任志强,张春枝,甘 静
(1.武汉科技大学 城市建设学院,湖北 武汉 430065;2.武汉力美建筑装饰工程有限公司,湖北 武汉 430050)
随着经济和建筑功能多样化的发展,大型商场建筑能耗可以达到普通建筑能耗的10～20倍,其中空调系统能耗占比可达40%～50%[1]。而化石类能源在国内能源消费市场中占有很大比重,2018年煤炭等化石能源占国内一次能源消费总量的84.7%[2]。受限于改造成本和“碳中和”的背景,以围护结构节能升级和设备利旧换新为主的节能改造,将是未来长时间内建筑行业的主要商业形式,学者们对该方面开展很多研究,如张喆等人以博物馆改造为例,通过模拟计算证明,仅对墙体、门窗和通风系统进行节能升级,每年可节省供热和制冷能耗分别为19%、19%[3],Wang等人将墙体改造成相变储能墙体,使南北向墙体内表面温度分别提高25%和109.1%,有效改善室内热环境[4]。李楠等人的研究证明仅对外窗进行节能改造,每年小区可节省采暖费42142.8元,但投资回收期较长,仅靠市场机制难以促进节能改造[5]。曹立勋等人通过优化冷机总装机量和多级泵系统,使冷站总能效由3.1提升到4.0左右,有效的提高了空调系统的效率[6]。韦古强等人通过对不同方案的比较,认为分散冷源可有效的降低耗冷量[7]。张小东等人通过对空调管道和风机盘管的试验证明长期未清洗的空调设备极大的降低了制冷与供热效率[8]。本文涉及的商场包括由原有全区域单一冷源的水冷(热)集中式改为水冷(热)集中式+多联机独立控制并优化冷(热)机总装机量、优化围护结构、更新空调设备三个方面,本文通过对上述改造前后能耗及热环境的数据收集,分析改造的经济性和节能性,为类似改造工程提供参考数据。
该商场于2005年建成并投入使用,2020年提出节能改造,改造对象主要包括围护结构、空调设备及室内屋顶装饰装修等。商场位于武汉市一商住两用楼的1～3层,4层及以上为住宅,商场建筑面积约3.2万m2,空调面积约2.8万m2。地面楼层高度分别为:一楼5.7 m,二楼5.1 m,三楼5.1 m,三楼楼顶空置面积约4 000 m2,种植草坪减少太阳辐射传热,其余面积分布四栋居民楼。负一楼作为地下车库层高4.5 m。
2.1 商场功能区改造概况
该商场原有功能比较单一,以服装零售为主。改造后增设区域④盒马鲜生,空调面积为3 800 m2;空置三楼屋面对原有草坪基础上新加低灌绿植与连廊。
图1为改造后的商场区域图。
图1 商场内部区域示意图
改造后各区域功能概述:区域①为美食广场区,区域②为零售区,区域③为餐饮区,区域④为盒马鲜生区,区域⑤为教育培训区,区域⑥为健身游泳区。
2.2 商场围护结构改造概况
通过《江苏省节能建筑常见材料热物理性能参数表》中查得各材料导热系数如下,砌砖:1.1 W/(m·K),石材幕墙(花岗岩):3.49 W/(m·K),水泥砂浆:0.93 W/(m·K),加气混凝土砌块:0.22 W/(m·K),铝板幕墙:203 W/(m·K),断桥铝中空玻璃(16 mm):2.2 W/(m2·K),6 mm普通单层铝合金窗:6.4 W/(m2·K),钢筋混凝土:1.74 W/(m·K),土壤(密度1 400 kg/m3):0.58 W/(m·K)。围护结构传热系数计算公式如下
式中K为围护结构传热系数,δi为结构中i材料厚度,λi为i材料导热系数,h1、h2为内外表面对流换热系数,单日测得立墙表面空气平均流速为2.4 m/s,取平均值6.2 W/m2·K[9],楼顶草坪表面换热系数参考外墙参数设定[9],测定绿植表面空气平均流速为0.4 m/s,取对流换热系数为0.9 W/(m2·K)。
改造前后围护结构材料导热系数及厚度参数见表1所示。
表1 商场围护结构改造明细表
改造后外墙传热系数小于0.8 W/(m2·K)、外窗传热系数小于2.2 W/(m2·K)、楼顶传热系数小于0.5 W/(m2·K),符合《公共建筑节能设计标准》要求。
2.3 商场空调系统改造概况
2.3.1 空调系统及其改造概况
商场原有空调系统采用的是二管制全空气系统,末端采用吊装式空气处理机组和散流器;冷热源采用的是冷水机组+电热水锅炉集中供冷供热,冷冻水设计进出水温为12/7 ℃,热水进出水温为50/60 ℃。冷却塔位于三楼楼顶。改造前制冷装机总容量为7 386 kW,锅炉装机总容量为2 094 kW。
