梁辰吉昱 胡平放 冼麗珊 宋 一

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武漢某醫(yī)院圍護(hù)結(jié)構(gòu)與照明節(jié)能改造方案分析

梁辰吉昱 胡平放 冼麗珊 宋 一

（華中科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 武漢 430074）

以武漢市某醫(yī)院某住院樓（以下簡稱C樓）為例，根據(jù)建筑能耗情況對比分析其節(jié)能潛力，然后提出了使用節(jié)能外窗、自然采光和外墻外貼聚苯板三個可行節(jié)能改造方案，利用DeST-C判斷方案的適用性，并與國內(nèi)其他研究者的結(jié)論相比較，提出合理的節(jié)能建議。

既有醫(yī)院；能源診斷；節(jié)能改造；DeST

0 引言

我國目前能耗總量較大，僅次于美國，且建筑能耗占總能耗的比值超過20%[1]，其中大型公共建筑的能耗所占比例較大，為普通住宅的10～20倍[2]，因此推進(jìn)建筑節(jié)能改造勢在必行，也對我國節(jié)能發(fā)展，建設(shè)“環(huán)境友好型”、“節(jié)約型”社會有重要意義。

本文選取武漢某醫(yī)院的B樓和C樓為對象進(jìn)行能源診斷判斷其節(jié)能潛力，并以C樓為對象進(jìn)行能耗模擬。該醫(yī)院始建于1951年，主要建筑有B樓、C樓、門診樓、行政辦公樓和后勤樓等，其中C樓為住院樓，共13層。

1 能源診斷

1.1 基準(zhǔn)能耗

以B樓和C樓兩棟住院樓的空調(diào)系統(tǒng)、生活熱水系統(tǒng)、照明系統(tǒng)和電梯系統(tǒng)的能耗作為年基準(zhǔn)能耗，如表1所示。

1.2 與國內(nèi)類似建筑的能耗比較

B樓和C樓的建筑面積為：B樓11000m2、C樓25187.2m2，它們的基準(zhǔn)能耗折算如表2所示。因此B樓、C樓的建筑能耗指標(biāo)為211.3kWh/(m2?a)，其中建筑單位面積電耗為85.06kWh/(m2?a)，單位面積耗燃?xì)饬繛?7.01Nm3/(m2?a)。

表1 B樓、C樓基準(zhǔn)能耗表

表2 B樓、C樓基準(zhǔn)能耗折算表

國內(nèi)其他研究者確定了不同地區(qū)的醫(yī)院能耗水平：杜然確定了武漢醫(yī)院建筑平均能耗指標(biāo)為156.26 kWh/(m2?a)[3]；楊延鋒等人確定了中南大學(xué)湘雅三醫(yī)院的建筑能耗指標(biāo)為245.93kWh/(m2?a)，建筑單位電耗為103.19kWh/(m2?a)[4]；李海承確定了武漢醫(yī)院建筑能耗指標(biāo)處于103.87～288.80kWh/(m2?a)，平均值為163.27kWh/(m2?a)[5]；原兆亮確定了西安某醫(yī)院的建筑單位面積電耗為63kWh/(m2?a)，單位面積耗氣量為6.2Nm3/(m2?a)[6]；林愛麟確定了長沙2007年醫(yī)院建筑平均能耗指標(biāo)為195.04kWh/(m2?a)，重慶醫(yī)院的平均能耗指標(biāo)為130.43kWh/(m2?a)[7]。

對比發(fā)現(xiàn)，B樓、C樓的建筑能耗指標(biāo)和同樣位于夏熱冬冷地區(qū)的其他醫(yī)院相比較高；且單位面積電耗、耗燃?xì)饬窟h(yuǎn)高于處于寒冷地區(qū)的西安某醫(yī)院。其中空調(diào)系統(tǒng)的電耗和耗燃?xì)饬糠謩e占總量的58.2%和61.8%，而李海承確定的武漢采暖空調(diào)能耗占總能耗的比值處于18.32%～58.64%，平均值為43.62%[5]，因此B樓、C樓空調(diào)能耗占總能耗比值較大，具有較大節(jié)能潛力。

2 模型建立

2.1 建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)C樓的建筑施工圖，利用DeST-C對C樓建模，對功能相近且相鄰的房間進(jìn)行合并，例如，將男、女洗手間及前室合并為一個房間進(jìn)行處理。但由于病房數(shù)量較多，占地面積較大，若合并處理將造成模擬結(jié)果不精確，因為盡管房間功能相同，房間位置對室溫[8]、負(fù)荷及采光等影響較大，因此每個病房分開進(jìn)行模擬。建筑模型如圖1所示。

