武漢市某商場改造節能減碳分析

任志強,張春枝,甘 靜

(1.武漢科技大學 城市建設學院,湖北 武漢 430065;2.武漢力美建筑裝飾工程有限公司,湖北 武漢 430050)

0 引言

隨著經濟和建筑功能多樣化的發展,大型商場建筑能耗可以達到普通建筑能耗的10～20倍,其中空調系統能耗占比可達40%～50%[1]。而化石類能源在國內能源消費市場中占有很大比重,2018年煤炭等化石能源占國內一次能源消費總量的84.7%[2]。受限于改造成本和“碳中和”的背景,以圍護結構節能升級和設備利舊換新為主的節能改造,將是未來長時間內建筑行業的主要商業形式,學者們對該方面開展很多研究,如張喆等人以博物館改造為例,通過模擬計算證明,僅對墻體、門窗和通風系統進行節能升級,每年可節省供熱和制冷能耗分別為19%、19%[3],Wang等人將墻體改造成相變儲能墻體,使南北向墻體內表面溫度分別提高25%和109.1%,有效改善室內熱環境[4]。李楠等人的研究證明僅對外窗進行節能改造,每年小區可節省采暖費42142.8元,但投資回收期較長,僅靠市場機制難以促進節能改造[5]。曹立勛等人通過優化冷機總裝機量和多級泵系統,使冷站總能效由3.1提升到4.0左右,有效的提高了空調系統的效率[6]。韋古強等人通過對不同方案的比較,認為分散冷源可有效的降低耗冷量[7]。張小東等人通過對空調管道和風機盤管的試驗證明長期未清洗的空調設備極大的降低了制冷與供熱效率[8]。本文涉及的商場包括由原有全區域單一冷源的水冷(熱)集中式改為水冷(熱)集中式+多聯機獨立控制并優化冷(熱)機總裝機量、優化圍護結構、更新空調設備三個方面,本文通過對上述改造前后能耗及熱環境的數據收集,分析改造的經濟性和節能性,為類似改造工程提供參考數據。

1 商場建筑總體概況

該商場于2005年建成并投入使用,2020年提出節能改造,改造對象主要包括圍護結構、空調設備及室內屋頂裝飾裝修等。商場位于武漢市一商住兩用樓的1～3層,4層及以上為住宅,商場建筑面積約3.2萬m2,空調面積約2.8萬m2。地面樓層高度分別為:一樓5.7 m,二樓5.1 m,三樓5.1 m,三樓樓頂空置面積約4 000 m2,種植草坪減少太陽輻射傳熱,其余面積分布四棟居民樓。負一樓作為地下車庫層高4.5 m。

2 商場改造概況

2.1 商場功能區改造概況

該商場原有功能比較單一,以服裝零售為主。改造后增設區域④盒馬鮮生,空調面積為3 800 m2;空置三樓屋面對原有草坪基礎上新加低灌綠植與連廊。

圖1為改造后的商場區域圖。

圖1 商場內部區域示意圖

改造后各區域功能概述:區域①為美食廣場區,區域②為零售區,區域③為餐飲區,區域④為盒馬鮮生區,區域⑤為教育培訓區,區域⑥為健身游泳區。

2.2 商場圍護結構改造概況

通過《江蘇省節能建筑常見材料熱物理性能參數表》中查得各材料導熱系數如下,砌磚:1.1 W/(m·K),石材幕墻(花崗巖):3.49 W/(m·K),水泥砂漿:0.93 W/(m·K),加氣混凝土砌塊:0.22 W/(m·K),鋁板幕墻:203 W/(m·K),斷橋鋁中空玻璃(16 mm):2.2 W/(m2·K),6 mm普通單層鋁合金窗:6.4 W/(m2·K),鋼筋混凝土:1.74 W/(m·K),土壤(密度1 400 kg/m3):0.58 W/(m·K)。圍護結構傳熱系數計算公式如下

式中K為圍護結構傳熱系數,δi為結構中i材料厚度,λi為i材料導熱系數,h1、h2為內外表面對流換熱系數,單日測得立墻表面空氣平均流速為2.4 m/s,取平均值6.2 W/m2·K[9],樓頂草坪表面換熱系數參考外墻參數設定[9],測定綠植表面空氣平均流速為0.4 m/s,取對流換熱系數為0.9 W/(m2·K)。

改造前后圍護結構材料導熱系數及厚度參數見表1所示。

表1 商場圍護結構改造明細表

改造后外墻傳熱系數小于0.8 W/(m2·K)、外窗傳熱系數小于2.2 W/(m2·K)、樓頂傳熱系數小于0.5 W/(m2·K),符合《公共建筑節能設計標準》要求。

2.3 商場空調系統改造概況

2.3.1 空調系統及其改造概況

商場原有空調系統采用的是二管制全空氣系統,末端采用吊裝式空氣處理機組和散流器;冷熱源采用的是冷水機組+電熱水鍋爐集中供冷供熱,冷凍水設計進出水溫為12/7 ℃,熱水進出水溫為50/60 ℃。冷卻塔位于三樓樓頂。改造前制冷裝機總容量為7 386 kW,鍋爐裝機總容量為2 094 kW。

