武汉某医院围护结构与照明节能改造方案分析

梁辰吉昱 胡平放 冼丽珊 宋 一



武汉某医院围护结构与照明节能改造方案分析

梁辰吉昱 胡平放 冼丽珊 宋 一

（华中科技大学环境科学与工程学院 武汉 430074）

以武汉市某医院某住院楼（以下简称C楼）为例，根据建筑能耗情况对比分析其节能潜力，然后提出了使用节能外窗、自然采光和外墙外贴聚苯板三个可行节能改造方案，利用DeST-C判断方案的适用性，并与国内其他研究者的结论相比较，提出合理的节能建议。

既有医院；能源诊断；节能改造；DeST

0 引言

我国目前能耗总量较大，仅次于美国，且建筑能耗占总能耗的比值超过20%[1]，其中大型公共建筑的能耗所占比例较大，为普通住宅的10～20倍[2]，因此推进建筑节能改造势在必行，也对我国节能发展，建设“环境友好型”、“节约型”社会有重要意义。

本文选取武汉某医院的B楼和C楼为对象进行能源诊断判断其节能潜力，并以C楼为对象进行能耗模拟。该医院始建于1951年，主要建筑有B楼、C楼、门诊楼、行政办公楼和后勤楼等，其中C楼为住院楼，共13层。

1 能源诊断

1.1 基准能耗

以B楼和C楼两栋住院楼的空调系统、生活热水系统、照明系统和电梯系统的能耗作为年基准能耗，如表1所示。

1.2 与国内类似建筑的能耗比较

B楼和C楼的建筑面积为：B楼11000m2、C楼25187.2m2，它们的基准能耗折算如表2所示。因此B楼、C楼的建筑能耗指标为211.3kWh/(m2∙a)，其中建筑单位面积电耗为85.06kWh/(m2∙a)，单位面积耗燃气量为17.01Nm³/(m2∙a)。

表1 B楼、C楼基准能耗表

表2 B楼、C楼基准能耗折算表

国内其他研究者确定了不同地区的医院能耗水平：杜然确定了武汉医院建筑平均能耗指标为156.26 kWh/(m2∙a)[3]；杨延锋等人确定了中南大学湘雅三医院的建筑能耗指标为245.93kWh/(m2∙a)，建筑单位电耗为103.19kWh/(m2∙a)[4]；李海承确定了武汉医院建筑能耗指标处于103.87～288.80kWh/(m2∙a)，平均值为163.27kWh/(m2∙a)[5]；原兆亮确定了西安某医院的建筑单位面积电耗为63kWh/(m2∙a)，单位面积耗气量为6.2Nm³/(m2∙a)[6]；林爱麟确定了长沙2007年医院建筑平均能耗指标为195.04kWh/(m2∙a)，重庆医院的平均能耗指标为130.43kWh/(m2∙a)[7]。

对比发现，B楼、C楼的建筑能耗指标和同样位于夏热冬冷地区的其他医院相比较高；且单位面积电耗、耗燃气量远高于处于寒冷地区的西安某医院。其中空调系统的电耗和耗燃气量分别占总量的58.2%和61.8%，而李海承确定的武汉采暖空调能耗占总能耗的比值处于18.32%～58.64%，平均值为43.62%[5]，因此B楼、C楼空调能耗占总能耗比值较大，具有较大节能潜力。

2 模型建立

2.1 建筑围护结构模型

根据C楼的建筑施工图，利用DeST-C对C楼建模，对功能相近且相邻的房间进行合并，例如，将男、女洗手间及前室合并为一个房间进行处理。但由于病房数量较多，占地面积较大，若合并处理将造成模拟结果不精确，因为尽管房间功能相同，房间位置对室温[8]、负荷及采光等影响较大，因此每个病房分开进行模拟。建筑模型如图1所示。

图1 C楼的DeST-C模型

2.2 建筑围护结构参数设置

根据C楼的建筑施工图设置门、窗、墙体、楼地、楼板和屋顶的参数。设置结果如表3所示。

表3 围护结构参数设置

2.3 房间功能及作息、内扰和通风设置

根据建筑施工图设置房间类型。其中，房间作息设置为DeST-C的默认值；因C楼病房大多数为3人间，因此病房的人员热扰中的最大人数设置为3，其余房间的内扰设为默认值；建筑通风设置为“房间与外界之间的通风”。

模拟结果显示，DeST-C对C楼的模拟负荷接近实际负荷，可用来对诚信楼进行后续节能改造方案的分析。

3 节能方案分析

模拟结果显示，C楼21天模拟周期（7月14日至8月3日）内最大冷负荷为：2623.09kW；累计冷负荷为：640338.99kWh。现使用DeST-C验证以下方案的节能潜力。

