既有大型公共建筑能耗评价体系_工程实践

摘要

摘要：建立了既有大型公共建筑能耗评价体系。采用层次分析法，借助专家评价，确定既有大型公共建筑能耗指标，从建筑主体、建筑子系统、运行管理等方面进行评分，直观反映既有大型公共

摘要：建立了既有大型公共建筑能耗评价体系。采用层次分析法，借助专家评价，确定既有大型公共建筑能耗指标，从建筑主体、建筑子系统、运行管理等方面进行评分，直观反映既有大型公共建筑能耗情况。结合工程实例，对某医院建筑进行了公共建筑能耗评价。

关键词：既有大型公共建筑；能耗评价体系；层次分析法

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

我国公共建筑节能工作起步较晚，节能水平较低，因此许多科研单位及高校对公共建筑的能耗现状及评价方法进行了研究^[1]。但在我国建筑节能领域，缺乏权威普及的评价方法，无法满足建筑领域各个相关层面人员不同层次的需求。另外，建筑节能各个环节的参与者，对建筑能耗现状了解的程度不同，对于那些不具备专业知识的人，一种直观有效的评价方式显然更加具有说服力。另外，大众对建筑节能知识的缺乏，极大影响了建筑节能相关政策和建筑节能服务的推广。定性的评价方法有助于大众了解自己所处建筑的能耗现状，尤其是通过评价，可以了解既有公共建筑哪些方面具有节能潜力，从而主动地寻求改进措施，达到主动节能的效果。本文对既有大型公共建筑能耗评价体系进行研究。

1 评价体系框架的建立及各项指标

影响既有大型公共建筑能耗的因素十分复杂，包括建筑主体结构、建筑内部的各个系统以及对系统的优化管理等。据此建立既有大型公共建筑能耗评价体系框架见图1。

在既有大型公共建筑能耗评价中，对各影响因素的评分标准有一定的主观性，并且由于实际建筑地理位置、功能等存在差别，所采用的各种节能技术本文也无法全部涉及。因此，本文给出的只是一个建议性标准，各项指标的具体评分应根据现场情况而定，在评价期间，还可进行修改，以便适用于更多的情况。

评价体系的评分规则采用100分制，即对每一个影响建筑能耗的因素都采用满分100分，最低0分的标准。为方便分析比较，将100分制分为4个等级，分别为0、30、60、90分。对于一些影响建筑能耗的未提及的因素，可在评分时根据具体情况选择4个等级间的过渡分数。对于节能性特别好的情况，可评为100分。既有大型公共建筑的各项评价指标如下。

① 建筑主体B1

a. 围护结构C1

外墙D1：外墙传热系数，做法，围护结构气密性，有无损坏及冷热桥等热工缺陷。

屋顶D2：屋顶传热系数，做法，有无损坏渗漏。

外窗(包括透明幕墙)D3：外窗类型，开启方式，遮阳方式。

外门D4：外门类型，开启方式，有无热风幕。

b. 绝热C2：做法，绝热效果。

② 建筑子系统B2

a. 暖通空调系统C3

冷热源D6：冷热源选择E1：冷热源组合方式是否合理，是否因地制宜考虑冷热源优先利用当地富有能源，是否存在设计余量过大的现象，冷凝器是否结垢，运行时间是否合理。新能源使用E2：是否利用太阳能，利用比例，是否应用蒸发冷却空调技术，是否利用地下水、土壤源热泵，是否应用夜间自然冷却技术，是否应用其他节能措施。余热回收E3：是否充分利用制冷设备的冷凝热，是否充分利用空调房间的排气余热，是否较好地对建筑内区热量进行回收利用，是否较好地对生产工艺设备散热(如电炉、电气设备的废热)等进行利用，是否具有建筑内其他形式热量的回收。

