寒冷地區(qū)醫(yī)院空調(diào)負(fù)荷影響因素*

呂 潔，王 龍，孫成才

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110870)

我國(guó)公共建筑在經(jīng)濟(jì)形勢(shì)的推動(dòng)下發(fā)展迅猛，根據(jù)國(guó)內(nèi)學(xué)者研究可知，建筑能耗占全國(guó)總能耗比例逐年上升，目前前者約占后者的30%左右[1].在所有的建筑類(lèi)型中，由于醫(yī)院建筑人員多、醫(yī)療設(shè)備多、用能時(shí)間長(zhǎng)等原因，醫(yī)院建筑相比辦公、商場(chǎng)、賓館和酒店等建筑的能源消耗強(qiáng)度要高很多[2].同時(shí)，醫(yī)院建筑的高能耗也預(yù)示著醫(yī)院建筑存在著巨大的節(jié)能潛力.醫(yī)院建筑節(jié)能的關(guān)鍵點(diǎn)是要找到醫(yī)院建筑的能耗分布特征，針對(duì)節(jié)能空間大、節(jié)能效果顯著部分進(jìn)行節(jié)能研究.在整個(gè)醫(yī)療建筑能耗中，空調(diào)系統(tǒng)的能耗約占建筑總能耗的40%，占建筑總能耗的比重較高[3].因此，如何有效地解決醫(yī)院建筑空調(diào)系統(tǒng)能耗居高不下且逐漸增多問(wèn)題已經(jīng)成為建筑與能源應(yīng)用領(lǐng)域的重要課題.

醫(yī)院建筑作為一個(gè)復(fù)雜的建筑群，負(fù)荷影響因素較多且相互耦合，導(dǎo)致不同節(jié)能方案的效果存在較大差異，因此，找出關(guān)鍵影響因素并根據(jù)其制定對(duì)應(yīng)的節(jié)能措施顯得尤為重要.目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者就建筑能耗的影響因素等課題均做出了相關(guān)研究.任剛等[4]通過(guò)EnergyPlus軟件來(lái)模擬建筑不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)能耗的影響，發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)能?chē)o(hù)結(jié)構(gòu)相較于普通墻體的制冷能耗降低了48%；胡達(dá)明等[5]通過(guò)DOE-2軟件研究不同建筑朝向?qū)照{(diào)能耗的影響，結(jié)果表明，南北朝向相較于東西朝向可降低15%能耗；Ascione等[6]利用EnergyPlus和MATLAB，針對(duì)某參考醫(yī)院建筑提出了最優(yōu)節(jié)能改造方案，經(jīng)比較發(fā)現(xiàn)該方案比改造前節(jié)能12.2%；Kim等[7]提出一種能滿足室內(nèi)熱舒適性且有助于系統(tǒng)節(jié)能的控制算法，并通過(guò)TRNSYS仿真程序比較了傳統(tǒng)控制算法與提出的控制算法的精確度.

綜上所述，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)影響因素的研究大多數(shù)是以動(dòng)態(tài)能耗軟件為主要工具.基于這一現(xiàn)狀，本文通過(guò)DeST軟件以沈陽(yáng)地區(qū)某醫(yī)院建筑建立基準(zhǔn)模型，通過(guò)正交模擬試驗(yàn)，來(lái)研究不同影響因素對(duì)空調(diào)負(fù)荷的影響權(quán)重，尋找關(guān)鍵因素，進(jìn)而提出相應(yīng)合理的節(jié)能措施.

1 基準(zhǔn)模型建立

1.1 模型概況

本文模型以沈陽(yáng)某綜合醫(yī)院門(mén)診樓為研究對(duì)象，樓內(nèi)主要功能房間有：診室、實(shí)驗(yàn)室、化驗(yàn)室以及圖書(shū)館等.建筑面積為5 302.97 m2，共六層，坐北朝南.一層層高為4 m，其余各層層高為3.5 m，采用框架結(jié)構(gòu).該門(mén)診樓在DeST軟件中建模如圖1所示.