3.1 使用节能外窗

提出以下三种可行的外窗改造方案：

（1）所有12厚夹层白玻替换为灰色断热铝合金低辐射中空玻璃；

（2）所有12厚夹层白玻替换为镀Low-E膜中空（低透型）玻璃；

（3）所有窗户替换为内张Low-E膜中空玻璃（双层膜）。

以上方案中每种玻璃的结构和热特性参数如表4所示。

表4 玻璃的结构和热特性

三种方案的计算负荷与原负荷的比较结果如表5所示。

表5 三种外窗改变方案的计算负荷与原模型负荷的比较

结果表明，改变外窗材料能有效减小冷负荷，方案2和方案3总负荷减小比例分别为5.27%和8.03%，即使用Low-E膜的玻璃能有效减小能耗，主要原因为方案2和方案3使用的玻璃传热系数值和遮阳系数S值均较小，因此建筑物得热明显减小。方案1虽然玻璃传热系数值明显减小，但由于遮阳系数S值无变化，负荷减小程度不显著；方案2和方案1相比，传热系数值增加而遮阳系数S值减小，负荷明显减小。因此选择玻璃时应首先考虑其遮阳系数S值，同时也应考虑经济因素，综合选择最佳方案，以减小建筑能耗。

3.2 自然采光

B楼和C楼两栋住院楼的照明年基准能耗为32.45万kWh，占总耗电量的10.6%。因此，若能在保证照度达到标准时，采用自然光照明，将有效减小照明电耗。

调用DeST-C的日影计算模块BShadows和建筑采光计算模块对C楼进行建筑日影和采光计算，如图2所示。

图2 建筑日影和采光分析

根据《建筑照明设计标准》GB 50034—2013[9]，楼梯间与病房的照明要求较低，均为100Lx，有利于自然采光；其余房间，例如手术室、办公室等，由于房间照度标准较高，且要求光源稳定性好，不利于自然采光。C楼病房共174间，97.7%分布在南侧；西楼梯间窗墙比较大且与西侧外墙相邻；东楼梯间因不与外墙相邻，不满足自然采光条件。因此本文计算7月14日至8月3日西楼梯间与病房的自然采光平均照度（每层楼均匀选取十个病房）随时间的分布，如图3所示。楼梯间与病房自然采光照度规律不同的原因可能为楼梯间和病房的朝向、窗墙比和房间进深的不同[10]。

图3 楼梯间（A）、病房（B）平均自然采光照度随时间分布

楼梯间、病房自然采光照度符合标准的小时数分别为244小时和201小时，分别占总小时数504的48.41%和39.88%，如图4所示。楼梯间自然采光达标时间段约为9时至19时；病房自然采光达标时间段约为10时至17时，此时医院人员活动较多，因此若在符合照明标准时关闭人工照明而使用自然采光，将有利于减少C楼的照明能耗。

图4 自然采光符合楼梯间

3.3 外墙外贴聚苯板

国内许多研究表明[11-13]，既有外墙外贴聚苯板作为一种墙体改造的方法，保温效果显著。本文借鉴贾春霞等人在《严寒地区既有住宅墙体节能改造研究》[11]中提到的既有墙体外贴50mm厚聚苯板保温层的方法，利用DeST-C模拟对比外贴聚苯板前后建筑负荷的变化。

图5 外墙改造前后墙体结构图

如图5所示，原有外墙结构为：20mm石灰砂浆层+250mm多孔混凝土+20mm石灰砂浆层。墙体改造时将聚苯保温板粘在墙外侧后饰面层仍使用20mm石灰砂浆。

DeST-C中显示上述涉及墙体材料的参数如表6所示。

表6 外墙材料参数

设定墙体的材料及厚度后，DeST-C显示原有外墙的导热热阻为1.245m2∙K/W；传热系数为0.713W/m2∙K；热惰性指标为3.742；改造后墙体的导热热阻为2.328m2∙K/W；传热系数为0.402W/m2∙K；热惰性指标为4.637。计算结果表明，墙体改造后计算周期内最大冷负荷为2608.35kW，减少0.56%；累计冷负荷为635818.29kWh，减少0.71%。因此对C楼而言，外贴聚苯板的方法节能潜力不大，可能原因为：（1）计算周期为夏季，室内外温度差不大，对于武汉这种夏热冬冷地区的气候，室内外温差较小，因此墙体热工性能对负荷影响较小；（2）原有墙体保温性能足够，接近饱和，增加聚苯板对保温性能的提升影响不大。