风系统D7：空气处理系统E4：空气处理状态以及送回风温差是否合理；在条件允许的情况下，是否加大夏季送回风温差；是否从技术性、经济性、节能性等方面综合考虑组合式空调机组以及末端设备的选型。新风系统E5：是否设有独立的新风系统，新风入口布置是否合理，是否对新风量进行控制，是否对最小新风量进行控制，是否对新风进行预热或预冷，新风系统作用半径不宜过大，风机单位风量功耗是否超过节能标准。送风方式E6：送回风口的布置是否合理，空间气流分布形式是否合理，是否采用通风效率高、空气龄短的置换通风型送风方式，新风的送风方式是否合理。排风系统E7：是否设有独立排风系统；补充风量是否合理，排风口布置是否合理，噪声低。风机风道E8：风机是否在合理的工作区域内运行，风道是否存在堵塞变形，是否存在设计余量过大现象。

水系统D8：水泵形式E9：水泵是否在合理的工作区域内运行，是否采用变频调节，水泵串并联是否合理，两管制空调系统冷热水泵是否分别设置，一二级泵应用是否合理。供回水温差E10：供回水温差是否处于合理范围，建议冷水供水温度为5.6℃，回水温度≥13.6℃，供回水温差≥8℃。流量调节E11：是否合理选择变流量运行的控制模式；水泵变频调速范围宜为60%～100%，不应低于额定转速的50%；空调系统末端通过调节电动阀相对开度调节水量；对于变流量系统是否设置动态平衡阀或动态压差平衡阀，以解决动态水力失调。管道E12：管道布置是否合理，是否存在泄漏现象，是否结垢，阀门布置是否合理，是否水力平衡，管道绝热性能是否良好。冷却塔E13：冷却塔是否设置在空气流通良好的场所，冷却塔补水总管上是否设置流量计量装置。

自控系统D9：自控装置是否完善，对数据的采集是否全面，是否有自动启停装置，机房是否采用机组群控装置，是否采用二级泵自动调速控制，是否有设备故障报警装置，自控装置使用是否合理；全空气系统、通风系统，以及冷热源系统宜采用直接数字控制系统；末端变流量系统中的风机盘管是否采用电动温控阀和三档风速结合的控制方式；地下停车场通风系统是否根据C0浓度进行自动控制；是否设置分层、分区域甚至分户的冷、热量计量装置。

b. 照明系统C4

节能灯具使用，照度，控制方式。

c. 动力系统C5

先进节能技术的使用，自控系统是否完备。

d. 其他设备C6

办公及其他设备使用是否节能，操作设备的员工的节能意识。

③ 运行管理B3

a. 员工技能C7

节能管理人员节能意识、公益意识，设备管理人员的专业知识、对系统运行管理和节能方式的掌握程度。

b. 管理规程C8

运行调节D10：是否具有明确的空调机房及空调系统管理的规章制度，工作人员分工是否明确，对室内热湿负荷变化时的运行调节是否合理，当室外空气状态变化时空调系统的运行调节是否合理，对风机盘管的运行调节是否合理。

监控警报D11：空调系统在正常情况下(包括启动准备在内)是否具有启动程序，运行中的巡检内容，运行中各有关参数的记录是否完整，关闭程序以及运行调节方式的选择是否合理；运行设备的切换、启动、运行、关闭中应注意的事项等是否明确；是否具有空调系统在启动、运行、关闭中的安全保障措施；是否具备在运行中对紧急情况的处理措施，是否具备意外事故的处理措施，是否具有对火灾事故的特殊处理措施。

维护检修D12：是否定期检查通风系统的构件、部件、设备，是否定期清扫机房、风道、水泵、水管、水池和水箱等，是否定期对自动控制系统进行调校，发现故障是否即时维修。

2 评价体系权重的确立

本文采用的层次分析法(AHP)的基本思想就是将决策者对n个元素重要性的整体判断转变为对这n个元素的两两比较，然后再转变为对这n个元素的整体重要性排序判断及确定各元素的权重。计算步骤如下。

2.1 构造两两比较判断矩阵

在单层次结构模型中，设定目标元素为C_k，与相关元素A₁、A₂、…、A_n有支配关系。以该目标元素C_k作为准则，通过向决策者询问对目标元素C_k相关元素A_i对相关元素A_j的重要性比较，构造一个判断矩阵，其形式见表1。

