既有大型公共建筑能耗評價體系

摘 要

摘要：建立了既有大型公共建筑能耗評價體系。采用層次分析法，借助專家評價，確定既有大型公共建筑能耗指標，從建筑主體、建筑子系統(tǒng)、運行管理等方面進行評分，直觀反映既有大型公共
摘要：建立了既有大型公共建筑能耗評價體系。采用層次分析法，借助專家評價，確定既有大型公共建筑能耗指標，從建筑主體、建筑子系統(tǒng)、運行管理等方面進行評分，直觀反映既有大型公共建筑能耗情況。結合工程實例，對某醫(yī)院建筑進行了公共建筑能耗評價。
關鍵詞：既有大型公共建筑；能耗評價體系；層次分析法
Energy Consumption Evaluation System for Existing Large Public Building
OU Liang，DU Fang，WANG Xiaoxuan
Abstract：The energy consumption evaluation system for existing large public building is established.The energy consumption indexes of existing large public building are determined by analytic hierarchy process with the aid of expert assessment.The score is performed in terms of main body of building，building subsystems，operation management and so on，which visually reflects the energy consumption of existing large public building.The energy consumption of buildings in a hospital is evaluated with an engineering case.
Key words：existing large public building；energy consumption evaluation system； analytic hierarchy process
   我國公共建筑節(jié)能工作起步較晚，節(jié)能水平較低，因此許多科研單位及高校對公共建筑的能耗現(xiàn)狀及評價方法進行了研究[1]。但在我國建筑節(jié)能領域，缺乏權威普及的評價方法，無法滿足建筑領域各個相關層面人員不同層次的需求。另外，建筑節(jié)能各個環(huán)節(jié)的參與者，對建筑能耗現(xiàn)狀了解的程度不同，對于那些不具備專業(yè)知識的人，一種直觀有效的評價方式顯然更加具有說服力。另外，大眾對建筑節(jié)能知識的缺乏，極大影響了建筑節(jié)能相關政策和建筑節(jié)能服務的推廣。定性的評價方法有助于大眾了解自己所處建筑的能耗現(xiàn)狀，尤其是通過評價，可以了解既有公共建筑哪些方面具有節(jié)能潛力，從而主動地尋求改進措施，達到主動節(jié)能的效果。本文對既有大型公共建筑能耗評價體系進行研究。
1 評價體系框架的建立及各項指標
    影響既有大型公共建筑能耗的因素十分復雜，包括建筑主體結構、建筑內(nèi)部的各個系統(tǒng)以及對系統(tǒng)的優(yōu)化管理等。據(jù)此建立既有大型公共建筑能耗評價體系框架見圖1。

