第 3 章 建筑节能优化方案分析。
根据前文总结出的现场实地调研时发现该栋办公建筑运行中存在的问题，集合建筑实际测得的各项运行数据及能耗数据，基于建立的该建筑能耗模型，开展节能优化的方案分析，以期得出节能效果较好的节能优化方案，以便进行进一步的经济效益分析，最终得出适合该栋办公建筑的、经济可行的节能优化措施。
3.1 提升围护结构保温性能。
在现场实地调研中发现，该栋办公建筑的屋面传热系数为 2.38W/ ( m2·K)，外墙主体传热系数为 1.62W/ ( m2·K)，屋面及外墙均没有采取保温隔热措施。建筑的外窗类型均为单层单玻窗，窗框类型为铝合金窗框，玻璃为普通玻璃，外窗传热系数约为 4.8W/（m2·K），由于建筑各项围护结构的传热系数均不满足现行公共建筑节能设计规范的要求，导致冬夏季建筑室内冷热负荷较大，造成能源的浪费，因此笔者基于建立的建筑能耗模型，首先从合理提升建筑外围护结构的保温隔热性能入手，进行建筑节能优化方案分析。
3.1.1 屋面。
提升建筑外围护结构的保温隔热性能是当前各类型建筑节能减排工作中的关键措施之一，无论是各地政府温暖人心的“暖房子”民生工程，还是借鉴欧洲发达国家先进经验、引入我国稳步发展的被动式超低能耗建筑，都是通过提高围护结构热阻、降低传热系数从而提升其保温性能，来实现减少外部环境温湿度变化对室内环境的热扰，降低建筑室内冷热负荷，提升室内人员舒适度并有效降低建筑能耗的目的。但站在考虑建筑全年能耗的角度来说，细致深入的全面研究可能存在的各种影响是十分必要的。毋庸置疑围护结构保温性能的提升会有效降低夏季室内得热量和冬季室内散热损失，而根据办公建筑的运行特点，晚间建筑内部工作人员离开后，集中空调系统通常会停止运行，此时室外夜间温度下降，而建筑物室内温度往往较高，这是因为建筑墙体材料热惰性导致之前室内得热量转化为室内冷负荷的过程存在延迟。在室内温度高于室外温度的情况下，建筑室内向室外传递热量，随着围护结构保温性能的提升，这部分夜间室内散热量降低，没有散发的热量蓄存在室内，从而导致第二天日间室内冷负荷增加，造成空调制冷能耗的增加。与这一部分增加的夏季制冷能耗相比，应认真研究围护结构保温性能提升所降低的供热制冷能耗所占比重，从而采取经济合理的保温节能措施。
由于 XPS（挤塑聚苯乙烯泡沫塑料）具有优良的保温隔热性、卓越的高强度抗压性、优质的憎水、防潮性、稳定性好防腐性好等优点，选用 XPS 挤塑聚苯乙烯板作为屋面敷设的保温材料，通过调整 XPS 保温板的厚度调整屋面材料的传热系数，对屋面保温性能提升后降低的建筑全年耗电量与夏季夜间散热减少导致耗电量增加的比例进行研究，来确定较为经济的屋面保温层厚度。模拟计算得到的建筑全年耗电量见表 3-1，为了便于全面计算分析各项节能优化方案的实际节能效果，将冬季空调热源能耗换算为耗电量计入建筑全年空调耗电量中，各项节能优化方案的耗电量及节能效果均按此计算。
根据计算结果分析可知，随着 XPS 挤塑聚苯乙烯板厚度从 0 增加到 100mm，屋面保温性能有了显着改善，其传热系数从 2.38W/（m2·K)逐渐降低至 0.27W/（m2·K)，夏季空调制冷耗电量从 322.54×103kWh 降低至 317.64×103kWh，节能量有限并不明显；分析原因可知，随着屋面传热系数的逐渐降低，夏季日间空调系统运行时由于传热减少而降低的室内冷负荷值，大于晚间屋面散热效果减弱而增加的室内冷负荷，但二者数值相差很小。冬季空调供暖耗电量从 915.52×103kWh 降低至 870.16×103kWh，节能量为45360kWh；分析原因可知，由于冬季室内外温差较大，随着屋面传热系数的逐渐降低，冬季室内热损失逐渐减少，有效降低了热负荷，从而降低空调供暖耗电量。