圖1 C樓的DeST-C模型

2.2 建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置

根據(jù)C樓的建筑施工圖設(shè)置門、窗、墻體、樓地、樓板和屋頂?shù)膮?shù)。設(shè)置結(jié)果如表3所示。

表3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置

2.3 房間功能及作息、內(nèi)擾和通風(fēng)設(shè)置

根據(jù)建筑施工圖設(shè)置房間類型。其中，房間作息設(shè)置為DeST-C的默認(rèn)值；因C樓病房大多數(shù)為3人間，因此病房的人員熱擾中的最大人數(shù)設(shè)置為3，其余房間的內(nèi)擾設(shè)為默認(rèn)值；建筑通風(fēng)設(shè)置為“房間與外界之間的通風(fēng)”。

模擬結(jié)果顯示，DeST-C對C樓的模擬負(fù)荷接近實際負(fù)荷，可用來對誠信樓進(jìn)行后續(xù)節(jié)能改造方案的分析。

3 節(jié)能方案分析

模擬結(jié)果顯示，C樓21天模擬周期（7月14日至8月3日）內(nèi)最大冷負(fù)荷為：2623.09kW；累計冷負(fù)荷為：640338.99kWh?，F(xiàn)使用DeST-C驗證以下方案的節(jié)能潛力。

3.1 使用節(jié)能外窗

提出以下三種可行的外窗改造方案：

（1）所有12厚夾層白玻替換為灰色斷熱鋁合金低輻射中空玻璃；

（2）所有12厚夾層白玻替換為鍍Low-E膜中空（低透型）玻璃；

（3）所有窗戶替換為內(nèi)張Low-E膜中空玻璃（雙層膜）。

以上方案中每種玻璃的結(jié)構(gòu)和熱特性參數(shù)如表4所示。

表4 玻璃的結(jié)構(gòu)和熱特性

三種方案的計算負(fù)荷與原負(fù)荷的比較結(jié)果如表5所示。

表5 三種外窗改變方案的計算負(fù)荷與原模型負(fù)荷的比較

結(jié)果表明，改變外窗材料能有效減小冷負(fù)荷，方案2和方案3總負(fù)荷減小比例分別為5.27%和8.03%，即使用Low-E膜的玻璃能有效減小能耗，主要原因為方案2和方案3使用的玻璃傳熱系數(shù)值和遮陽系數(shù)S值均較小，因此建筑物得熱明顯減小。方案1雖然玻璃傳熱系數(shù)值明顯減小，但由于遮陽系數(shù)S值無變化，負(fù)荷減小程度不顯著；方案2和方案1相比，傳熱系數(shù)值增加而遮陽系數(shù)S值減小，負(fù)荷明顯減小。因此選擇玻璃時應(yīng)首先考慮其遮陽系數(shù)S值，同時也應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)因素，綜合選擇最佳方案，以減小建筑能耗。

3.2 自然采光

B樓和C樓兩棟住院樓的照明年基準(zhǔn)能耗為32.45萬kWh，占總耗電量的10.6%。因此，若能在保證照度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)時，采用自然光照明，將有效減小照明電耗。

調(diào)用DeST-C的日影計算模塊BShadows和建筑采光計算模塊對C樓進(jìn)行建筑日影和采光計算，如圖2所示。

圖2 建筑日影和采光分析

根據(jù)《建筑照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》GB 50034—2013[9]，樓梯間與病房的照明要求較低，均為100Lx，有利于自然采光；其余房間，例如手術(shù)室、辦公室等，由于房間照度標(biāo)準(zhǔn)較高，且要求光源穩(wěn)定性好，不利于自然采光。C樓病房共174間，97.7%分布在南側(cè)；西樓梯間窗墻比較大且與西側(cè)外墻相鄰；東樓梯間因不與外墻相鄰，不滿足自然采光條件。因此本文計算7月14日至8月3日西樓梯間與病房的自然采光平均照度（每層樓均勻選取十個病房）隨時間的分布，如圖3所示。樓梯間與病房自然采光照度規(guī)律不同的原因可能為樓梯間和病房的朝向、窗墻比和房間進(jìn)深的不同[10]。

圖3 樓梯間（A）、病房（B）平均自然采光照度隨時間分布

樓梯間、病房自然采光照度符合標(biāo)準(zhǔn)的小時數(shù)分別為244小時和201小時，分別占總小時數(shù)504的48.41%和39.88%，如圖4所示。樓梯間自然采光達(dá)標(biāo)時間段約為9時至19時；病房自然采光達(dá)標(biāo)時間段約為10時至17時，此時醫(yī)院人員活動較多，因此若在符合照明標(biāo)準(zhǔn)時關(guān)閉人工照明而使用自然采光，將有利于減少C樓的照明能耗。

圖4 自然采光符合樓梯間

3.3 外墻外貼聚苯板

國內(nèi)許多研究表明[11-13]，既有外墻外貼聚苯板作為一種墻體改造的方法，保溫效果顯著。本文借鑒賈春霞等人在《嚴(yán)寒地區(qū)既有住宅墻體節(jié)能改造研究》[11]中提到的既有墻體外貼50mm厚聚苯板保溫層的方法，利用DeST-C模擬對比外貼聚苯板前后建筑負(fù)荷的變化。