    在既有大型公共建筑能耗評價中，對各影響因素的評分標準有一定的主觀性，并且由于實際建筑地理位置、功能等存在差別，所采用的各種節(jié)能技術本文也無法全部涉及。因此，本文給出的只是一個建議性標準，各項指標的具體評分應根據(jù)現(xiàn)場情況而定，在評價期間，還可進行修改，以便適用于更多的情況。
    評價體系的評分規(guī)則采用100分制，即對每一個影響建筑能耗的因素都采用滿分100分，最低0分的標準。為方便分析比較，將100分制分為4個等級，分別為0、30、60、90分。對于一些影響建筑能耗的未提及的因素，可在評分時根據(jù)具體情況選擇4個等級間的過渡分數(shù)。對于節(jié)能性特別好的情況，可評為100分。既有大型公共建筑的各項評價指標如下。
   ① 建筑主體B1
   a. 圍護結構C1
   外墻D1：外墻傳熱系數(shù)，做法，圍護結構氣密性，有無損壞及冷熱橋等熱工缺陷。
    屋頂D2：屋頂傳熱系數(shù)，做法，有無損壞滲漏。
    外窗(包括透明幕墻)D3：外窗類型，開啟方式，遮陽方式。
    外門D4：外門類型，開啟方式，有無熱風幕。
    b. 絕熱C2：做法，絕熱效果。
    ② 建筑子系統(tǒng)B2
    a. 暖通空調(diào)系統(tǒng)C3
    冷熱源D6：冷熱源選擇E1：冷熱源組合方式是否合理，是否因地制宜考慮冷熱源優(yōu)先利用當?shù)馗挥心茉?，是否存在設計余量過大的現(xiàn)象，冷凝器是否結垢，運行時間是否合理。新能源使用E2：是否利用太陽能，利用比例，是否應用蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術，是否利用地下水、土壤源熱泵，是否應用夜間自然冷卻技術，是否應用其他節(jié)能措施。余熱回收E3：是否充分利用制冷設備的冷凝熱，是否充分利用空調(diào)房間的排氣余熱，是否較好地對建筑內(nèi)區(qū)熱量進行回收利用，是否較好地對生產(chǎn)工藝設備散熱(如電爐、電氣設備的廢熱)等進行利用，是否具有建筑內(nèi)其他形式熱量的回收。
    風系統(tǒng)D7：空氣處理系統(tǒng)E4：空氣處理狀態(tài)以及送回風溫差是否合理；在條件允許的情況下，是否加大夏季送回風溫差；是否從技術性、經(jīng)濟性、節(jié)能性等方面綜合考慮組合式空調(diào)機組以及末端設備的選型。新風系統(tǒng)E5：是否設有獨立的新風系統(tǒng)，新風入口布置是否合理，是否對新風量進行控制，是否對最小新風量進行控制，是否對新風進行預熱或預冷，新風系統(tǒng)作用半徑不宜過大，風機單位風量功耗是否超過節(jié)能標準。送風方式E6：送回風口的布置是否合理，空間氣流分布形式是否合理，是否采用通風效率高、空氣齡短的置換通風型送風方式，新風的送風方式是否合理。排風系統(tǒng)E7：是否設有獨立排風系統(tǒng)；補充風量是否合理，排風口布置是否合理，噪聲低。風機風道E8：風機是否在合理的工作區(qū)域內(nèi)運行，風道是否存在堵塞變形，是否存在設計余量過大現(xiàn)象。
    水系統(tǒng)D8：水泵形式E9：水泵是否在合理的工作區(qū)域內(nèi)運行，是否采用變頻調(diào)節(jié)，水泵串并聯(lián)是否合理，兩管制空調(diào)系統(tǒng)冷熱水泵是否分別設置，一二級泵應用是否合理。供回水溫差E10：供回水溫差是否處于合理范圍，建議冷水供水溫度為5.6℃，回水溫度≥13.6℃，供回水溫差≥8℃。流量調(diào)節(jié)E11：是否合理選擇變流量運行的控制模式；水泵變頻調(diào)速范圍宜為60%～100%，不應低于額定轉速的50%；空調(diào)系統(tǒng)末端通過調(diào)節(jié)電動閥相對開度調(diào)節(jié)水量；對于變流量系統(tǒng)是否設置動態(tài)平衡閥或動態(tài)壓差平衡閥，以解決動態(tài)水力失調(diào)。管道E12：管道布置是否合理，是否存在泄漏現(xiàn)象，是否結垢，閥門布置是否合理，是否水力平衡，管道絕熱性能是否良好。冷卻塔E13：冷卻塔是否設置在空氣流通良好的場所，冷卻塔補水總管上是否設置流量計量裝置。