圖1 醫(yī)院門(mén)診樓建筑模型Fig.1 Model for clinic building of hospital

1.2 室外氣象參數(shù)

DeST軟件建立了全國(guó)大部分地區(qū)的典型年的逐時(shí)氣象數(shù)據(jù)集，使用該軟件模擬時(shí)，直接調(diào)用氣象參數(shù)即可，提高了模擬的效率.沈陽(yáng)地區(qū)全年干球溫度統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖2所示.

圖2 沈陽(yáng)地區(qū)全年逐時(shí)干球溫度Fig.2 Hourly dry-bulb temperature in Shenyang area

1.3 參數(shù)設(shè)置

圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)根據(jù)實(shí)際工程所測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置，參數(shù)如表1所示.

表1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Parameters for maintenance structures

室內(nèi)熱擾參數(shù)設(shè)定如表2所示，醫(yī)療設(shè)備參數(shù)如表3所示，熱擾控制時(shí)間如圖3所示.

圖3 熱擾控制時(shí)間Fig.3 Control time of thermal disturbance

表2 室內(nèi)熱擾參數(shù)Tab.2 Parameters for indoor thermal disturbance

設(shè)定室內(nèi)夏季空調(diào)溫度為24～26 ℃，濕度為55%～65%；冬季室內(nèi)供暖溫度為18～22 ℃，濕度為45%～55%.

自然通風(fēng)設(shè)定如下：10月15日～4月1日，不開(kāi)窗，全天保持0.5次/時(shí)的換氣次數(shù)；6月1日～8月31日，19∶00至次日7∶00，窗戶全開(kāi)，其余時(shí)間不開(kāi)窗，保持0.5次/時(shí)的換氣次數(shù).其中，檢驗(yàn)室、手術(shù)室、藥房等功能房間因其對(duì)潔凈度的高要求不采用自然通風(fēng)，夜間正常運(yùn)行的急診及病房區(qū)域因空調(diào)運(yùn)行也不能進(jìn)行自然通風(fēng).

1.4 模擬結(jié)果

綜合全年逐時(shí)冷、熱負(fù)荷計(jì)算結(jié)果如圖4所示.其中，全年最大冷負(fù)荷值出現(xiàn)在8月3日，為697.14 kW；全年最大熱負(fù)荷值出現(xiàn)在1月14日，為731.43 kW.

圖4 門(mén)診樓全年逐時(shí)負(fù)荷Fig.4 Hourly load of clinic building per year

2 負(fù)荷影響因素及模擬分析

2.1 負(fù)荷影響因素

空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷包括：圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱負(fù)荷、窗玻璃透射負(fù)荷、人員散熱負(fù)荷、照明燈具散熱負(fù)荷、辦公和醫(yī)療設(shè)備散熱負(fù)荷以及新風(fēng)負(fù)荷[8].以上負(fù)荷分別從建筑熱工性能與房間熱環(huán)境兩大方面對(duì)房間負(fù)荷施加影響.根據(jù)該地區(qū)醫(yī)院建筑特點(diǎn)，本文選擇外墻類(lèi)型、外窗類(lèi)型、屋頂類(lèi)型、窗墻面積比、室內(nèi)人員密度、照明設(shè)備功率、新風(fēng)指標(biāo)7個(gè)影響因素作為空調(diào)負(fù)荷影響因素進(jìn)行研究.

2.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)和分析方法是目前最常用的優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)確定影響程度的分析方法[9].因此，為了確定各影響因素的顯著程度，采用正交試驗(yàn)法對(duì)影響因素進(jìn)行研究.正交試驗(yàn)中欲考察對(duì)象稱(chēng)為影響因子，影響因子在考察范圍內(nèi)分為若干等級(jí)，稱(chēng)為水平，為了挑選出次數(shù)較少而具有代表性的組合條件，本文選擇L8(27)的正交試驗(yàn)表(L為正交表符號(hào)；8為試驗(yàn)次數(shù)；2為每個(gè)影響因子有兩個(gè)水平；7為有7個(gè)因子)，正交試驗(yàn)表如表4所示，各因子取值如表5～6所示.

