大.因此提出两步走的改造方案：首先进行围护结构的节能改造，降低室内热负荷；再对热源进行不同方案经济性比选.

4 围护结构节能改造

为降低建筑能耗，首先对围护结构进行优化，优化后围护结构热工参数应满足西藏自治区民用建筑节能设计标准[26].围护结构优化具体参数见表5.

表5 围护结构优化具体参数

根据该设计标准，该办公建筑位于拉萨属于寒冷地区(C)，体形系数为0.27满足要求；建筑南向窗墙比为0.5满足要求；优化前屋面传热系数为0.595>0.45不满足节能标准，优化后为0.289满足要求；优化前外墙传热系数为0.595>0.55不满足节能标准，优化后为0.45满足要求；优化前外窗传热系数为2.9>2.0不满足节能标准，优化后为1.61满足要求.

围护结构原始参数为方案1，选择两种改造方案，方案2在原始建筑基础上，按表5的围护结构参数在北向外墙、屋顶上添加保温材料，北向外窗采用表5参数；方案3为建筑所有外墙、屋顶、外窗根据表5的参数进行改造.

通过DeST对优化后的办公建筑模型进行室内外温度、供暖季热负荷模拟计算.在不供暖的情况下，4个典型房间室内温度值低于供暖设计温度18 ℃的时刻数如图5所示.

图5 各房间供暖季温度低于18 ℃小时数统计图

由图5可知，在不供暖情况下，方案1中房间1、2位于北向，室内温度低于18 ℃的小时数分别为1 536 h和1 912 h，房间3、4位于南向，房间温度低于18 ℃的小时数仅为98 h和44 h；根据方案2对围护结构进行改造后，室内温度低于18 ℃的小时数大幅下降，房间1、2为197 h和453 h，而南向的两个房间温度全部达到18 ℃以上；方案3的改造使所有房间在不供暖时，大部分时间都可以满足室内温度要求，房间1、2为50 h和46 h，南向的两个房间温度全部达到18 ℃以上.

三种方案下四个房间供暖季逐时热负荷分布情况如图6所示.对于房间1，围护结构改造前平均日供热量为112.22 MJ/d；围护结构按照方案2和方案3改造后，平均日供热量分别为72.92 MJ/d、69.74 MJ/d；房间2三种方案下平均日供热量分别为77.27 MJ/d、56.39 MJ/d、43.59 MJ/d；房间3三种方案下平均日供热量分别为1.35 MJ/d、0.19 MJ/d、0.05 MJ/d；房间4三种方案下平均日供热量分别为0.54 MJ/d、0.48 MJ/d、0.01 MJ/d.

图6 各典型房间日供热量曲线图

如图7所示，三种方案最大热负荷值分别为：246.40、203.99、148.82 kW；供暖季总供热量分别为：355.21、246.78、168.73 GJ，按照方案2和3进行围护结构改造后，总供热量分别减少了30.5%和52.5%.

图7 供暖季最大热负荷和总供热量

5 热源改造方案及经济性分析

为了进一步满足室内热舒适要求，需要对热源进行改造.本文提出两种方案，方案A为不改变原有空气源热泵供暖系统，根据方案2进行围护结构改造，且仅在北向房间外墙内侧壁面敷设电热膜进行辅助供暖；方案B为不进行围护结构改造，更换所有空气源热泵机组.

原空气源热泵型号为LAWM200HT/2|4|D，该设备在拉萨地区运行时，室外温度低于0 ℃的小时数为1 503 h，最低可达-16 ℃.运行环境空气温度极低，且运行数十年后机器本身存在的老化、磨损等问题导致实际制热量远低于额定值热量.文献[22]分析了该机组实际制热量、输入功率随室外温度的变化曲线，得到拉萨地区空气源热泵机组制热量高原修正系数，如表6所示.

表6 拉萨地区空气源热泵机组制热量高原修正系数[16]

根据空气源热泵相应性能曲线，结合表6所示的高原修正系数，线性拟合得到原有机组和新机组在拉萨运行的制热量、输入功率函数关系式，如公式(1)～(4)所示.

(1)

(2)

y1=K[1.93(x)+66.66]

(3)

y2=0.64(x)+21.32

(4)

根据拉萨逐时气象参数，室外温度在-11～10 ℃之间变化时，根据公式(1)～(4)得到两机组逐时制热量和功率的逐时统计值，如图8所示.