    自控系統(tǒng)D9：自控裝置是否完善，對數(shù)據(jù)的采集是否全面，是否有自動啟停裝置，機房是否采用機組群控裝置，是否采用二級泵自動調(diào)速控制，是否有設備故障報警裝置，自控裝置使用是否合理；全空氣系統(tǒng)、通風系統(tǒng)，以及冷熱源系統(tǒng)宜采用直接數(shù)字控制系統(tǒng)；末端變流量系統(tǒng)中的風機盤管是否采用電動溫控閥和三檔風速結合的控制方式；地下停車場通風系統(tǒng)是否根據(jù)C0濃度進行自動控制；是否設置分層、分區(qū)域甚至分戶的冷、熱量計量裝置。
   b. 照明系統(tǒng)C4
   節(jié)能燈具使用，照度，控制方式。
   c. 動力系統(tǒng)C5
   先進節(jié)能技術的使用，自控系統(tǒng)是否完備。
   d. 其他設備C6
   辦公及其他設備使用是否節(jié)能，操作設備的員工的節(jié)能意識。
   ③ 運行管理B3
   a. 員工技能C7
   節(jié)能管理人員節(jié)能意識、公益意識，設備管理人員的專業(yè)知識、對系統(tǒng)運行管理和節(jié)能方式的掌握程度。
   b. 管理規(guī)程C8
   運行調(diào)節(jié)D10：是否具有明確的空調(diào)機房及空調(diào)系統(tǒng)管理的規(guī)章制度，工作人員分工是否明確，對室內(nèi)熱濕負荷變化時的運行調(diào)節(jié)是否合理，當室外空氣狀態(tài)變化時空調(diào)系統(tǒng)的運行調(diào)節(jié)是否合理，對風機盤管的運行調(diào)節(jié)是否合理。
   監(jiān)控警報D11：空調(diào)系統(tǒng)在正常情況下(包括啟動準備在內(nèi))是否具有啟動程序，運行中的巡檢內(nèi)容，運行中各有關參數(shù)的記錄是否完整，關閉程序以及運行調(diào)節(jié)方式的選擇是否合理；運行設備的切換、啟動、運行、關閉中應注意的事項等是否明確；是否具有空調(diào)系統(tǒng)在啟動、運行、關閉中的安全保障措施；是否具備在運行中對緊急情況的處理措施，是否具備意外事故的處理措施，是否具有對火災事故的特殊處理措施。
    維護檢修D12：是否定期檢查通風系統(tǒng)的構件、部件、設備，是否定期清掃機房、風道、水泵、水管、水池和水箱等，是否定期對自動控制系統(tǒng)進行調(diào)校，發(fā)現(xiàn)故障是否即時維修。
2 評價體系權重的確立
    本文采用的層次分析法(AHP)的基本思想就是將決策者對n個元素重要性的整體判斷轉變?yōu)閷@n個元素的兩兩比較，然后再轉變?yōu)閷@n個元素的整體重要性排序判斷及確定各元素的權重。計算步驟如下。
2.1 構造兩兩比較判斷矩陣
    在單層次結構模型中，設定目標元素為Ck，與相關元素A1、A2、…、An有支配關系。以該目標元素Ck作為準則，通過向決策者詢問對目標元素Ck相關元素Ai對相關元素Aj的重要性比較，構造一個判斷矩陣，其形式見表1。
表1 判斷矩陣形式
Ck
A1
A2
…
An
A1
a11
a12
…
a1n
A2
a21
a22
…
a2n
…
…
…
…
…
An
an1
an2
…
ann
    其中，aij表示對于Ck而言，Ai對Aj相對重要性的數(shù)值體現(xiàn)，通常aij可取1、2、…、9以及它們的倒數(shù)作為標度，標度含義見表2。
表2 標度含義
1
表示兩個元素相比，具有同樣的重要性
3
表示兩個元素相比，一個元素比另一個元素稍微重要
5
表示兩個元素相比，一個元素比另一個元素明顯重要
7
表示兩個元素相比，一個元素比另一個元素強烈重要
9
表示兩個元素相比，一個元素比另一個元素極端重要
2、4、6、8為上述相鄰判斷的中間值，判斷矩陣中的元素具有下列性質(zhì)：
 