表4 正交試驗(yàn)安排L8(27)Tab.4 Orthogonal test arrangement L8(27)

表5 正交因子值Tab.5 Orthogonal factor values

表6 外窗類(lèi)型參數(shù)Tab.6 Parameters for external window types

水平1代表門(mén)診樓的實(shí)際參數(shù)水平，由于沈陽(yáng)屬于嚴(yán)寒地區(qū)，所以水平2采用《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB50189-2015)中規(guī)定的參數(shù)限值.其中設(shè)備功率指的是照明設(shè)備，由于醫(yī)院醫(yī)療設(shè)備使用頻繁，非使用時(shí)亦處于待機(jī)備用狀態(tài)，無(wú)法對(duì)基準(zhǔn)模型進(jìn)行準(zhǔn)確賦值，所以本文不予考慮.

3 模擬結(jié)果分析

根據(jù)正交表L8(27)安排，利用DeST軟件對(duì)門(mén)診樓進(jìn)行了8組正交試驗(yàn)?zāi)M計(jì)算，具體結(jié)果因篇幅原因不進(jìn)行贅述.表7為全年總負(fù)荷模擬試驗(yàn)極差結(jié)果.

表7 試驗(yàn)極差分析Tab.7 Test range analysis

根據(jù)極差分析結(jié)果可知，窗墻面積比因子的極差最大，達(dá)到799.28，為最大影響因素；屋頂因子的極差最小，僅為60.3，屬于最小影響因素.醫(yī)院門(mén)診樓空調(diào)負(fù)荷影響因子的影響程度的順序如下：D>B>E>G>F>A>C，即窗墻面積比大于外窗類(lèi)型大于人員密度大于新風(fēng)指標(biāo)大于照明設(shè)備功率大于外墻傳熱系數(shù)大于屋頂傳熱系數(shù)，其中，窗墻面積比與外窗類(lèi)型屬于顯著影響因素.

4 顯著影響因素分析及改善措施

通過(guò)以上模擬分析可得門(mén)診樓空調(diào)負(fù)荷影響因素中窗墻面積比為最關(guān)鍵的影響因素，其次是窗戶的類(lèi)型.這是由于我國(guó)嚴(yán)寒地區(qū)冬季氣溫過(guò)低，采暖期相對(duì)較長(zhǎng)，加之外窗在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中是最大的熱橋，是熱量損失較大部分之一[10].因此，在建筑節(jié)能方案中，減少外窗的能耗損失是節(jié)能重點(diǎn)，外窗的得熱和失熱形式主要包括：太陽(yáng)得熱、熱交換以及玻璃窗的透射特性，其對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)參數(shù)為外窗綜合傳熱系數(shù)K、太陽(yáng)得熱系數(shù)SHGC和遮陽(yáng)系數(shù)Sc.

4.1 各朝向窗墻比對(duì)空調(diào)負(fù)荷的影響

由于窗墻比是圍護(hù)結(jié)構(gòu)中熱量損失最大的部分，其對(duì)空調(diào)總負(fù)荷的影響顯著.同時(shí)在節(jié)能設(shè)計(jì)上需要注意，窗墻比同時(shí)會(huì)直接影響室內(nèi)采光、透過(guò)窗戶的輻射得熱以及房間的通風(fēng)效果.本文通過(guò)模擬不同朝向不同窗墻比對(duì)空調(diào)負(fù)荷的影響并進(jìn)行分析，得到全年累計(jì)空調(diào)負(fù)荷與各朝向窗墻比變化的關(guān)系如圖5所示.由圖5可知，全年累計(jì)負(fù)荷隨各朝向窗墻比的增大均呈增大趨勢(shì)，其中由于北朝向窗墻比帶來(lái)的影響導(dǎo)致空調(diào)負(fù)荷增大幅度最大，其次是西朝向.這主要是由于嚴(yán)寒地區(qū)的醫(yī)院建筑供暖期比供冷期長(zhǎng)，沈陽(yáng)地區(qū)冬季氣溫低，東南朝向的外窗太陽(yáng)輻射得熱可以部分抵消由于窗墻比增大所增加的熱負(fù)荷，北朝向與西朝向的外窗太陽(yáng)輻射得熱則十分有限.因此，在圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工設(shè)計(jì)中要充分考慮利用太陽(yáng)輻射的影響，特別是南向與東向窗戶的太陽(yáng)輻射得熱.在《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB50189-2015)規(guī)定的參數(shù)限值范圍內(nèi)，適當(dāng)增大南向與東向的窗墻比、減少西向與北向窗墻比對(duì)節(jié)約采暖能耗，提高熱舒適程度有重大意義.

