天津市公共建筑能耗调研及节能措施分析

马洪亭¹    李琛¹    马硕²    赖俊文¹   李子豪¹
1.天津大学环境科学与工程学院
2.天津商业大学机械学院

       【摘  要】通过现场调研与资料收集，掌握了天津市53家公共建筑的基本信息与能耗数据。本文首先归纳并统计天津市53家公共建筑的功能种类，用能种类及冷热源形式；随后通过折标准煤系数计算出各家公共建筑的当量值标准煤总能耗，并通过SPSS软件绘制箱形图，从而直观反映不同类别公共建筑在用能人数、总能耗、单位建筑面积能耗这三项参数上的差异并分析相应原因；之后通过对比两所学校类公共建筑的案例，分析冷热源形式等因素对于公共建筑能耗的影响；最后针对本次公共建筑调研中发现的若干共性问题，提出一些管理类或技术类的节能建议。

       【关键词】公共建筑 建筑能耗 调研 节能

Abstract：Through field investigation and data collection, the basic information and energy consumption data of 53 public buildings in Tianjin are collected. In this paper, the types of function, energy and heating or cooling sources of 53 public buildings in Tianjin are summarized and analyzed first; By using coefficient of equivalent standard coal, the total energy consumption of each public building is calculated; By using SPSS software, the box charts are drawn which can directly reflect differences of number of energy using people, total energy consumption, energy consumption per building area of different functional public buildings and the corresponding reasons are analyzed; By comparing two school public buildings, the effects of heating or cooling sources and other factors on energy consumption of public buildings are analyzed; Finally, management or technology suggestions on energy saving are put forward according to the common problems found in the public building survey.

0 引言

       随着我国经济的飞速发展、城市化进程的加快，建筑行业也是日新月异。然而，建筑行业的突飞猛进使得我国的建筑总量不断增长，因此带来了巨大的建筑能耗。在我国，建筑能耗、工业能耗与交通能耗已然构成能源消耗的三大来源^[1]。数据显示，我国既有建筑总量约为460亿㎡,且每年仍以20亿㎡左右的速度在增长^[2],建筑能耗已约占全社会终端能耗的28.5%^[3]。而在建筑能耗中，暖通空调专业所涉及到的采暖、通风和空气调节则占到了建筑能耗的30%~50%左右^[4]，节能潜力巨大。

       为了解天津市公共建筑用能水平及能源管理现状，我们对天津市57家公共建筑开展了能源审计工作，通过现场调研与资料收集，掌握了各公共建筑的基本信息与能耗数据。排除数据资料不全或者偏差较大的4家单位，本文将对其余53家公共建筑的能耗数据进行统计、对比与分析。

1 天津市53家公共建筑概况

       1.1 天津市53家公共建筑种类

       本文所统计的天津市53家公共建筑的种类包括：办公建筑、学校、医院、剧院、博物馆。其中办公建筑有27家，数量最多，占样本容量的50.94%；学校与医院的数量分别为12家与11家，各占样本容量的22.64%与20.75%；余下还有剧院2家，博物馆1家。

       1.2 天津市53家公共建筑用能种类

       通过现场调研及对数据资料进行统计，发现天津市公共建筑用能种类主要有：电能、天然气、汽油、柴油、煤炭、市政热力、自来水、醇基燃料等。所调研的公共建筑均使用了电能与自来水，电能主要用于空调系统、照明系统、供暖系统、生活用水系统、办公设备等，而自来水主要用于生活用水系统、锅炉房及绿化等； 64.15%的公共建筑使用了汽油，主要用于车辆；56.60%的公共建筑使用了天然气，主要用于燃气锅炉、直燃机等冷热源或食堂；52.83%的公共建筑使用了市政热力作为冬季采暖的方式，这也体现了集中供热在我国北方地区冬季采暖中的重要地位。

       1.3 天津市53家公共建筑冷热源形式

       经过统计，53家公共建筑的冷源形式主要有：分体空调、多联机、冷水机组、直燃机、地源热泵、风冷热泵机组等，比例图如下：

       由图1可知，在所调研建筑中，分体空调是最常用的冷源形式，占到样本容量的41.51%，冷水机组次之，占到13.21%。

       经过统计，53家公共建筑的热源形式主要有：市政热力、地源热泵、直燃机、燃煤锅炉、燃气锅炉等，比例图如下：

       由图2可知，在所调研建筑中，市政热力是最常用的热源形式，占到样本容量的49.06%，燃煤锅炉次之，占到13.21%。由此可见，天津市仍有相当一部分公共建筑使用燃煤锅炉作为热源，燃煤锅炉是烟尘、SO₂、NOx等大气污染物的主要排放源^[5]，是治理北方冬季雾霾亟待解决的问题。据有关学者计算，2013-2017年间，北京市“煤改电”工程共节能9.357万吨标准煤/年,协同减排SO₂ 2.056万吨/年，NOx0.021万吨/年^[6]。积极响应“宜气则气，宜电则电，加快提高清洁供暖比重”的政策，对于天津市公共建筑的节能减排有显著意义。