表1 判断矩阵形式

C_k	A₁	A₂	…	A_n
A₁	a₁₁	a₁₂	…	a_1n
A₂	a₂₁	a22	…	a_2n
…	…	…	…	…
A_n	an₁	a_n2	…	a_nn

其中，a_ij表示对于C_k而言，A_i对A_j相对重要性的数值体现，通常a_ij可取1、2、…、9以及它们的倒数作为标度，标度含义见表2。

表2 标度含义

1	表示两个元素相比，具有同样的重要性
3	表示两个元素相比，一个元素比另一个元素稍微重要
5	表示两个元素相比，一个元素比另一个元素明显重要
7	表示两个元素相比，一个元素比另一个元素强烈重要
9	表示两个元素相比，一个元素比另一个元素极端重要

2、4、6、8为上述相邻判断的中间值，判断矩阵中的元素具有下列性质：

2.2 计算单一准则下元素的相对重要程度

这一步要根据判断矩阵，计算对于目标元素而言各元素的相对重要性次序的权值。计算判断矩阵A的最大特征值λ_max和其对应的经归一化后的特征向量W=(w₁，w₂，…，w_n)^T。即对于判断矩阵A求解最大特征根问题：

AW=λ_maxW

将归一化后所得到的特征向量W=(w₁，w₂，…，w_n)^T作为相关元素A₁、A₂、…、A_n对于目标元素C_k的排序权值。计算λ_max和W一般采用近似计算的方根法。

2.3 单层次判断矩阵A的一致性检验

在单层次判断矩阵A中，当a_ij=a_ik/a_jk时，称判断矩阵为一致性矩阵。由于客观事物发展的复杂性和人们偏爱的不同，判断矩阵很难有严格的一致性，但应要求有大致的一致性。因此，在得到λ_max后，还需对判断矩阵的一致性进行检验。

① 一致性检验

一致性指标I_CI的计算式为：

式中I_CI——一致性指标

② 计算平均随机一致指标I_RI，I_RI是多次重复进行随机判断矩阵特征值的计算后，取算术平均值得到的。

③ 计算一致性比例

一致性比例I_CR的计算式为：

式中I_CR——一致性比例

当I_CR＜0.1时，一般认为判断矩阵A的一致性是可以接受的，否则应修改判断矩阵，使之符合一致性要求。

2.4 排序权值的原理

将判断矩阵A的最大特征值λ_max的特征向量经归一化后得W=(w₁，w₂，…，w_n)^T，将W作为本层次元素A₁、A₂、…、A_n的排序权重。对于目标元素C_k的排序权值的原理如下：

设定n个物体归一化后的权重分别为w₁、w₂、…w_n，它们之间两两比较的相对权重可用判断矩阵A表示为：

得到：AW=nW

判断矩阵A具有以下特征：

特征a：a_ij＞0(i，j=1，2，…，n)

特征b：a_ij=1/a_ji(i，j=1，2，…，n)

特征c：a_ij=a_ik/a_jk(i，j=1，2，…，n)

根据矩阵理论，判断矩阵A是正互反一致性矩阵，特征a为正的，特征b为互反的，特征c为一致的。因此，矩阵A一定存在唯一不为零的最大特征值λ_max且λ_max=n。

若特征向量W为未知，在给出判断矩阵A的情况下，可以通过求其最大特征值λ_max及相应特征向量W求出正规化的特征向量W作为n个对象的权重。同样，对于复杂的社会、经济、管理等问题，也可以通过建立层次分析结构模型，构造出相应的判断矩阵A。应用上述原理确定各种方案、措施、成果等相对于总目标的优劣性或重要性的权重，以供决策、评价等。

2.5 评价体系权重的确定

由于层次分析法样本的取得对计算结果有着决定性的影响，因此本文采用网络调查的方法获取样本。在发出的73份调查问卷中，剔除6份与其他调查结果严重不一致的样本后，得到有效样本67份。受访者的工作单位、从事专业、工作年限分别见表3～5。

