劉馨¹，王晨辰¹，馮國會¹，梁傳志²，李畫¹，吳玥¹
1.沈陽建筑大學(xué)
2. 住房城鄉(xiāng)建設(shè)部科技發(fā)展促進中心

    【摘  要】研究以嚴寒地區(qū)典型城市既有非節(jié)能居住建筑為對象，對2015-2016、2016-2017供暖季（節(jié)能改造前、后）換熱站、二次輸配管網(wǎng)及建筑本體三處節(jié)點進行供暖能耗實測，掌握不同改造內(nèi)容對節(jié)能量的貢獻率。通過將換熱站及二次輸配管網(wǎng)的實際能耗水平與標準規(guī)范值進行對比得出各項改造技術(shù)的節(jié)能貢獻率；結(jié)合建筑本體的實際改造效果對改造前后的建筑仿真模型依次進行修正，模擬各項改造技術(shù)的節(jié)能貢獻率，為節(jié)能改造的政策制定與市場化推廣提供依據(jù)。

    【關(guān)鍵詞】既有居住建筑；節(jié)能改造；節(jié)能貢獻率；能耗模擬

    【基金項目】 能源基金會資助項目“北方地區(qū)既有非節(jié)能居住建筑采暖能耗實測研究”（G 1506-23358）；遼寧省科技廳資助項目“建筑綜合熱惰性的動態(tài)響應(yīng)特征及采暖調(diào)控機理研究”（20150168）；遼寧省教育廳資助項目“建筑綜合熱惰性的動態(tài)響應(yīng)機理和特性研究”（L2015445）

Abstract:The study focused on the existing residential buildings in typical cities in the severe cold regions, the provided heating for the heat exchange stations, the secondary network and the building during the 2015 to 2016 and 2016 to 2017 heating seasons. Energy consumption is measured, and the contribution rate of different transformation contents to energy saving is grasped. By comparing the actual energy consumption level of the heat exchange station and the secondary network with the standard specification values. The contribution rate of the energy-conservation technologies is determined. Combining the actual energy retrofit of the building, the building simulation models before and after the renovation are amended in turn, simulate the contribution rate of various transformation technologies. And provide basis for policy formulation and market promotion of energy retrofit.
Keywords:residential buildings; energy retrofit; contribution rate of energy conservation; energy simulation

0 引 言

    2008年以來，我國在北方的采暖地區(qū)推動既有非節(jié)能居住建筑節(jié)能改造工作，規(guī)模化推進了既有居住建筑改造項目，但絕大多數(shù)都是以建筑單體為對象進行節(jié)能量評估，對熱源側(cè)節(jié)能效果缺乏評估[1-3]。從科學(xué)研究的角度看，雖然對于非節(jié)能居住建筑能耗偏高達成共識，但是對非節(jié)能居住建筑實際能耗水平缺乏定量認識，均以理論計算為主開展研究的。因此，節(jié)能改造僅依靠改造面積來表述工作量，但對于改造節(jié)能量表述不多。這既限制既有居住建筑節(jié)能改造節(jié)能量的辨識，也影響各項改造內(nèi)容節(jié)能貢獻率的科學(xué)估算。

    結(jié)合節(jié)能改造前、后各節(jié)點的供暖能耗進行實測結(jié)果與TRANSYS模擬軟件，定量分析三處節(jié)點各項改造技術(shù)的節(jié)能貢獻率，為節(jié)能改造的政策制定與市場化推廣提供依據(jù)。

1 研究方案

    1.1 測試方案

    研究對2015-2016、2016-2017供暖季（節(jié)能改造前、后）換熱站、二次輸配管網(wǎng)及建筑本體三處節(jié)點進行供暖能耗實測。獲取節(jié)能改造前、后換熱站的耗熱量及調(diào)控策略等基本信息；二次輸配管網(wǎng)的熱損失；建筑本體的耗熱量、室內(nèi)溫度及建筑基本信息等相關(guān)數(shù)據(jù)。綜合上述方案要求，結(jié)合測試地區(qū)的實際情況，選取了典型城市中非節(jié)能建筑較為集中的4座換熱站（S1、S2、S3、S4）、5支二次輸配管網(wǎng)（N1、N2、N2、N4、N5）以及10棟建筑（SY01-SY10）進行調(diào)研，換熱站、二次輸配管網(wǎng)及建筑本體對應(yīng)情況如表1。

    首先，在換熱站、二次輸配管網(wǎng)及建筑本體處對采暖耗熱量進行持續(xù)測量，耗熱量的獲取采用流量、溫度間接測量的方法，在各節(jié)點處的供水管起始端及回水管的終端布置溫度、流量測點。測點布置分布見圖1。