综合全年建筑空调系统耗电量来看，随着XPS保温层厚度的逐渐增加，每增加10mm保温层厚度，保温性能改善带来的耗电量节约效果逐渐减弱，见图 3-1；建筑屋面敷设100mm 厚的保温层与屋面无保温相比，全年空调系统耗电量节能率为 4.23%，由于屋顶单位面积接受的太阳辐射热量较多，且屋面面积占整个建筑表面积的比例有限，屋顶保温性能的提升对于减少建筑全年用电量有一定效果，但节能量有限。考虑到屋顶无保温时室内人员为了满足舒适度的要求，常常超长时间运行空调系统，甚至在夜间也维持运行以满足早间室内温度要求，屋面保温性能的改善带来的节能效果应优于模拟计算值，可作为节能优化方案之一进一步计算经济效果。
3.1.2 外墙。
与屋面可能存在影响建筑全年耗电量的因素类似[43]，改善外墙保温性能带来的节能效果，也应综合考虑夏季晚间的室内散热影响因素。结合建筑的消防要求，选用 A1 级保温板作为屋面敷设的保温材料，通过增加外墙保温层的厚度来优化外墙的传热系数，研究提升外墙保温性能导致的建筑全年空调系统耗电量变化。模拟计算得到建筑全年耗电量，见表 3-2。
随着外墙保温层厚度从 0 增加到 100mm，外墙保温性能有了显着改善，其传热系数从 1.62W/（m2·K)逐渐降低至 0.21W/（m2·K)，夏季空调制冷耗电量有所增加，从 322.54×103kWh 变化为 336.01×103kWh；分析原因可知，当外墙传热系数逐渐减小时，夏季日间空调系统运行时由于传热减少而降低的室内冷负荷数值，小于晚间外墙散热效果减弱而增加的室内冷负荷数值，因此夏季空调制冷耗电量有所增加。冬季空调供暖耗电量从 915.52×103kWh 大幅度降低至 670.90×103kWh，节能量为244620kWh；分析原因可知，由于冬季室内外温差较大，随着外墙传热系数的逐渐降低，冬季室内热损失逐渐减少，有效降低了热负荷，从而大幅度降低空调供暖耗电量。综合全年来看，建筑空调系统耗电量从 1238.06×103kWh 大幅度降低至 1006.91×103kWh，节能量为 231150kWh。
改善外墙保温性能与提升屋面保温性能的计算结果并不相同，进一步分析原因可知，除了外墙面积大于屋面面积这一因素导致外墙传热系数降低带来的冬季空调耗电量节能效果优于屋面传热系数降低以外，与屋面相比外墙得到太阳直射辐射量相对较少，冬季外墙室内外的温差大于屋面室内外温差，因此外墙处的散热损失比屋面处更大，改善保温性能后冬季节能效果也更好。对于夏季来说，外墙接受的太阳直射辐射量相对较少，外墙外表面温度要低于屋面的外表面温度，外墙处由于室内外温差导致的传热量要低于屋面处；而夏季夜间建筑物向室外散热时，由于外墙面积更大，保温性能提升对散热的不利影响也更大，因此综合来看，外墙保温性能提升后，夏季空调制冷耗电量有所增加。