表3 受访者工作单位

工作单位	比例/%
学校	38
企业	16
设计单位	28
政府部门	5
研究部门	8
其他	5

表4 受访者从事专业

从事专业	比例/%
暖通空调	47
能源设备	11
规划	1
建筑	4
管理	11
运行	15
其他	11

表5 受访者工作年限

工作年限	比例/%
10年以上	58
8～10年	20
3～5年	17
3年以下	5

根据调查结果采用层次分析法进行权重计算，计算结果见表6。经计算后得出各项指标的权重，既有大型公共建筑评价打分表见表7。由权重计算得出，在大型公共建筑节能影响因素的一级指标中，建筑子系统B2和运行管理B3两指标权重较高，在整个影响因素中，各占约40%的比重。在建筑主体B1中，围护结构C1的权重要高于绝热C2的权重。在建筑子系统B2中，暖通空调C3的权重最大(接近50%)，动力系统C5次之。在运行管理B3中，管理规程C8的权重明显大于员工技能C7的权重。在围护结构C1中，外墙D1和外窗D3都对建筑能耗的影响比较大。在暖通空调C3中，除冷热源D6对建筑能耗影响比较小外，其余均接近30%。在管理规程C8中，运行调节D10明显重要，超过60%。在冷热源D6中，各指标所占比重相当。在风系统D7中，新风系统E5更为重要一些。在水系统D8中，供回水温差E10和流量调节E11两项指标相对重要。

表6 权重计算结果

项目	建筑主体B1	建筑子系统B2	运行管理B3
建筑主体B1	1.0000	0.5488	0.6703
建筑子系统B2	—	1.0000	0.3965
运行管理B3	—	—	1.0000
权重	0.2326	0.396 5	0.3709
I_CR=0.0043

表7 既有大型公共建筑评价打分表

评价指标	权重	分数	结果
绝热C2	0.1047
照明系统C4	0.0707
动力系统C5	0.0863
其他设备C6	0.0474
员工技能C7	0.0997
外墙D1	0.0368
屋顶D2	0.0273
外窗(包括透明幕墙)D3	0.0351
外门D4	0.0287
自控系统D9	0.0464
运行调节D10	0.1691
监控警报D11	0.0476
维护检修D12	0.0544
冷热源选择E1	0.0080
新能源使用E2	0.0097
余热回收系统E3	0.0119
空气处理系统E4	0.0143
新风系统E5	0.0149
送风方式E6	0.0089
排风系统E7	0.0064
风机、风道情况E8	0.0149
水泵形式E9	0.0087
供回水温差E10	0.0141
流量调节E11	0.0141
管道E12	0.0095
冷却塔E13	0.0102

3 既有大型公共建筑能耗评价流程

根据对国内外现有评价体系以及评价情况的研究，要保证评价结果的准确、合理，评价流程十分重要。既有大型公共建筑的能耗评价流程见图2。

4 既有大型公共建筑能耗指标

既有大型公共建筑能耗指标(Energy Saving Evaluation of Existing Large-scale Public Building)I_E的计算式为：

式中I_E——既有大型公共建筑能耗指标

w_i——各影响因素的权重

S_i——各影响因素的评分分数

I_E(介于0～100)较大，说明该建筑能耗水平较低，节能状况良好；I_E较小，说明该建筑目前存在能源浪费现象。因此，本文给出具有一定参考意义的分类指标：

① I_E≤33时，建筑能源极为浪费，应考虑采取一些节能改造措施。

② 33＜I_E≤52时，建筑能源存在一定的?良费，节能性存在一些问题。

③ 52＜I_E≤64时，建筑节能性比较好。

④ I_E＞64时，建筑节能状况很好。

其中I_E=33是在建筑不考虑复合能源的利用，无自控系统并在设计中存在问题，空调系统运行状况和管理较差，其他评价指标稍低于一般的情形下计算得出的能耗指标；I_E=52是建筑空调系统各方面状况基本合理，其他评价指标均为一般情形下计算得出的能耗指标；I_E=64是建筑节能手段运用较多，合理利用能源，空调系统的运行管理合理，并且能源管理规章制度较为完善，其他评价指标均为较好情形下计算得出的能耗指标。

