严寒地区典型城市既有非节能居住建筑节能改造贡献率分析

刘馨¹，王晨辰¹，冯国会¹，梁传志²，李画¹，吴玥¹
1.沈阳建筑大学
2. 住房城乡建设部科技发展促进中心

    【摘  要】研究以严寒地区典型城市既有非节能居住建筑为对象，对2015-2016、2016-2017供暖季（节能改造前、后）换热站、二次输配管网及建筑本体三处节点进行供暖能耗实测，掌握不同改造内容对节能量的贡献率。通过将换热站及二次输配管网的实际能耗水平与标准规范值进行对比得出各项改造技术的节能贡献率；结合建筑本体的实际改造效果对改造前后的建筑仿真模型依次进行修正，模拟各项改造技术的节能贡献率，为节能改造的政策制定与市场化推广提供依据。

    【关键词】既有居住建筑；节能改造；节能贡献率；能耗模拟

    【基金项目】 能源基金会资助项目“北方地区既有非节能居住建筑采暖能耗实测研究”（G 1506-23358）；辽宁省科技厅资助项目“建筑综合热惰性的动态响应特征及采暖调控机理研究”（20150168）；辽宁省教育厅资助项目“建筑综合热惰性的动态响应机理和特性研究”（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年以来，我国在北方的采暖地区推动既有非节能居住建筑节能改造工作，规模化推进了既有居住建筑改造项目，但绝大多数都是以建筑单体为对象进行节能量评估，对热源侧节能效果缺乏评估[1-3]。从科学研究的角度看，虽然对于非节能居住建筑能耗偏高达成共识，但是对非节能居住建筑实际能耗水平缺乏定量认识，均以理论计算为主开展研究的。因此，节能改造仅依靠改造面积来表述工作量，但对于改造节能量表述不多。这既限制既有居住建筑节能改造节能量的辨识，也影响各项改造内容节能贡献率的科学估算。

    结合节能改造前、后各节点的供暖能耗进行实测结果与TRANSYS模拟软件，定量分析三处节点各项改造技术的节能贡献率，为节能改造的政策制定与市场化推广提供依据。

1 研究方案

    1.1 测试方案

    研究对2015-2016、2016-2017供暖季（节能改造前、后）换热站、二次输配管网及建筑本体三处节点进行供暖能耗实测。获取节能改造前、后换热站的耗热量及调控策略等基本信息；二次输配管网的热损失；建筑本体的耗热量、室内温度及建筑基本信息等相关数据。综合上述方案要求，结合测试地区的实际情况，选取了典型城市中非节能建筑较为集中的4座换热站（S1、S2、S3、S4）、5支二次输配管网（N1、N2、N2、N4、N5）以及10栋建筑（SY01-SY10）进行调研，换热站、二次输配管网及建筑本体对应情况如表1。

    首先，在换热站、二次输配管网及建筑本体处对采暖耗热量进行持续测量，耗热量的获取采用流量、温度间接测量的方法，在各节点处的供水管起始端及回水管的终端布置温度、流量测点。测点布置分布见图1。

   图1中的下角标0表示换热站测试样本；下角标1表示二次输配管网测试样本；下角标2、3、4分别表示测试支路中最近点、中间点、最不利点的建筑编号；T0、T1、T2、T3及T4分别表示测试样本的供水温度测点；T0′、T1′、T2′、T3′及T4′分别表示测试样本的回水温度测点；V0、V1、V2、V3及V4分别表示测试样本的供水流量测点；V0′、V1′、V2′、V3′及V4′分别表示测试样本的回水流量测点；t2、t3、t4分别表示室内温度测点；二次输配管网的测点布置在换热站内；室内温度测点布置在测试建筑样本的最不利住户家中。

    1.2 改造内容

    外围护结构传热性直接影响建筑的能耗，提高建筑本体的保温隔热性已成为降低建筑能耗的主要途径[6]。改造内容主要针对建筑本体的外围护结构，其中换热站S1、S2、S3、S4对应建筑本体的外围护结构节能改造的相同内容为：外墙保温（增加70mmEPS保温板）、公共窗（更换为PVC塑钢门窗）。

2 换热站及二次输配管网改造节能贡献率

    换热站自控改造及管网平衡改造的节能贡献率主要解决建筑本体室温过高及同一支路各建筑室温不均的现象[4]，因此通过研究改造前后建筑本体室内温度分析节能贡献率；管网漏损改造的节能贡献率则通过管网热损失率指标分析。由于典型项目的换热站及二次输配管网均未进行改造故将改造前后所分析数据的均值作为此项改造内容的节能贡献率。典型项目建筑本体改造前后的室内平均温度的情况，如表2所示。

    2.1 具体分析方法

    （1）换热站自控改造贡献率指标、管网平衡改造贡献率指标

    由于各个测试建筑随着所在整个二次热网的位置不同，室内的平均温度分布也不同，设距离换热站最近的建筑平均温度为最高温度T_g，离换热站最远的建筑的平均温度为最低温度T_d，其他建筑的室内温度线性的分布在两个温度之间，则最高温度T_g与最低温度T_d的差值的一半可视为换热站所有建筑室内温度的平均值与最低温度T_d的差。