圖5 外墻改造前后墻體結(jié)構(gòu)圖

如圖5所示，原有外墻結(jié)構(gòu)為：20mm石灰砂漿層+250mm多孔混凝土+20mm石灰砂漿層。墻體改造時將聚苯保溫板粘在墻外側(cè)后飾面層仍使用20mm石灰砂漿。

DeST-C中顯示上述涉及墻體材料的參數(shù)如表6所示。

表6 外墻材料參數(shù)

設(shè)定墻體的材料及厚度后，DeST-C顯示原有外墻的導(dǎo)熱熱阻為1.245m2?K/W；傳熱系數(shù)為0.713W/m2?K；熱惰性指標(biāo)為3.742；改造后墻體的導(dǎo)熱熱阻為2.328m2?K/W；傳熱系數(shù)為0.402W/m2?K；熱惰性指標(biāo)為4.637。計算結(jié)果表明，墻體改造后計算周期內(nèi)最大冷負(fù)荷為2608.35kW，減少0.56%；累計冷負(fù)荷為635818.29kWh，減少0.71%。因此對C樓而言，外貼聚苯板的方法節(jié)能潛力不大，可能原因為：（1）計算周期為夏季，室內(nèi)外溫度差不大，對于武漢這種夏熱冬冷地區(qū)的氣候，室內(nèi)外溫差較小，因此墻體熱工性能對負(fù)荷影響較小；（2）原有墻體保溫性能足夠，接近飽和，增加聚苯板對保溫性能的提升影響不大。

4 結(jié)論

C樓原有外窗的傳熱系數(shù)和遮陽系數(shù)均不大，屬于節(jié)能外窗，節(jié)能潛力不大，但仍有節(jié)能改造的空間，若使用更節(jié)能的外窗，例如鍍Low-E膜中空玻璃（低透型）和內(nèi)張雙層Low-E膜中空玻璃，還能分別使累計冷負(fù)荷減小5.27%和8.03%。建議在考慮經(jīng)濟(jì)因素的前提下，使用更節(jié)能的外窗，減小能耗。

對于采光要求不高的房間，自然采光足以滿足要求，建議對這類房間合理利用自然采光，達(dá)到節(jié)能效果。

外墻粘貼聚苯板的改造方法對C樓而言效果不顯著，且工程量大，不建議使用。但對于其他公共建筑而言仍是一種有效的方法，嚴(yán)寒地區(qū)室內(nèi)外溫差較大，對墻體保溫性能要求較高，適合使用。賈春霞等人測得外貼50mm聚苯板后墻體節(jié)能率為59%，且因保溫層位于外側(cè)，能減小熱橋效應(yīng)，增加墻體熱穩(wěn)定性，提高墻體內(nèi)表面溫度，有效地改善室內(nèi)熱環(huán)境[11]。

國內(nèi)其他研究者得出類似結(jié)論：林愛麟[7]對長沙某醫(yī)院的門診樓的圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行節(jié)能改造時發(fā)現(xiàn)，方案1：外墻加20mm厚聚苯乙烯板；方案2：屋面加30mm硬泡聚氨酯復(fù)合板；方案3：外窗采用Low-E中空玻璃窗，分別減少負(fù)荷的7.4%、2.2%和20.8%，與本文得出的更換外窗玻璃節(jié)能效果最顯著的結(jié)論一致。并且林愛麟指出，外墻的傳熱系數(shù)K值降低到1.1W/m2?K時，再減小值則節(jié)能效果不明顯，這可能是本文貼聚苯乙烯板后值從0.713W/m2?K降低到0.402W/m2?K而后負(fù)荷僅減少0.56%的原因。

本文以C樓為例，提出若干節(jié)能改造方案，結(jié)論對于其他類似既有公共建筑，仍具有參考價值。

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Analysis of the Energy-saving Methods of the Enclosure Structure and Lighting of an Hospital in Wuhan

Liang Chenjiyu Hu Pingfang Xian Lishan Song Yi

( School of Environmental Science and Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan, 430074 )

This article takes an inpatient building of a hospital in Wuhan (hereinafter referred to as Building C) as an example to compare and analyze the energy-saving potential of building energy consumption, and then proposes several feasible energy-saving methods, such as using exterior windows, natural daylighting, and external affixed polystyrene board. Using DeST-C to judge the applicability of those methods, we compare them with the conclusions of other domestic researchers to propose reasonable energy-saving suggestions.

Existing Hospital; Energy Diagnosis; Energy Saving; DeST

TU111

A

1671-6612（2019）02-166-06

梁辰吉昱（1997.05-），男，本科，E-mail：u201515682@hust.edu.cn

胡平放（1963.07-），男，博士，教授，E-mail：pingfanghu21@163.com

2018-05-11