改造后空調系統不再采用單一冷熱源,而是根據需求不同采取水冷(熱)集中式+多聯機獨立控制相結合。多聯機系統用于區域④,其室外機制冷/制熱裝機總容量為585 kW/650 kW,室內/外機配比為108.06%,空調面積為0.38萬m2。其他區域使用2臺冷水機組和2臺電熱水鍋爐集中供冷供熱(下文簡稱:水系統),空調面積約為2.42萬m2,冷水機組制冷裝機總容量約為4 924 kW,電熱鍋爐制熱裝機總容量為1 000 kW,空調系統末端由全空氣系統改為風機盤管+獨立全熱新風。

相對于改造前,改造后有如下三點改進:

(1)改造后制冷、制熱總裝機量分別降低了1 877 kW、444 kW,可以有效的降低包括泵、管道等暖通設備的損耗,降低運行成本。

(2)相對吊裝空氣處理機組,首先風機盤管體型小,布置靈活,降低對室內裝修效果的影響,第二,風機盤管噪音小,降低對消費者購物行為的影響。

(3) 增設全熱新風換氣機,有效降低空調能耗。

2.3.2 各部分改造投資情況

各部分改造投資費用如表2所示,改造費用總計480萬元,各項目投資費用如表2。

表2 各改造項目投資表

其中項目1包含多聯機系統整體新購及安裝費用;項目2包含制冷機組設備維修及制冷劑充注、冷卻水泵和冷凍水泵的維修以及機房管路的清洗與更換;項目3包括2臺電熱水鍋爐的、控制柜、2臺熱水泵、軟水裝置及管路等設備的新購與安裝;項目4包括風機盤管、新風系統的購置與安裝、商場內管路的清洗、更換保溫及對應輔材;項目5其他包括企業管理費、工人工資等。

2.4 改造后的商場熱環境測試

記錄8月27～28日,1月8～9日商場各區域的人流量、溫度,見圖2所示。

圖2 冬季供暖區域人員、溫度的時間曲線

圖3 商場全年能耗統計圖(2021年8月～2022年7月)

商場各區域濕度保持在45%～60%之間。夏季室溫為24～28 ℃且溫度隨樓層增加而降低,冬季室溫為18～24 ℃且溫度隨樓層增加而降低升高,滿足暖通系統的設計要求。

2.5 改造后能耗記錄

商場改造后,記錄電表數據,其中商鋪電表記錄商鋪(區域①②③⑤⑥)內所有電器的總用電量,盒馬鮮生電表記錄盒馬鮮生商超內所有電器的總用電量,集中空調機房電表記錄冷水機組、電熱鍋爐、空調用泵及機房內照明和風扇用電量。計量時間從2021年8月～2022年7月。

上圖為全年耗電量堆積柱狀圖,其中4月和11月機房內除照明和換氣設備運行外,冷水機組、電熱鍋爐及泵關停。因此兩月平均值作為空調系統關閉后水系統能耗基準值進行計算。其計算公式如下

Qi月水系統用電量=Qi月商鋪用電量-Q4月、11月商鋪用電量平均值+

Qi月冷水機組、電熱鍋爐和泵用電量

多聯機系統按實際溫度運行,12月至次年2月基本未開啟。因此以12月、1月、2月月平均值為基準月能耗,計算其全年能耗。

全年各月能耗計算公式如下

Qi月多聯機系統用電量=Qi月盒馬鮮生用電量-Q12月,1月,2月盒馬鮮生用電量平均值

上兩式計算結果如圖4。

圖4 水系統、多聯機系統各月計算能耗圖(2021年8月～2022年7月)

水系統冬季1月耗電量最大,為248 428 kW·h,夏季7月耗電量最大,為264 979 kW·h,全年能耗為1 570 295 kW·h。盒馬鮮生內部冷鏈展柜較多,主要采用一體式空調柜,壓縮機及冷凝器位于設備下部,運行時產生大量熱量,加之內部餐飲的產熱,使得冬季空調未開啟時,溫度平均值達到19.3 ℃。而這部分熱量在夏季嚴重增加該區域的耗冷,夏季8月空調能耗最高,達到了95 172 kW·h,全年能耗為420 700 kW·h。

3 EnergyPlus模擬分析

3.1 模型參數輸入

商場建模不同于一般住宅建模,具有空間大、房間多等特點,因此在建模時首先要對房間進行簡化分類,將整個商場分為四個熱區,熱區Ⅰ包含區域①②,熱區Ⅱ包含區域③,熱區Ⅲ包含區域④,熱區Ⅳ包含區域⑤⑥[10]。EnergyPlus具體參數如表3所示。