2.2 計算單一準則下元素的相對重要程度
    這一步要根據(jù)判斷矩陣，計算對于目標元素而言各元素的相對重要性次序的權值。計算判斷矩陣A的最大特征值λmax和其對應的經(jīng)歸一化后的特征向量W=(w1，w2，…，wn)T。即對于判斷矩陣A求解最大特征根問題：
    AW=λmaxW
    將歸一化后所得到的特征向量W=(w1，w2，…，wn)T作為相關元素A1、A2、…、An對于目標元素Ck的排序權值。計算λmax和W一般采用近似計算的方根法。
2.3 單層次判斷矩陣A的一致性檢驗
    在單層次判斷矩陣A中，當aij=aik/ajk時，稱判斷矩陣為一致性矩陣。由于客觀事物發(fā)展的復雜性和人們偏愛的不同，判斷矩陣很難有嚴格的一致性，但應要求有大致的一致性。因此，在得到λmax后，還需對判斷矩陣的一致性進行檢驗。
   ① 一致性檢驗
   一致性指標ICI的計算式為：
 
式中ICI——一致性指標
    ② 計算平均隨機一致指標IRI，IRI是多次重復進行隨機判斷矩陣特征值的計算后，取算術平均值得到的。
   ③ 計算一致性比例
一致性比例ICR的計算式為：
 
式中ICR——一致性比例
    當ICR＜0.1時，一般認為判斷矩陣A的一致性是可以接受的，否則應修改判斷矩陣，使之符合一致性要求。
2.4 排序權值的原理
    將判斷矩陣A的最大特征值λmax的特征向量經(jīng)歸一化后得W=(w1，w2，…，wn)T，將W作為本層次元素A1、A2、…、An的排序權重。對于目標元素Ck的排序權值的原理如下：
設定n個物體歸一化后的權重分別為w1、w2、…wn，它們之間兩兩比較的相對權重可用判斷矩陣A表示為：
 
    得到：AW=nW
    判斷矩陣A具有以下特征：
    特征a：aij＞0(i，j=1，2，…，n)
    特征b：aij=1/aji(i，j=1，2，…，n)
    特征c：aij=aik/ajk(i，j=1，2，…，n)
    根據(jù)矩陣理論，判斷矩陣A是正互反一致性矩陣，特征a為正的，特征b為互反的，特征c為一致的。因此，矩陣A一定存在唯一不為零的最大特征值λmax且λmax=n。
    若特征向量W為未知，在給出判斷矩陣A的情況下，可以通過求其最大特征值λmax及相應特征向量W求出正規(guī)化的特征向量W作為n個對象的權重。同樣，對于復雜的社會、經(jīng)濟、管理等問題，也可以通過建立層次分析結構模型，構造出相應的判斷矩陣A。應用上述原理確定各種方案、措施、成果等相對于總目標的優(yōu)劣性或重要性的權重，以供決策、評價等。
2.5 評價體系權重的確定
    由于層次分析法樣本的取得對計算結果有著決定性的影響，因此本文采用網(wǎng)絡調(diào)查的方法獲取樣本。在發(fā)出的73份調(diào)查問卷中，剔除6份與其他調(diào)查結果嚴重不一致的樣本后，得到有效樣本67份。受訪者的工作單位、從事專業(yè)、工作年限分別見表3～5。
表3 受訪者工作單位
工作單位
比例/%
學校
38
企業(yè)
16
設計單位
28
政府部門
5
研究部門
8
其他
5
表4 受訪者從事專業(yè)
從事專業(yè)
比例/%
暖通空調(diào)
47
能源設備
11
規(guī)劃
1
建筑
4
管理
11
運行
15
其他
11
表5 受訪者工作年限
工作年限
比例/%
10年以上
58
8～10年
20
3～5年
17
3年以下
5
根據(jù)調(diào)查結果采用層次分析法進行權重計算，計算結果見表6。經(jīng)計算后得出各項指標的權重，既有大型公共建筑評價打分表見表7。由權重計算得出，在大型公共建筑節(jié)能影響因素的一級指標中，建筑子系統(tǒng)B2和運行管理B3兩指標權重較高，在整個影響因素中，各占約40%的比重。在建筑主體B1中，圍護結構C1的權重要高于絕熱C2的權重。在建筑子系統(tǒng)B2中，暖通空調(diào)C3的權重最大(接近50%)，動力系統(tǒng)C5次之。在運行管理B3中，管理規(guī)程C8的權重明顯大于員工技能C7的權重。在圍護結構C1中，外墻D1和外窗D3都對建筑能耗的影響比較大。在暖通空調(diào)C3中，除冷熱源D6對建筑能耗影響比較小外，其余均接近30%。在管理規(guī)程C8中，運行調(diào)節(jié)D10明顯重要，超過60%。在冷熱源D6中，各指標所占比重相當。在風系統(tǒng)D7中，新風系統(tǒng)E5更為重要一些。在水系統(tǒng)D8中，供回水溫差E10和流量調(diào)節(jié)E11兩項指標相對重要。
表6 權重計算結果
項目
建筑主體B1
建筑子系統(tǒng)B2
運行管理B3
建筑主體B1
1.0000
0.5488
0.6703
建筑子系統(tǒng)B2
—
1.0000
0.3965
運行管理B3
—
—
1.0000
權重
0.2326
0.396 5
0.3709
ICR=0.0043
表7 既有大型公共建筑評價打分表
評價指標
權重
分數(shù)
結果
絕熱C2
0.1047
 