4 结论

C楼原有外窗的传热系数和遮阳系数均不大，属于节能外窗，节能潜力不大，但仍有节能改造的空间，若使用更节能的外窗，例如镀Low-E膜中空玻璃（低透型）和内张双层Low-E膜中空玻璃，还能分别使累计冷负荷减小5.27%和8.03%。建议在考虑经济因素的前提下，使用更节能的外窗，减小能耗。

对于采光要求不高的房间，自然采光足以满足要求，建议对这类房间合理利用自然采光，达到节能效果。

外墙粘贴聚苯板的改造方法对C楼而言效果不显著，且工程量大，不建议使用。但对于其他公共建筑而言仍是一种有效的方法，严寒地区室内外温差较大，对墙体保温性能要求较高，适合使用。贾春霞等人测得外贴50mm聚苯板后墙体节能率为59%，且因保温层位于外侧，能减小热桥效应，增加墙体热稳定性，提高墙体内表面温度，有效地改善室内热环境[11]。

国内其他研究者得出类似结论：林爱麟[7]对长沙某医院的门诊楼的围护结构进行节能改造时发现，方案1：外墙加20mm厚聚苯乙烯板；方案2：屋面加30mm硬泡聚氨酯复合板；方案3：外窗采用Low-E中空玻璃窗，分别减少负荷的7.4%、2.2%和20.8%，与本文得出的更换外窗玻璃节能效果最显著的结论一致。并且林爱麟指出，外墙的传热系数K值降低到1.1W/m2∙K时，再减小值则节能效果不明显，这可能是本文贴聚苯乙烯板后值从0.713W/m2∙K降低到0.402W/m2∙K而后负荷仅减少0.56%的原因。

本文以C楼为例，提出若干节能改造方案，结论对于其他类似既有公共建筑，仍具有参考价值。

[1] 阮方,章伟,钱匡亮,等.基于DeST的夏热冬冷地区居住建筑人行为能耗模拟验证[J].建筑节能,2017,45(1):1-6.

[2] 王伟,董春桥.高校教学楼能耗现状分析和节能措施研究[J].建筑节能,2013,41(8):58-66.

[3] 杜然.武汉地区三级综合医院能耗定额的研究[D].武汉:武汉科技大学,2011.

[4] 杨延锋,彭好义,彭福来,等.长沙某大型综合性医院能耗统计与分析[J].建筑节能,2016,44(6):94-97.

[5] 李海承.既有医院节能潜力与改造效益的研究[D].武汉:武汉科技大学,2011.

[6] 原兆亮.医院建筑节能潜力分析与节能途径研究[D].西安:长安大学,2012.

[7] 林爱麟.长沙市医院建筑能耗的实测与分析[D].长沙:湖南大学,2009.

[8] 崔明辉,邹韦唯,王易军,等.低温地板辐射供暖系统房间位置及户间传热对采暖效果影响研究[J].河北建筑工程学院学报,2017,35(3): 4-54.

[9] GB 50034—2013,建筑照明设计标准[S].北京:中国建筑工业出版社,2013.

[10] 朱颖心.建筑环境学[M].北京:中国建筑工业出版社,2016:306-307.

[11] 贾春霞,董重成,吴静怡.严寒地区既有住宅墙体节能改造研究[J].新型建筑材料,2003(10):35-37

[12] 高原,张君.加气混凝土自保温与聚苯板外保温墙体保温隔热性能对比[J].新型建筑材料,2010(3):48-52

[13] 邹德奎.外贴聚苯板技术在墙体改造中的应用[J].山西建筑,2005,31(7):92-97.

Analysis of the Energy-saving Methods of the Enclosure Structure and Lighting of an Hospital in Wuhan

Liang Chenjiyu Hu Pingfang Xian Lishan Song Yi

( School of Environmental Science and Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan, 430074 )

This article takes an inpatient building of a hospital in Wuhan (hereinafter referred to as Building C) as an example to compare and analyze the energy-saving potential of building energy consumption, and then proposes several feasible energy-saving methods, such as using exterior windows, natural daylighting, and external affixed polystyrene board. Using DeST-C to judge the applicability of those methods, we compare them with the conclusions of other domestic researchers to propose reasonable energy-saving suggestions.

Existing Hospital; Energy Diagnosis; Energy Saving; DeST

TU111

A

1671-6612（2019）02-166-06

梁辰吉昱（1997.05-），男，本科，E-mail：u201515682@hust.edu.cn

胡平放（1963.07-），男，博士，教授，E-mail：pingfanghu21@163.com

2018-05-11