2公共建筑能耗情况对比

       2.1 箱形图

       箱形图是一种用作显示一组数据分散情况的统计图，它能显示一组数据的最大值、最小值、中位数及上下四分位数。中位数具有不受极端数据影响的稳健性质，是指将统计总体当中的各个变量值按大小顺序排列起来,形成一个数列,处于变量数列中间位置的变量值。由于样本中存在一些极大或极小的极端数据，故本节将通过SPSS统计软件录入公共建筑的能耗数据并绘制箱形图，通过观察中位数以对比、分析公共建筑的能耗状况。

       2.2 对比内容

       由于剧院和博物馆的样本容量过小，误差较大，本节将不把此二类公共建筑纳入对比分析的范畴之内。

       本节将用能人数、总能耗、单位建筑面积能耗这三项参数按照办公建筑、学校、医院三类进行对比分析，通过箱形图直观显示出差异，并分析相应原因。

       2.2.1用能人数

       办公建筑、学校、医院的用能人数箱形图如图3所示。

       由图3可知，医院、学校、办公建筑的用能人数中位数分别为1654,1234,142。其中医院的用能人数中位数比学校高出34.04%，医院、学校的用能人数中位数均远大于办公建筑，原因有如下两点：

       （1）用能人数由常驻机构人数与流动人数共同构成。医院具有诊所部门多、医疗需求大等特点，常驻机构人数与流动人数均高于其他类公共建筑。

       （2）办公建筑常驻机构人数远小于学校与医院，人员流动也较少，故用能人数较少。

       2.2.2 总能耗

       为了便于计算和比较总能耗，本节采用GB/T2589-2008综合能耗计算通则》[7]中的折标准煤系数将不同种类能源的消耗量都折算成当量值标准煤，相加求和得到各公共建筑的当量值标准煤总能耗，箱形图如图4所示。

       由图4可知，医院、学校、办公建筑的总能耗中位数分别为880.37,536.73,181.84。其中医院的总能耗中位数比学校高出64.02%，医院、学校的总能耗中位数均远大于办公建筑。

       医院是功能复杂，影响范围广泛的综合建筑[8]。医院总能耗中位数最高的原因主要有以下几点：

       （1）医院的用能人数高于其他两类公共建筑

       （2）医院对于室内环境的洁净与舒适要求较其他两类建筑更高，暖通空调系统能耗更大

       （3）先进的医疗设备及照明系统大幅提高了耗电量

       学校与办公类公共建筑的能耗皆由暖通空调系统、照明系统、办公设备等构成，主要区别在于学校的用能人数较办公类公共建筑更多，故总能耗更高。

       2.2.3单位建筑面积能耗

       单位建筑面积能耗是一个衡量建筑节能效益的指标，其计算公式为：

       q=W/S

       q——单位建筑面积能耗, （kgce/m²•a);

       W——建筑总能耗，kgce；

       S——建筑面积，㎡

       通过计算，发现在所调研建筑中，学校类公共建筑单位建筑面积能耗分布范围为4.32~31.39（kgce/m²•a)，其中位数为18.96（kgce/m²•a)；办公类公共建筑单位建筑面积能耗分布范围为2.48~107.22（kgce/m²•a)，其中位数为33.02（kgce/m²•a)；医院类公共建筑单位建筑面积能耗分布范围为16.56~305.24（kgce/m²•a)，其中位数为48.13（kgce/m²•a)。医院类公共建筑单位建筑面积能耗中位数比学校高出153.85%，比办公建筑高出45.76%，节能潜力最大。

3 两所学校类公共建筑的对比

       上节将所调研建筑按照功能种类分类，并对公共建筑能耗状况进行了对比与分析。本节将挑选出同为学校的两所公共建筑作为案例，分析冷热源形式等因素对于公共建筑能耗的影响。

       由上表可知，学校A的建筑面积比学校B高出9.50%，用能人数比学校B多出44.60%，但总能耗却比学校B低61.89%。通过两所学校数据的对比，认为主要原因有如下几点：

       （1）学校A使用地源热泵代替了传统的冷热源，地源热泵是采用输入少量的高位能，实现从浅层地能向高位热能转移的热泵空调系统[9]，具有环保、高效、节能等优点。虽然学校A由于冬夏两季均使用地源热泵作为暖通空调系统的冷热源，耗电量比学校B高出116.49%，但缺无需再消耗市政热力，折算后总能耗更小。