改造后空调系统不再采用单一冷热源,而是根据需求不同采取水冷(热)集中式+多联机独立控制相结合。多联机系统用于区域④,其室外机制冷/制热装机总容量为585 kW/650 kW,室内/外机配比为108.06%,空调面积为0.38万m2。其他区域使用2台冷水机组和2台电热水锅炉集中供冷供热(下文简称:水系统),空调面积约为2.42万m2,冷水机组制冷装机总容量约为4 924 kW,电热锅炉制热装机总容量为1 000 kW,空调系统末端由全空气系统改为风机盘管+独立全热新风。
相对于改造前,改造后有如下三点改进:
(1)改造后制冷、制热总装机量分别降低了1 877 kW、444 kW,可以有效的降低包括泵、管道等暖通设备的损耗,降低运行成本。
(2)相对吊装空气处理机组,首先风机盘管体型小,布置灵活,降低对室内装修效果的影响,第二,风机盘管噪音小,降低对消费者购物行为的影响。
(3) 增设全热新风换气机,有效降低空调能耗。
2.3.2 各部分改造投资情况
各部分改造投资费用如表2所示,改造费用总计480万元,各项目投资费用如表2。
表2 各改造项目投资表
其中项目1包含多联机系统整体新购及安装费用;项目2包含制冷机组设备维修及制冷剂充注、冷却水泵和冷冻水泵的维修以及机房管路的清洗与更换;项目3包括2台电热水锅炉的、控制柜、2台热水泵、软水装置及管路等设备的新购与安装;项目4包括风机盘管、新风系统的购置与安装、商场内管路的清洗、更换保温及对应辅材;项目5其他包括企业管理费、工人工资等。
2.4 改造后的商场热环境测试
记录8月27～28日,1月8～9日商场各区域的人流量、温度,见图2所示。
图2 冬季供暖区域人员、温度的时间曲线
图3 商场全年能耗统计图(2021年8月～2022年7月)
商场各区域湿度保持在45%～60%之间。夏季室温为24～28 ℃且温度随楼层增加而降低,冬季室温为18～24 ℃且温度随楼层增加而降低升高,满足暖通系统的设计要求。
2.5 改造后能耗记录
商场改造后,记录电表数据,其中商铺电表记录商铺(区域①②③⑤⑥)内所有电器的总用电量,盒马鲜生电表记录盒马鲜生商超内所有电器的总用电量,集中空调机房电表记录冷水机组、电热锅炉、空调用泵及机房内照明和风扇用电量。计量时间从2021年8月～2022年7月。
上图为全年耗电量堆积柱状图,其中4月和11月机房内除照明和换气设备运行外,冷水机组、电热锅炉及泵关停。因此两月平均值作为空调系统关闭后水系统能耗基准值进行计算。其计算公式如下
Qi月水系统用电量=Qi月商铺用电量-Q4月、11月商铺用电量平均值+
Qi月冷水机组、电热锅炉和泵用电量
多联机系统按实际温度运行,12月至次年2月基本未开启。因此以12月、1月、2月月平均值为基准月能耗,计算其全年能耗。
全年各月能耗计算公式如下
Qi月多联机系统用电量=Qi月盒马鲜生用电量-Q12月,1月,2月盒马鲜生用电量平均值
上两式计算结果如图4。
图4 水系统、多联机系统各月计算能耗图(2021年8月～2022年7月)
水系统冬季1月耗电量最大,为248 428 kW·h,夏季7月耗电量最大,为264 979 kW·h,全年能耗为1 570 295 kW·h。盒马鲜生内部冷链展柜较多,主要采用一体式空调柜,压缩机及冷凝器位于设备下部,运行时产生大量热量,加之内部餐饮的产热,使得冬季空调未开启时,温度平均值达到19.3 ℃。而这部分热量在夏季严重增加该区域的耗冷,夏季8月空调能耗最高,达到了95 172 kW·h,全年能耗为420 700 kW·h。
3.1 模型参数输入
商场建模不同于一般住宅建模,具有空间大、房间多等特点,因此在建模时首先要对房间进行简化分类,将整个商场分为四个热区,热区Ⅰ包含区域①②,热区Ⅱ包含区域③,热区Ⅲ包含区域④,热区Ⅳ包含区域⑤⑥[10]。EnergyPlus具体参数如表3所示。
改造后区域④由多联机系统提供冷热源,其他区域仍由冷水机组+电热锅炉提供冷热源。模拟时不考虑长时使用造成的管道损失。
3.2 模型验证
改造后水系统全年能耗模拟值为1 690 544 kW·h,全年实际能耗为1 590 245 kW·h,误差为5.9%,多联机系统全年能耗模拟值为390 824 kW·h,全年实际消耗电量为420 700 kW·h,误差为7.12%。造成结果存在误差的原因主要分为以下两个方面:
(1)设备参数输入:商场用电设备复杂多样,难以全部输入;
(2)人员行为模式输入:商场空调运行时间由人员视具体情况进行操作,运行时间存在不确定性,其次,受疫情影响,导致商场无法正常营业,导致运行能耗低。
水系统和多联机系统能耗模拟值与实际值的差值分别为5.9%、7.12%,低于10%[11],其次改造前后非空调用电设备参数保持一致,抵消输入参数不确定对计算带来的影响,便于讨论空调改造对能耗的影响,因此仿真模拟的精度对本文所研究的问题是可行的。
3.3 模拟结果分析
改造前商场空调全年能耗模拟值为3 580 431 kW·h。数据对比如图5。
图5 改造前后全年能耗模拟计算对比图
(1)除七月外各月能耗改造后明显降低,改造前后空调设备轴功率对比如表4。
表4 轴功率对比表
表4表明改造后冷(热)源总轴功率比改造前降低了1 438.5 kW,热源轴功率改造前后分别比冷源设备轴功率高717 kW、38 kW。上述数据与图5改造前后能耗变化趋势相同,冬季单月空调能耗高于夏季单月空调能耗,与冷热源轴功率相对大小一致;
(2)改造后冷水机组夏季实际用电量为505 996 kW·h,机组一号机使用阶段内累计运行t1为1 071 h,二号机累计运行t2为823 h,理论最大用电量为1 043 770 kW·h,实际运行负荷为理论最大负荷的55.54%,螺杆机最佳运行负荷为最大负荷的30%～60%之间[12]。12、1、2月用电量数据证明,多联机系统供热效率远高于电热锅炉。
3.4 基于模拟计算的后期运行改进建议
结合本文2.4节人数与温度数据,对项目后期运营提出以下改进建议,区域⑤为教育培训区,根据图2人数统计可以看出,在十二点半之前,区域⑤每小时平均人数仅为50人,造成冬季供热能耗的浪费。考虑二楼餐饮对三楼温度的影响,将三楼空调单独设置运行时间(12:00～21:00)。三楼区域⑤平均温度如图6。
图6 优化设计后区域⑤平均温度曲线图
图6数据表明随着阳光照射,区域⑤温度开始上升,到9点其他区域空调开启后,温度基本维持在15℃,影响人群较少,影响程度较低。12:00随着空调开启室内温度快速上升,此时依据图2表明该区域人数上升到220人,将温度对购物影响降至最低。通过EnergyPlus计算,该方案每年可降低取暖用电量2.79×104kW·h,折算电费2.04万元。
(1)全年费用计算
C年度费用=Q年度用电量×C平均电费单价
式中Q年度用电量——商场全年模拟用电量;
C平均电费单价——该商场2022年1月～8月平均电费单价(单一制1～10 kV)为0.729 6元/kW·h。
(2)静态投资回收期计算
式中C空调改造总投资费用——表2(各改造项目投资表)计算得出,为480万元。
(3)碳排放差值计算
ΔM全年碳排放量=ΔQ′年度用电量×i
式中Q′年度用电量——商场全年模拟用电量;
i——华中单位供电平均碳排放系数[13],0.801 kg/kW·h。
节能减排计算结果如表5。
表5 电费及碳排放计算表
本文以武汉市某既有商场改造为例,首先从围护结构、冷热源和空调末端等方面详细阐述改造内容,其次搭建EnergyPlus模型,通过实际值与模拟值分析模型准确度,最后计算节能性和经济性进行分析并提出优化方案。根据上述研究,本文得出以下结论:
(1)在改进建筑围护结构保温性能的同时,降低空调装机量设计裕度,使得机组处于合理的负荷下有效地降低能耗;
(2)对仍处于使用年限的空调设备,设备利旧可以有效降低工程的投资回报期,例如制冷量1 231 kW的离心式冷水机组市场报价约为80～120万远高于本文整体的机房改造费用;
(3)冷水机组+多联机系统可以有效地满足商场功能多样化带来特定的空调运营温度及时间,同时有效的降低商场能耗,多联机系统冬季供热效率远高于由中央机房的电热锅炉提供热源的方式;
(4)改造后室内温度全年处于较为舒适的范围内,对比模拟的能耗数据,计算可得每年商场空调系统可减少二氧化碳的排放量0.12万t,投资回报期4.39年,证明了该改造的节能性和经济性。同时依据收集的人数、温度等数据证明改进商场空调运营时间可以在满足温度对购物行为影响最小的前提下降低运营成本。
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