    因此，可以粗略的认为最低温度T_d与标准温度T_n´（取值18℃）的差距为由于系统运行调节不良造成的过量损失部分，即换热站自控改造节能贡献率；换热站所有建筑室内温度的平均值与最低温度Td的差为由于建筑间的水力失衡造成的过量损失部分，即管网平衡改造节能贡献率。
换热站自控改造节能贡献率计算为：

    式中：η₁为换热站自控改造节能贡献率，%；T_d为最低温度，℃；T_n′为标准温度，℃。

    管网平衡改造节能贡献率计算为：

    式中：η₂为管网平衡改造节能贡献率，%；T_g为最高温度，℃；其他参数含义同前。

    （2）管网漏损改造贡献率指标

    本项目在实际节能改造过程中未对管网实施改造，管网改造的实际节能贡献率尚难以通过实际改造案例说明。本研究通过式（3）计算二次输配管网的热损失率[5]。

    式中：α_p1为管网热损失率指标，%；Q_b为建筑本体耗热量指标，GJ/(m²·a）；Qpl为管网热损失，GJ/(m²·a）。

    《居住建筑节能检测标准》（JGJ-T132-2009）[6]规定的二次输配管网热损失标准取10%，对比标准规范对管网损失的约束值，估算二次输配管网改造的节能贡献率。

    2.2 换热站自控改造节能贡献率

    通过对换热站进行节能改造，如加装气候补偿器、循环水泵变频器等自动控制设备，实现供需匹配的最优运行，可以降低过量供热造成的热损失部分的能耗，针对实际测试情况计算各自的过量损失情况，按照式（1）进行计算，表3为实测10栋建筑本体改造前后的过量损失情况，取其均值即为换热站自控改造节能贡献率。由于建筑SY08为欠供热，故研究其余9栋实测建筑的过量损失情况。

    不同年份，不同换热站的运行管理水平不同，过量供热情况也不尽相同，通过对典型项目改造前后室内温度的测试，由于过量损失引起的节能潜力，即通过换热站自动化控制改造，约有9.2%的节能贡献率。当然，实现自动化控制只是减少过量损失的前提，没有好的运行调节策略，自动化控制硬件无法独立实现该部分的节能潜力。

    2.3 管网平衡改造节能贡献率

    简单估算换热站二次输配管网水力失衡带来的热量损失，由换热站末端建筑远端、中端、近端的建筑室内平均温度情况估算过量损失。按照式（2）进行计算，结果如表4所示，取其均值即为管网平衡改造节能贡献率：

    注：支路N4仅有一栋建筑SY10，故无法算过量损失。

    由于无法计算支路N4的二次输配管网过量损失率，故平均值取值为改造前后支路N1-N3的过量损失。因此，通过对二次输配管网平衡进行改造，如在各单元楼加装平衡阀，可实现约4.26%的节能贡献率。

    2.4 管网漏损改造节能贡献率

    本研究在实际节能改造过程中未对二次输配管网实施改造，二次输配管网改造的实际节能贡献率尚难以通过实际改造案例说明，通过对比标准规范[6]对二次输配管网损失的约束值，估算二次输配管网漏损改造的节能贡献率，二次输配管网热损失率指标按照式（3）进行计算，如表5所示，取其均值即为管网漏损改造节能贡献率：

    由表5中数据可知，二次输配管网热损失率的平均值为16.2%，距标准的约束值指标有6.2%的节能潜力。因此，通过对二次输配管网进行漏损改造，如更换二次输配管网的供热管道或保温材料，可实现约6.2%的节能贡献率。

3 建筑本体改造节能贡献率

    3.1 模型建立

    建筑本体改造的技术措施主要分为屋面改造、外墙改造及外窗（含公共窗）改造，由于典型项目仅对外墙和公共窗进行改造，无法通过对比改造前后实测数据研究不同改造内容的节能贡献率，故采用实测数据与模拟相结合的研究方法，扩充建筑本体各项改造内容的节能贡献率。

模型需经过改造前后的实测数据验证。结果扩充时的改造标准：按照《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》（JGJ26-2010）[7]（以下简称三步节能标准）中围护结构热工参数限值设定模拟参数值，建筑本体各项改造技术分析流程如图2所示。

    由于改造建筑年代久远，缺少图纸信息，使得建模过程困难，通过实地调研建筑基本结构类型，可以获得较为粗糙的建筑基本信息。因此，建筑仿真分析过程的重点在于通过两个采暖季实际监测的逐时室内温度、室外温度以及逐时供热量数据，验证建筑模型建立的准确性，使得模拟结果具有实际说服力。

    3.2 屋面改造

    典型地区并未对屋面进行改造，对改造前模型中对建筑本体的屋面材料进行修正，使其改造至三步节能中标准限值的传热系数0.4 W/(