圖5 門(mén)診樓各窗墻比下空調(diào)負(fù)荷變化圖Fig.5 Change of air conditioning load of clinic building under different window-to-wall ratios

4.2 常見(jiàn)窗型對(duì)空調(diào)負(fù)荷的影響

外窗分為兩個(gè)組成部分：窗框系統(tǒng)與玻璃系統(tǒng).其中，窗框系統(tǒng)占整窗面積不足20%，玻璃系統(tǒng)占整窗面積的80%以上，決定著整窗的熱工性能.為避免窗框在室內(nèi)表面出現(xiàn)結(jié)露結(jié)冰現(xiàn)象，寒冷地區(qū)窗框形式常用多腔體的PVC塑鋼窗及鋁塑的復(fù)合窗，因此本文主要研究外窗中的玻璃系統(tǒng).為了探討影響外窗空調(diào)能耗的重要因素，本文對(duì)不同玻璃類(lèi)型下的空調(diào)負(fù)荷進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果如表8所示.

表8 不同玻璃的參數(shù)值Tab.8 Parameter values of different glass

由表8可以看出，外窗的傳熱系數(shù)與空調(diào)負(fù)荷呈正相關(guān).從真空鍍膜復(fù)合中空玻璃與low-e膜中空玻璃的比較可以看出，兩者的太陽(yáng)得熱系數(shù)SHGC相差無(wú)幾，但是全年負(fù)荷差距很大，說(shuō)明太陽(yáng)得熱系數(shù)SHGC不是影響空調(diào)負(fù)荷的關(guān)鍵參數(shù).同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)空調(diào)負(fù)荷隨著遮陽(yáng)系數(shù)Sc的增大也呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，為了進(jìn)一步驗(yàn)證Sc與空調(diào)負(fù)荷的關(guān)系，本文對(duì)遮陽(yáng)系數(shù)與空調(diào)負(fù)荷進(jìn)行回歸分析，回歸曲線與回歸方程如圖6所示.

圖6 遮陽(yáng)系數(shù)與空調(diào)負(fù)荷的擬合曲線Fig.6 Fitting curve between shading coefficient and air conditioning load

通過(guò)圖6可以看出，影響外窗空調(diào)能耗的關(guān)鍵性因素是玻璃的遮陽(yáng)系數(shù)Sc，因此，在外窗氣密等級(jí)相同的條件下，遮陽(yáng)系數(shù)Sc是設(shè)計(jì)與選擇外窗類(lèi)型的關(guān)鍵指標(biāo).

5 結(jié) 論

本文通過(guò)DeST能耗模擬結(jié)合正交試驗(yàn)對(duì)寒冷地區(qū)醫(yī)院空調(diào)負(fù)荷的影響因素進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

1)通過(guò)正交試驗(yàn)得出窗墻比極差值為799.28，外窗傳熱系數(shù)極差值為461.88，因此在沈陽(yáng)地區(qū)醫(yī)院空調(diào)負(fù)荷的影響因素中，窗墻比與窗戶類(lèi)型是顯著影響因素.

2)不論朝向如何，窗墻比與全年空調(diào)負(fù)荷均呈正比關(guān)系.因此，在保證房間采光和室內(nèi)自然通風(fēng)的情況下減少窗墻比是建筑節(jié)能的重要手段.

3)影響窗戶熱工性能的重要因素是玻璃的遮陽(yáng)系數(shù)Sc，選取合適的遮陽(yáng)系數(shù)是節(jié)能的關(guān)鍵.