改造后區域④由多聯機系統提供冷熱源,其他區域仍由冷水機組+電熱鍋爐提供冷熱源。模擬時不考慮長時使用造成的管道損失。

3.2 模型驗證

改造后水系統全年能耗模擬值為1 690 544 kW·h,全年實際能耗為1 590 245 kW·h,誤差為5.9%,多聯機系統全年能耗模擬值為390 824 kW·h,全年實際消耗電量為420 700 kW·h,誤差為7.12%。造成結果存在誤差的原因主要分為以下兩個方面:

(1)設備參數輸入:商場用電設備復雜多樣,難以全部輸入;

(2)人員行為模式輸入:商場空調運行時間由人員視具體情況進行操作,運行時間存在不確定性,其次,受疫情影響,導致商場無法正常營業,導致運行能耗低。

水系統和多聯機系統能耗模擬值與實際值的差值分別為5.9%、7.12%,低于10%[11],其次改造前后非空調用電設備參數保持一致,抵消輸入參數不確定對計算帶來的影響,便于討論空調改造對能耗的影響,因此仿真模擬的精度對本文所研究的問題是可行的。

3.3 模擬結果分析

改造前商場空調全年能耗模擬值為3 580 431 kW·h。數據對比如圖5。

圖5 改造前后全年能耗模擬計算對比圖

(1)除七月外各月能耗改造后明顯降低,改造前后空調設備軸功率對比如表4。

表4 軸功率對比表

表4表明改造后冷(熱)源總軸功率比改造前降低了1 438.5 kW,熱源軸功率改造前后分別比冷源設備軸功率高717 kW、38 kW。上述數據與圖5改造前后能耗變化趨勢相同,冬季單月空調能耗高于夏季單月空調能耗,與冷熱源軸功率相對大小一致;

(2)改造后冷水機組夏季實際用電量為505 996 kW·h,機組一號機使用階段內累計運行t1為1 071 h,二號機累計運行t2為823 h,理論最大用電量為1 043 770 kW·h,實際運行負荷為理論最大負荷的55.54%,螺桿機最佳運行負荷為最大負荷的30%～60%之間[12]。12、1、2月用電量數據證明,多聯機系統供熱效率遠高于電熱鍋爐。

3.4 基于模擬計算的后期運行改進建議

結合本文2.4節人數與溫度數據,對項目后期運營提出以下改進建議,區域⑤為教育培訓區,根據圖2人數統計可以看出,在十二點半之前,區域⑤每小時平均人數僅為50人,造成冬季供熱能耗的浪費?？紤]二樓餐飲對三樓溫度的影響,將三樓空調單獨設置運行時間(12:00～21:00)。三樓區域⑤平均溫度如圖6。

圖6 優化設計后區域⑤平均溫度曲線圖

圖6數據表明隨著陽光照射,區域⑤溫度開始上升,到9點其他區域空調開啟后,溫度基本維持在15℃,影響人群較少,影響程度較低。12:00隨著空調開啟室內溫度快速上升,此時依據圖2表明該區域人數上升到220人,將溫度對購物影響降至最低。通過EnergyPlus計算,該方案每年可降低取暖用電量2.79×104kW·h,折算電費2.04萬元。

4 改造后節能減排分析

(1)全年費用計算

C年度費用=Q年度用電量×C平均電費單價

式中Q年度用電量——商場全年模擬用電量;

C平均電費單價——該商場2022年1月～8月平均電費單價(單一制1～10 kV)為0.729 6元/kW·h。

(2)靜態投資回收期計算

式中C空調改造總投資費用——表2(各改造項目投資表)計算得出,為480萬元。

(3)碳排放差值計算

ΔM全年碳排放量=ΔQ′年度用電量×i

式中Q′年度用電量——商場全年模擬用電量;

i——華中單位供電平均碳排放系數[13],0.801 kg/kW·h。

節能減排計算結果如表5。

表5 電費及碳排放計算表

5 結論

本文以武漢市某既有商場改造為例,首先從圍護結構、冷熱源和空調末端等方面詳細闡述改造內容,其次搭建EnergyPlus模型,通過實際值與模擬值分析模型準確度,最后計算節能性和經濟性進行分析并提出優化方案。根據上述研究,本文得出以下結論:

(1)在改進建筑圍護結構保溫性能的同時,降低空調裝機量設計裕度,使得機組處于合理的負荷下有效地降低能耗;

(2)對仍處于使用年限的空調設備,設備利舊可以有效降低工程的投資回報期,例如制冷量1 231 kW的離心式冷水機組市場報價約為80～120萬遠高于本文整體的機房改造費用;

(3)冷水機組+多聯機系統可以有效地滿足商場功能多樣化帶來特定的空調運營溫度及時間,同時有效的降低商場能耗,多聯機系統冬季供熱效率遠高于由中央機房的電熱鍋爐提供熱源的方式;

(4)改造后室內溫度全年處于較為舒適的范圍內,對比模擬的能耗數據,計算可得每年商場空調系統可減少二氧化碳的排放量0.12萬t,投資回報期4.39年,證明了該改造的節能性和經濟性。同時依據收集的人數、溫度等數據證明改進商場空調運營時間可以在滿足溫度對購物行為影響最小的前提下降低運營成本。