但显然针对寒冷地区的自然条件来说，冬季供暖耗电量大于夏季制冷耗电量，综合建筑全年来说，提升外墙保温性能可以显着降低建筑全年空调系统耗电量，是有效的重要节能减排手段。保温层厚度的逐渐增加，每增加 10mm 保温层厚度，保温性能改善带来的耗电量节约效果逐渐减弱，见图 3-2；外墙敷设 100mm 厚的保温层与外墙无保温相比，全年空调系统耗电量节能率为 22.96%，考虑到现在无保温时室内人员为了满足舒适度的要求，常常在夜间也维持运行空调系统，外墙保温性能的改善带来的节能效果应优于模拟计算值，可作为该栋办公建筑的节能优化方案之一进行经济效益的计算。
3.1.3 外窗。
由于建筑外窗面积在建筑表面积中占有一定比例，外窗传热系数又明显高于外墙、屋面等围护结构，通过外窗的传热量占通过建筑各项围护结构传热量合计值的比例约为25%，对建筑全年能耗有着显着的影响。因此根据保温性能合理选择外窗，同时冬季有效利用通过其进入室内的太阳辐射得热量，对于建筑全年用能总量的节约具有明显效果，对于寒冷地区的建筑尤为如此[44]。针对该栋办公建筑的实际情况，笔者从玻璃传热系数的角度，分别计算不同传热系数情况下冬季供暖用能量和夏季供冷用能量，并综合分析计算建筑全年空调系统用能量的变化。
该栋办公建筑采用单层单玻窗，传热系数为 4.8W/(m2·K)，根据各类外窗的传热系数差异，在建筑模型中将外窗传热系数变化范围设置为 1.3W/(m2·K)~4.8W/(m2·K)，展开针对外窗传热系数对全年建筑耗电量影响的研究与分析，计算结果见表 3-3、图 3-3。
据计算结果进行分析，随着外窗传热系数从4.8W（/m2·K)逐渐降低至 1.3W（/m2·K)，夏季空调制冷耗电量有所增加，从 322.54×103kWh 变化为 363.89×103kWh；分析原因可知，当外窗传热系数逐渐降低时，夏季日间空调系统运行时由于传热量减少而降低的室内冷负荷数值，小于晚间外窗散热效果减弱而增加的室内冷负荷数值，因此夏季空调制冷耗电量有所增加。冬季空调供暖耗电量从 915.52×103kWh 大幅度降低至 656.41×103kWh，节能量为 259110kWh；分析原因可知，由于冬季室内外温差较大，随着外窗传热系数的逐渐降低，冬季室内热损失逐渐减少，有效降低了热负荷，从而大幅度降低空调供暖耗电量。综合全年来看，建筑空调系统耗电量从 1238.06×103kWh 大幅度降低至1020.30×103kWh，节能量为 217760kWh，全年空调系统耗电量节能率为 21.3%，可作为该栋办公建筑的节能优化方案之一进行经济效益的计算。
3.2 提升空调系统设备性能。
根据前文的现场实地数据调研结果，暖通空调系统部分主要设备的性能有待优化：
在室外温度为室外平均温度为 28℃的情况下，1#制冷机组的平均运行能效仅为 2.41，说明制冷机组的能效衰减较为严重，暖通空调系统的节能优化应首先从提升制冷机组的能效入手。该栋办公建筑空调制冷系统的 2 台冷冻水泵均为定频水泵，而且实地测试的水泵运行效率衰减严重，造成很大的电能消耗，应考虑对水泵进行变频控制，同时提高水泵的运行效率，可以根据建筑实际负荷调整水泵的工况，解决小温差大流量的问题。因此有关提升暖通空调系统设备性能的各项节能优化方案研究于下文展开。
3.2.1 制冷机组性能系数。