5 工程实例

5.1 工程概况

某医院是一所大型综合医院。医院分总部、北院区和滨江院区。其中医院总部的总建筑面积为10×10⁴m²，拥有临床科室50个，总床位1000张，平均日门诊量1600人。总部于2004年建成，由一座17层的主楼及相互连接的7层和3层两幢辅楼以及裙楼组成，主楼总高度为85m，分地上17层地下1层，总建筑面积为79305m²。

供热系统分为供暖期供热系统及过渡季供热系统两部分。供暖期热水由市政管网提供，过渡季热水由医院自备锅炉房提供，通过设备间内换热器，再经集、分水器送到1～3层门诊部及4～17层住院病房的各末端设备(风机盘管)。设备间内设5台换热器(3台用于供暖期，2台用于过渡季)，循环泵7台(6用1备)。锅炉房内有2台大型热水锅炉(1用1备)，1台小型热水锅炉，2台蒸汽锅炉(1用1备)，5台锅炉全部为燃气锅炉。

空调系统分两部分：门诊、住院部及办公室采用风机盘管+新风系统，手术室采用全空气系统，有独立的空调机组及集中的新风处理机组。设备间设置制冷量为2450kW的离心式冷水机组3台，额定功率为418kW，冷水供、回水温度为7、12℃，制冷剂采用R134a。水泵采用减振基础，进口安装压力表和过滤器，出口装压力表和止回阀。采用两管制并设电子水处理仪1台，分集水器之间设压差旁通装置。

该医院选择了节能性比较好的Low-E玻璃。墙体绝热性能也比较优良，在一定程度上起到了节能作用。新的节能技术和能源利用方式没有被采用，虽然考虑到了余热回收，但回收不完全，仍然存在一定程度的浪费。风机采用了变频技术，对建筑节能起到了积极作用。供回水温差偏小，造成能源的浪费。运行管理人员均经过专业培训，规章制度也健全和合理，运行管理比较完善。

5.2 评价结果

在充分了解情况后，根据评分要求进行评分，评价结果见表8。经计算可得，I_E=46.787，属于33＜I_E≤52，说明该建筑能源存在一定程度的浪费，节能性存在一定的问题。

表8 该医院能耗评价结果

评价指标	权重	分数	结果
绝热C₂	0.1047	40	4.188
照明系统C₄	0.0707	50	3.535
动力系统C₅	0.0863	30	2.589
其他设备C₆	0.0474	50	2.370
员工技能C₇	0.0997	60	5.982
外墙D₁	0.0368	40	1.472
屋顶D₂	0.0273	40	1.092
外窗(包括透明幕墙)D3	0.0351	70	2.457
外门D4	0.0287	40	1.148
自控系统D9	0.0464	60	2.784
运行调节D10	0.1691	50	8.455
监控警报D11	0.0476	60	2.856
维护检修D12	0.0544	50	2.720
冷热源选择E1	0.0080	30	0,240
新能源使用E2	0.0097	0	0.000
余热回收系统E3	0.O119	20	0.000
空气处理系统E4	0.O143	50	0,715
新风系统E5	0.O149	40	0.596
送风方式E6	0.0089	30	0.267
排风系统E7	0.0064	40	0.256
风机、风道情况E8	0.0149	50	0.745
水泵形式E9	0.0087	40	0.348
供回水温差E10	0.0141	30	0.423
流量调节E11	0.0141	40	0.564
管道E12	0.0095	50	0.475
冷却塔E13	0.0102	50	0.510

6 结语

我们发现天津地区大型公共建筑的I_E普遍在52以下，个别建筑I_E只达到20，说明天津地区的公共建筑在节能性方面存在一些问题。主要体现在设计过程中暖通空调机组、水泵都存在选型过大的问题，并且多数建筑的暖通空调系统未考虑在部分负荷下的高效运行，水系统基本采用定流量系统，复合式能源的利用率很低，并且在使用过程中，忽视对设备的运行调节，自动控制系统没有得到充分的利用等。因此，天津地区的大型公共建筑节能潜力很大，大力推广节能设计是十分必要的。

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(本文作者：欧亮¹ 杜芳² 王晓璇³ 1.天津市津安热电有限公司天津 300204；2.天津生态城世茂新纪元投资开发有限公司天津 300000；3.天津华厦大地建筑工程研究院有限公司天津 300451)