图8 新机组与原始机组逐时制热量及逐时功率统计图

从图可知，旧机组的制热量在27.85～51.24 kW之间，平均制热量为额定制热量的56.7%.逐时功率在18.99～22.38 kW之间，平均功率为额定功率的70.6%；新机组的制热量在37.47～68.81 kW之间，平均制热量为额定值热量的82%，逐时功率在14.04～27.68 kW之间，平均功率为额定功率的78%.由以上数据可知，对于高原地区，应充分考虑到室外环境因素对空气源热泵制热量的影响，不能按照额定制热量来选型.

5.1 方案A经济性分析

原有空气源热泵型号为LAWM200HT/2|4|D，该设备实际制热量已不能满足室内供暖要求，需要增加电热膜辅助供热.根据市场调研，电热膜选型及价格如表7所示.

表7 电热膜选型

围护结构改造初始投资(人工费折入单价)包括：EPS外墙薄抹灰系统的材料费用、Low-E玻璃费用、屋顶XPS保温材料的费用以及不满足房间电热膜费用.初始投资费用如表8～9所示.

表8 围护结构改造方案2初始投资费用表

表9 围护结构改造方案3初始投资费用表

拉萨地区民用电价以0.5元/kW·h计，围护结构按照方案2改造后空气源热泵供暖季耗电量为2.746 4×104kW·h，运行费用为1.37万元/a；空调系统总耗电量为6.03×104kW·h，运行费用为3.015万元/a.空气源热泵能耗约占空调系统总能耗的46%；供暖季使用电热膜总耗电量为467.58 kW·h，费用合计0.002 4万元/a；方案2运行费用共计3.017万元.

根据DeST软件模拟计算结果，方案3围护结构改造后供暖季总供热量为168.73 GJ，空调系统总耗电量为5.19×104kW·h，则空调系统运行费用为2.59万元/a.

5.2 方案B经济性分析

根据方案B，考虑高原修正以及最不利情况下空气源热泵制热能力，选择空气源热泵7台，由造假通查得价格为17.8万元/台，总费用为124.60万元.该空气源热泵额定制热量为70 kW，额定功率为29.1 kW.方案1的围护结构参数下空气源热泵总耗电量为3.866×104kW·h，空调系统总耗电量为7.105×104kW·h，供暖季空气源热泵运行费用为1.93万元/a，空调系统总运行费用为3.55万元/a，空气源热泵能耗占空调系统总能耗的54%.

5.3 整体经济性分析

根据文献[28]，本文选择生命周期费用法作为经济指标，项目的生命周期取20年，基准折现率取12%.计算得：方案A的生命周期费用为48.263万元，方案B的生命周期费用为153.643万元，根据以上分析，将前面各方案的初投资、运行费用及生命周期费用汇总如表10进行比较.

表10 各方案对比分析

如表10所示，围护结构改造方案2的生命周期费用比方案3节约27.16万元/a，所以优先推荐方案2.则对于方案A，初投资为23.58万元，年运行费用为3.017万元；对于方案B，初投资为124.60万元，运行费用为3.55万元/a；综合分析，方案A较方案B初投资节省101.02万元，运行费用节省了0.533万元/a.生命周期费用节省了105.38万元/a.以上分析表明方案A经济性更好，是可以优先推广的既有建筑改造方式.

6 结论

对拉萨某办公建筑室内外温度实测，发现南北向房间热负荷差异巨大、北向房间温度不满足供暖要求.为进一步探究以拉萨为代表的高原寒冷地区节能改造措施，本文采用全生命周期费用为指标，从围护结构节能改造和热源改造两个方面进行优化，得出以下结论：

(1)对拉萨某办公建筑进行室内外温度实测，结果显示，南向房间3和4温度较为舒适，满足采暖要求；北向两个房间室内温度低，开启空调后室内温度大部分时间低于18℃，不满足采暖要求.为解决此问题，提出围护结构改造；

(2)分别采用方案1(未改造)、方案2(北向围护结构改造)和方案3(全部围护结构改造)进行DeST能耗模拟，模拟结果显示，方案2改造后在供暖季的总供热量为246.780 GJ，比方案1减少了50.79%；方案3改造后在供暖季的总供热量为168.732GJ，比方案1减少了52.5%，围护结构改造效果显著；

(3)为进一步满足室内热舒适要求，提出方案A(改造围护结构并加装电热膜)和方案B(直接更换空气源热泵).对这两种方案分别进行经济性分析后得出：方案A初投资为23.58万元，年运行费用为3.017万元；方案B初投资为124.600万元，年运行费用为3.55万元；从经济性分析结果来看，方案A较方案B，初投资费用节省101.02万元，年运行费用节省0.533万元，生命周期费用节省105.38万元，是可以优先推广的既有建筑改造方式.