性能系数 COP 指空调满负荷下的能效比，该栋办公建筑选用两台 940kW 的风冷热泵机组，由于现场实测制冷机组运行能效较低，考虑提升机组性能系数来降低空调系统耗电量，因此在建筑模型中设置不同的机组 COP，研究建筑全年用电量根据不同 COP值的变化程度，分析该项节能优化方案的节能潜力[45]。建筑模型中输入的机组 COP 值为名义工况下的 COP，室外温度 28℃时，机组实际 COP 为 2.37，而根据风冷热泵厂家提供的数据，该温度下额定 COP 为 3.87；名义工况的室外温度为 35℃，该温度下额定COP 为 3.0。由于实地调研时天气条件无法满足室外 35℃的工况，根据风冷热泵厂家提供的不同环境温度下制冷量与电功率数据，结合实地调研时测得的制冷量与电功率数据，使用线性插值法进行推算，名义工况下的实际 COP 大致在 2.0。
根据《冷水机组能效限定值及能源效率等级》中对于能源效率等级指标的相关规定[46],结合推算出的名义工况 COP，设置 COP 按照不同能源效率等级分别为 3.4，3.2，2.7，2.0，能耗模拟结果如表 3-4。以 COP 为 2.0 时的各项能耗为基准计算节能率，见图 3-4。
根据模拟计算出的数据结果，当机组 COP 值从 2.0 逐渐提高到 3.4 时，空调制冷耗电量减少了 50150kWh，制冷耗电量节能率达到 15.55%。进一步对建筑制冷用电量的变化进行分析，可观察到随着 COP 值的不断提高，每提高一个能效等级提升机组性能系数带来的节能效果呈递减趋势，制冷耗电量下降比例在 6.87%~3.44%之间，因此可知当制冷机组性能系数提高到一定水平后，继续提高制冷机组性能系数降低的建筑制冷用电量有限。由于该栋办公建筑风冷热泵机组实际运行 COP 过低，在合理范围内提升风冷热泵的性能系数，可有效降低空调制冷用电量，节能效果较好。
3.2.2 水泵效率。
根据调研实测数据显示冷冻水泵运行效率只有 56.29%的实际情况，考虑提升冷冻水泵效率降低空调制冷耗电量，因此开展水泵效率变化对空调制冷耗电量影响的研究。结合水泵实际运行效率及水泵产品的数据，在建筑模型中分别设置水泵效率为50%~80%，模拟计算结果见表 3-5、见图 3-5。
根据模拟计算结果，当水泵效率从 55%提升至 80%时，水泵耗电量从 81.85×103kWh减少至 45.39×103kWh，节约电能 36.46×103kWh，以水泵效率为 55%时的空调制冷耗电量为基准，计算得到节能率为 11.20%。随着水泵效率的不断提升，其带来的节能效果越来越不明显，使用效率为 75%的冷冻水泵与使用效率为 80%的冷冻水泵相比，节能效果有限。因此，应针对项目实际需求合理选择冷冻水泵。该栋办公建筑冷冻水泵的额定效率为 79%，已经满足节能运行的要求，但水泵实际运行效率过低导致难以满足节能要求，因此考虑换用较高效率的水泵，并进一步进行经济性回收期的计算。
3.2.3 水泵变频控制。
由于该栋办公建筑建成时间较早，与风冷热泵机组配套使用的两台冷冻水泵均为定频水泵，没有实现变频调速控制。作为建筑空调系统常用的节能优化方案之一，变频调速控制水泵可有效避免部分负荷工况下大流量小温差的空调水系统运行状况，同时有效降低水泵运行耗电量[47]。因此考虑将该栋办公建筑的两台冷冻水泵改为变频调速控制，通过建筑能耗模型计算该优化方案的节能效果，结果见表 3-6。
根据上表可以看出，使用水泵变频调速控制措施后，水泵耗电量有了大幅度的降低，从 81.85×103kWh 减少至 53.20×103kWh，节约电能 28.64×103kWh，以采用定频冷冻水泵时的空调制冷耗电量为基准，计算得到节能率为 8.79%，具有较好的节能效果，可作为节能优化方案进行后续经济性回收期的计算与研究。