   圖1中的下角標0表示換熱站測試樣本；下角標1表示二次輸配管網(wǎng)測試樣本；下角標2、3、4分別表示測試支路中最近點、中間點、最不利點的建筑編號；T0、T1、T2、T3及T4分別表示測試樣本的供水溫度測點；T0′、T1′、T2′、T3′及T4′分別表示測試樣本的回水溫度測點；V0、V1、V2、V3及V4分別表示測試樣本的供水流量測點；V0′、V1′、V2′、V3′及V4′分別表示測試樣本的回水流量測點；t2、t3、t4分別表示室內(nèi)溫度測點；二次輸配管網(wǎng)的測點布置在換熱站內(nèi)；室內(nèi)溫度測點布置在測試建筑樣本的最不利住戶家中。

    1.2 改造內(nèi)容

    外圍護結(jié)構(gòu)傳熱性直接影響建筑的能耗，提高建筑本體的保溫隔熱性已成為降低建筑能耗的主要途徑[6]。改造內(nèi)容主要針對建筑本體的外圍護結(jié)構(gòu)，其中換熱站S1、S2、S3、S4對應(yīng)建筑本體的外圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能改造的相同內(nèi)容為：外墻保溫（增加70mmEPS保溫板）、公共窗（更換為PVC塑鋼門窗）。

2 換熱站及二次輸配管網(wǎng)改造節(jié)能貢獻率

    換熱站自控改造及管網(wǎng)平衡改造的節(jié)能貢獻率主要解決建筑本體室溫過高及同一支路各建筑室溫不均的現(xiàn)象[4]，因此通過研究改造前后建筑本體室內(nèi)溫度分析節(jié)能貢獻率；管網(wǎng)漏損改造的節(jié)能貢獻率則通過管網(wǎng)熱損失率指標分析。由于典型項目的換熱站及二次輸配管網(wǎng)均未進行改造故將改造前后所分析數(shù)據(jù)的均值作為此項改造內(nèi)容的節(jié)能貢獻率。典型項目建筑本體改造前后的室內(nèi)平均溫度的情況，如表2所示。

    2.1 具體分析方法

    （1）換熱站自控改造貢獻率指標、管網(wǎng)平衡改造貢獻率指標

    由于各個測試建筑隨著所在整個二次熱網(wǎng)的位置不同，室內(nèi)的平均溫度分布也不同，設(shè)距離換熱站最近的建筑平均溫度為最高溫度T_g，離換熱站最遠的建筑的平均溫度為最低溫度T_d，其他建筑的室內(nèi)溫度線性的分布在兩個溫度之間，則最高溫度T_g與最低溫度T_d的差值的一半可視為換熱站所有建筑室內(nèi)溫度的平均值與最低溫度T_d的差。

    因此，可以粗略的認為最低溫度T_d與標準溫度T_n´（取值18℃）的差距為由于系統(tǒng)運行調(diào)節(jié)不良造成的過量損失部分，即換熱站自控改造節(jié)能貢獻率；換熱站所有建筑室內(nèi)溫度的平均值與最低溫度Td的差為由于建筑間的水力失衡造成的過量損失部分，即管網(wǎng)平衡改造節(jié)能貢獻率。
換熱站自控改造節(jié)能貢獻率計算為：

    式中：η₁為換熱站自控改造節(jié)能貢獻率，%；T_d為最低溫度，℃；T_n′為標準溫度，℃。

    管網(wǎng)平衡改造節(jié)能貢獻率計算為：

    式中：η₂為管網(wǎng)平衡改造節(jié)能貢獻率，%；T_g為最高溫度，℃；其他參數(shù)含義同前。

    （2）管網(wǎng)漏損改造貢獻率指標

    本項目在實際節(jié)能改造過程中未對管網(wǎng)實施改造，管網(wǎng)改造的實際節(jié)能貢獻率尚難以通過實際改造案例說明。本研究通過式（3）計算二次輸配管網(wǎng)的熱損失率[5]。

    式中：α_p1為管網(wǎng)熱損失率指標，%；Q_b為建筑本體耗熱量指標，GJ/(m²·a）；Qpl為管網(wǎng)熱損失，GJ/(m²·a）。

    《居住建筑節(jié)能檢測標準》（JGJ-T132-2009）[6]規(guī)定的二次輸配管網(wǎng)熱損失標準取10%，對比標準規(guī)范對管網(wǎng)損失的約束值，估算二次輸配管網(wǎng)改造的節(jié)能貢獻率。