 
照明系統(tǒng)C4
0.0707
 
 
動力系統(tǒng)C5
0.0863
 
 
其他設備C6
0.0474
 
 
員工技能C7
0.0997
 
 
外墻D1
0.0368
 
 
屋頂D2
0.0273
 
 
外窗(包括透明幕墻)D3
0.0351
 
 
外門D4
0.0287
 
 
自控系統(tǒng)D9
0.0464
 
 
運行調(diào)節(jié)D10
0.1691
 
 
監(jiān)控警報D11
0.0476
 
 
維護檢修D12
0.0544
 
 
冷熱源選擇E1
0.0080
 
 
新能源使用E2
0.0097
 
 
余熱回收系統(tǒng)E3
0.0119
 
 
空氣處理系統(tǒng)E4
0.0143
 
 
新風系統(tǒng)E5
0.0149
 
 
送風方式E6
0.0089
 
 
排風系統(tǒng)E7
0.0064
 
 
風機、風道情況E8
0.0149
 
 
水泵形式E9
0.0087
 
 
供回水溫差E10
0.0141
 
 
流量調(diào)節(jié)E11
0.0141
 
 
管道E12
0.0095
 
 
冷卻塔E13
0.0102
 
 
3 既有大型公共建筑能耗評價流程
    根據(jù)對國內(nèi)外現(xiàn)有評價體系以及評價情況的研究，要保證評價結果的準確、合理，評價流程十分重要。既有大型公共建筑的能耗評價流程見圖2。
 

4 既有大型公共建筑能耗指標
既有大型公共建筑能耗指標(Energy Saving Evaluation of Existing Large-scale Public Building)IE的計算式為：
 