       （2）学校A的建筑结构类型为钢筋混凝土框架结构，而学校B为砖混结构。钢筋混凝土的导热系数约为1.54W/（m•K），建筑用砖的导热系数约为0.69W/（m•K）^[10]，故使用砖混结构的公共建筑保温性能更好。但学校A的屋面及外墙均附加了保温材料，保温材料具有导热系数小、蓄热系数大的特性，从而加强了围护结构的保温隔热效果，降低了建筑能耗。

       （3）学校A使用中空玻璃，而学校B使用普通玻璃。在20℃下，空气的导热系数为0.026 W/（m•K），而普通玻璃板的导热系数为0.76 W/（m•K），其比值为1:29^[11]。中空玻璃将两片（或多片）玻璃与密封条粘接、密封，中间充入干燥空气，从而提高中空玻璃的热阻，起到良好的隔热效果，利于建筑节能。

4 公共建筑节能潜力分析

       通过本次调研，发现天津市公共建筑在能源管理及利用等方面存在一些共性问题，可采取一些管理类与技术类节能措施来进一步降低建筑能耗，挖掘节能潜力，包括：

       （1）制定能源消费定额与考核办法，通过节奖超罚使好的制度落到实处，提高能源管理水平。

       （2）对能源管理人员和运行人员进行定期培训，提高业务素质和技能，并争取做到能源管理人员和操作人员持证上岗。

       （3）对空调系统、办公用电（包括照明和插座）、综合服务系统等主要用能系统的能源资源消耗量进行分项计量，探寻节能潜力较大的系统。

       （4）对循环水泵加装变频器，通过调节转速来调节水泵流量，避免阀门节流过程的能量损失。由于水泵功耗与转速的三次方成正比，所以通过调节水泵转速来调节流量具有显著的节电效果。

       （5）定期对分体空调、VRV室内机过滤网进行清洗，加强换热效果和循环风流动，减少能耗。

       （6）在满足冬季采暖和夏季空调室内舒适度的情况下，运行人员应能够根据气候变化情况适当调低或调高热泵的出水温度，通过优化运行管理，提高机组的性能系数，降低电能消耗。

5 结论

       1）天津市公共建筑用能种类主要有：电能、天然气、汽油、柴油、煤炭、市政热力、自来水、醇基燃料等。所调研的53家公共建筑均使用了电能与自来水，56.60%的公共建筑使用了天然气，52.83%的公共建筑使用了市政热力。

       2）在所调研53家公共建筑中，分体空调是最常用的冷源形式，占比41.51%；市政热力是最常用的热源形式，占比49.06%。

       3）在所调研53家公共建筑中，医院、学校、办公建筑的用能人数中位数分别为1654,1234,142。其中医院的用能人数中位数比学校高出34.04%，医院、学校的用能人数中位数均远大于办公建筑；医院、学校、办公建筑的总能耗中位数分别为880.37,536.73,181.84。其中医院的总能耗中位数比学校高出64.02%，医院、学校的总能耗中位数均远大于办公建筑。主要原因在于医院常驻机构人数与流动人数均较多且功能较为复杂，而办公建筑常驻机构人数与流动人数均较少。

       4）学校类公共建筑单位建筑面积能耗分布范围为4.32~31.39（kgce/m²•a)，其中位数为18.96（kgce/m2•a)；办公类公共建筑单位建筑面积能耗分布范围为2.48~107.22（kgce/m²•a)，其中位数为33.02（kgce/m²•a)；医院类公共建筑单位建筑面积能耗分布范围为16.56~305.24（kgce/m²•a)，其中位数为48.13（kgce/m²•a)。医院类公共建筑单位建筑面积能耗中位数比学校高出153.85%，比办公建筑高出45.76%，节能潜力最大。

       5）在两家学校类公共建筑的对比案例中，学校A的建筑面积比学校B高出9.50%，用能人数比学校B多出44.60%，却因使用了地源热泵替代分体空调与市政热力的冷热源组合、屋面及外墙均附加保温材料、使用了中空玻璃替代普通玻璃，总能耗比学校B低61.89%。

       6）天津市公共建筑仍有较大节能潜力，可通过设立奖惩机制、定期培训运行人员、实施分项计量、水泵加装变频器、清洗空调室内机过滤网、优化热泵机组运行策略等措施进一步降低建筑能耗。

参考文献

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       备注：本文收录于《建筑环境与能源》2018年10月刊总第15期（第21届暖通空调制冷学术年会文集）。
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