    2.2 換熱站自控改造節(jié)能貢獻率

    通過對換熱站進行節(jié)能改造，如加裝氣候補償器、循環(huán)水泵變頻器等自動控制設(shè)備，實現(xiàn)供需匹配的最優(yōu)運行，可以降低過量供熱造成的熱損失部分的能耗，針對實際測試情況計算各自的過量損失情況，按照式（1）進行計算，表3為實測10棟建筑本體改造前后的過量損失情況，取其均值即為換熱站自控改造節(jié)能貢獻率。由于建筑SY08為欠供熱，故研究其余9棟實測建筑的過量損失情況。

    不同年份，不同換熱站的運行管理水平不同，過量供熱情況也不盡相同，通過對典型項目改造前后室內(nèi)溫度的測試，由于過量損失引起的節(jié)能潛力，即通過換熱站自動化控制改造，約有9.2%的節(jié)能貢獻率。當然，實現(xiàn)自動化控制只是減少過量損失的前提，沒有好的運行調(diào)節(jié)策略，自動化控制硬件無法獨立實現(xiàn)該部分的節(jié)能潛力。

    2.3 管網(wǎng)平衡改造節(jié)能貢獻率

    簡單估算換熱站二次輸配管網(wǎng)水力失衡帶來的熱量損失，由換熱站末端建筑遠端、中端、近端的建筑室內(nèi)平均溫度情況估算過量損失。按照式（2）進行計算，結(jié)果如表4所示，取其均值即為管網(wǎng)平衡改造節(jié)能貢獻率：

    注：支路N4僅有一棟建筑SY10，故無法算過量損失。

    由于無法計算支路N4的二次輸配管網(wǎng)過量損失率，故平均值取值為改造前后支路N1-N3的過量損失。因此，通過對二次輸配管網(wǎng)平衡進行改造，如在各單元樓加裝平衡閥，可實現(xiàn)約4.26%的節(jié)能貢獻率。

    2.4 管網(wǎng)漏損改造節(jié)能貢獻率

    本研究在實際節(jié)能改造過程中未對二次輸配管網(wǎng)實施改造，二次輸配管網(wǎng)改造的實際節(jié)能貢獻率尚難以通過實際改造案例說明，通過對比標準規(guī)范[6]對二次輸配管網(wǎng)損失的約束值，估算二次輸配管網(wǎng)漏損改造的節(jié)能貢獻率，二次輸配管網(wǎng)熱損失率指標按照式（3）進行計算，如表5所示，取其均值即為管網(wǎng)漏損改造節(jié)能貢獻率：

    由表5中數(shù)據(jù)可知，二次輸配管網(wǎng)熱損失率的平均值為16.2%，距標準的約束值指標有6.2%的節(jié)能潛力。因此，通過對二次輸配管網(wǎng)進行漏損改造，如更換二次輸配管網(wǎng)的供熱管道或保溫材料，可實現(xiàn)約6.2%的節(jié)能貢獻率。

3 建筑本體改造節(jié)能貢獻率

    3.1 模型建立

    建筑本體改造的技術(shù)措施主要分為屋面改造、外墻改造及外窗（含公共窗）改造，由于典型項目僅對外墻和公共窗進行改造，無法通過對比改造前后實測數(shù)據(jù)研究不同改造內(nèi)容的節(jié)能貢獻率，故采用實測數(shù)據(jù)與模擬相結(jié)合的研究方法，擴充建筑本體各項改造內(nèi)容的節(jié)能貢獻率。

模型需經(jīng)過改造前后的實測數(shù)據(jù)驗證。結(jié)果擴充時的改造標準：按照《嚴寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標準》（JGJ26-2010）[7]（以下簡稱三步節(jié)能標準）中圍護結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)限值設(shè)定模擬參數(shù)值，建筑本體各項改造技術(shù)分析流程如圖2所示。

    由于改造建筑年代久遠，缺少圖紙信息，使得建模過程困難，通過實地調(diào)研建筑基本結(jié)構(gòu)類型，可以獲得較為粗糙的建筑基本信息。因此，建筑仿真分析過程的重點在于通過兩個采暖季實際監(jiān)測的逐時室內(nèi)溫度、室外溫度以及逐時供熱量數(shù)據(jù)，驗證建筑模型建立的準確性，使得模擬結(jié)果具有實際說服力。

    3.2 屋面改造

    典型地區(qū)并未對屋面進行改造，對改造前模型中對建筑本體的屋面材料進行修正，使其改造至三步節(jié)能中標準限值的傳熱系數(shù)0.4 W/(