式中IE——既有大型公共建筑能耗指標
    wi——各影響因素的權重
    Si——各影響因素的評分分數(shù)
    IE(介于0～100)較大，說明該建筑能耗水平較低，節(jié)能狀況良好；IE較小，說明該建筑目前存在能源浪費現(xiàn)象。因此，本文給出具有一定參考意義的分類指標：
    ① IE≤33時，建筑能源極為浪費，應考慮采取一些節(jié)能改造措施。
    ② 33＜IE≤52時，建筑能源存在一定的?良費，節(jié)能性存在一些問題。
    ③ 52＜IE≤64時，建筑節(jié)能性比較好。
    ④ IE＞64時，建筑節(jié)能狀況很好。
    其中IE=33是在建筑不考慮復合能源的利用，無自控系統(tǒng)并在設計中存在問題，空調(diào)系統(tǒng)運行狀況和管理較差，其他評價指標稍低于一般的情形下計算得出的能耗指標；IE=52是建筑空調(diào)系統(tǒng)各方面狀況基本合理，其他評價指標均為一般情形下計算得出的能耗指標；IE=64是建筑節(jié)能手段運用較多，合理利用能源，空調(diào)系統(tǒng)的運行管理合理，并且能源管理規(guī)章制度較為完善，其他評價指標均為較好情形下計算得出的能耗指標。
5 工程實例
5.1 工程概況
    某醫(yī)院是一所大型綜合醫(yī)院。醫(yī)院分總部、北院區(qū)和濱江院區(qū)。其中醫(yī)院總部的總建筑面積為10×104m2，擁有臨床科室50個，總床位1000張，平均日門診量1600人。總部于2004年建成，由一座17層的主樓及相互連接的7層和3層兩幢輔樓以及裙樓組成，主樓總高度為85m，分地上17層地下1層，總建筑面積為79305m2。
    供熱系統(tǒng)分為供暖期供熱系統(tǒng)及過渡季供熱系統(tǒng)兩部分。供暖期熱水由市政管網(wǎng)提供，過渡季熱水由醫(yī)院自備鍋爐房提供，通過設備間內(nèi)換熱器，再經(jīng)集、分水器送到1～3層門診部及4～17層住院病房的各末端設備(風機盤管)。設備間內(nèi)設5臺換熱器(3臺用于供暖期，2臺用于過渡季)，循環(huán)泵7臺(6用1備)。鍋爐房內(nèi)有2臺大型熱水鍋爐(1用1備)，1臺小型熱水鍋爐，2臺蒸汽鍋爐(1用1備)，5臺鍋爐全部為燃氣鍋爐。
    空調(diào)系統(tǒng)分兩部分：門診、住院部及辦公室采用風機盤管+新風系統(tǒng)，手術室采用全空氣系統(tǒng)，有獨立的空調(diào)機組及集中的新風處理機組。設備間設置制冷量為2450kW的離心式冷水機組3臺，額定功率為418kW，冷水供、回水溫度為7、12℃，制冷劑采用R134a。水泵采用減振基礎，進口安裝壓力表和過濾器，出口裝壓力表和止回閥。采用兩管制并設電子水處理儀1臺，分集水器之間設壓差旁通裝置。
    該醫(yī)院選擇了節(jié)能性比較好的Low-E玻璃。墻體絕熱性能也比較優(yōu)良，在一定程度上起到了節(jié)能作用。新的節(jié)能技術和能源利用方式?jīng)]有被采用，雖然考慮到了余熱回收，但回收不完全，仍然存在一定程度的浪費。風機采用了變頻技術，對建筑節(jié)能起到了積極作用。供回水溫差偏小，造成能源的浪費。運行管理人員均經(jīng)過專業(yè)培訓，規(guī)章制度也健全和合理，運行管理比較完善。
5.2 評價結果
    在充分了解情況后，根據(jù)評分要求進行評分，評價結果見表8。經(jīng)計算可得，IE=46.787，屬于33＜IE≤52，說明該建筑能源存在一定程度的浪費，節(jié)能性存在一定的問題。
表8 該醫(yī)院能耗評價結果
評價指標
權重
分數(shù)
結果
絕熱C2
0.1047
40
4.188
照明系統(tǒng)C4
0.0707
50
3.535
動力系統(tǒng)C5
0.0863
30
2.589
其他設備C6
0.0474
50
2.370
員工技能C7
0.0997
60
5.982
外墻D1
0.0368
40
1.472
屋頂D2
0.0273
40
1.092
外窗(包括透明幕墻)D3
0.0351
70
2.457
外門D4
0.0287
40
1.148
自控系統(tǒng)D9
0.0464
60
2.784
運行調(diào)節(jié)D10
0.1691
50
8.455
監(jiān)控警報D11
0.0476
60
2.856
維護檢修D12
0.0544
50
2.720
冷熱源選擇E1
0.0080
30
0,240
新能源使用E2
0.0097
0
0.000
余熱回收系統(tǒng)E3
0.O119
20
0.000
空氣處理系統(tǒng)E4
0.O143
50
0,715
新風系統(tǒng)E5
0.O149
40
0.596
送風方式E6
0.0089
30
0.267
排風系統(tǒng)E7
0.0064
40
0.256
風機、風道情況E8
0.0149
50
0.745
水泵形式E9
0.0087
40
0.348
供回水溫差E10
0.0141
30
0.423
流量調(diào)節(jié)E11
0.0141
40
0.564
管道E12
0.0095
50
0.475
冷卻塔E13
0.0102
50
0.510
6 結語
 我們發(fā)現(xiàn)天津地區(qū)大型公共建筑的IE普遍在52以下，個別建筑IE只達到20，說明天津地區(qū)的公共建筑在節(jié)能性方面存在一些問題。主要體現(xiàn)在設計過程中暖通空調(diào)機組、水泵都存在選型過大的問題，并且多數(shù)建筑的暖通空調(diào)系統(tǒng)未考慮在部分負荷下的高效運行，水系統(tǒng)基本采用定流量系統(tǒng)，復合式能源的利用率很低，并且在使用過程中，忽視對設備的運行調(diào)節(jié)，自動控制系統(tǒng)沒有得到充分的利用等。因此，天津地區(qū)的大型公共建筑節(jié)能潛力很大，大力推廣節(jié)能設計是十分必要的。
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(本文作者：歐亮1 杜芳2 王曉璇3 1.天津市津安熱電有限公司 天津 300204；2.天津生態(tài)城世茂新紀元投資開發(fā)有限公司 天津 300000；3.天津華廈大地建筑工程研究院有限公司 天津 300451)