我国是世界上最大的建筑市场，每年新增建筑面积占世界新增建筑面积的50%[1]。截至2015年，全国建筑总面积达到613亿m²，其中公共建筑面积约113亿m²，占全国建筑总面积的18.4%，预计到2020年我国建筑总面积将达到680亿m²。2015年我国建筑能源消费总量为8.57亿吨标准煤，占全国能源消费总量的20%，其中公共建筑能耗3.41亿吨标准煤，占全国建筑能源消费总量的40%。由于公共建筑体量大，单位面积能耗比其他类型建筑高很多，因此公共建筑节能改造的潜力巨大，是我国节能减排和可持续发展的战略重点。
我国北方城镇采暖面积和能耗分别为129亿m²和1.93亿吨标准煤，采暖能耗为14.9千克标准煤/m²，特别是新疆、黑龙江、内蒙古等地采暖能耗强度已经达到20~21kg标准煤/m²，冬季燃煤采暖不仅加剧了能源需求紧张的状况，还严重影响了空气质量，是雾霾频发的主要原因之一。房屋建筑在全寿命周期中对能源、资源、环境影响巨大，建筑节能是我国降低碳排放量的关键，到2050年，建筑领域节能减排潜力高达74%[2]。围护结构是建筑与室外空气直接接触的部位，提高建筑的保温隔热性能是降低建筑能耗首要有效手段[3]。太阳能、空气能作为一种取之不尽用之不竭的清洁能源，正越来越广泛地应用于生产和生活中，利用太阳能、空气能采暖对减少化石能源的消耗和缓解空气污染具有重要作用。
本文通过对乌鲁木齐市某办公楼围护结构进行节能改造，同时对办公楼进行供暖系统优化，探究适合严寒C区公共建筑节能及供暖系统改造技术，为严寒C区既有建筑节能及供暖系统改造提供参考。
工程概况
乌鲁木齐市某办公楼1990年竣工，总建筑面积2653㎡，南北朝向。办公楼改造前围护结构的热工性能见表1。建筑长41.6m、宽12m，砖混结构，单层建筑面积约为378㎡，地上七层，地下一层，附属部分二层。建筑外墙为370mm厚实心黏土砖。屋面为二毡三油热嵌绿豆砂，冷底子油一道，30mm厚200号细石混凝土，125mm厚加气混凝土砌块，干铺炉渣找2%坡，沥青玛蹄脂一道，现浇楼板；外窗全部采用双层钢窗，玻璃厚3mm，空层厚120mm～200mm之间。原采暖系统为四柱760散热器，水平分环系统，城市热力集中供热。该建筑建成年代较早，保温隔热效果较差，采暖系统运行能耗较高，是本地区具有代表性的既有公共建筑。
围护结构节能改造设计
根据公共建筑节能设计的一般规定，建筑朝向与建筑的体形系数是建筑设计应考虑的节能因素。本办公楼为南北向建筑，是较为适宜的建筑朝向，满足节能与舒适的要求。建筑体形系数越小，单位建筑面积对应的外表面积越小，外围护结构的传热损失越小，对节能越有利。本办公楼建筑外观简洁、明快，体形系数为0.29，满足严寒和寒冷地区公共建筑体形系数≤0.40的要求。办公楼单栋建筑面积大于800m²，属于严寒C区甲类公共建筑。
为保证供暖系统达到更高的供暖效果，按照GB50189-2015《公共建筑节能设计标准》的要求对示范建筑围护结构进行节能改造设计。围护结构改造做法为：
（1）外墙首层采用聚氨酯外保温，二层及二层以上采用EPS保温板，厚度均取100mm，平均传热系数设计为K=0.29W/(㎡·K)；
（2）屋面原做法保留，增设二道3mm厚SBS防水层，采用150mm厚XPS保温层，传热系数K=0.19W/(㎡·K)；
（3）窗户为单一朝向外窗，总窗墙比为0.17（其中南向0.22、北向0.21、东向0.07、西向0.08），采用双中空塑钢窗，传热系数设计为K=1.8W/(㎡·K)。根据GB50189-2015《公共建筑节能设计标准》表3.3.1-2中建筑体形系数≤0.3时的规定，示范建筑围护结构传热系数限值及节能改造设计情况见表2。
供暖系统改造设计
供暖系统选型
结合本项目的实际情况，因地制宜地选择采暖热源方式。由于试点建筑占地面积相对较小，从建筑所处的地理空间、资源利用条件、建设的局限性等因素考虑，可采用太阳能+燃气辅助、空气源热泵、太阳能和空气能复合形式作为供暖热源系统，供暖热源对比见表3。
（1）燃气辅助太阳能可再生能源供暖系统：以太阳能可再生能源实现冬季供暖，当没有太阳或太阳能不充足时，燃气辅助补充，如图1所示。
燃气辅助太阳能可再生能源供暖系统，太阳能集热器采集太阳能转化成热能并传递给导热介质，通过导热介质的循环将热量输送到太阳能换热机组，在太阳能换热主机中热媒水与导热介质进行热交换，产生的45℃热媒水通过循环水泵被送到末端。当有太阳时太阳能系统满足系统35%的采暖需求，剩余部分由选配的常压燃气锅炉补充；当没有太阳或太阳能不足时用常压燃气锅炉补充，以达到室内采暖的目的。
（2）以空气源热泵实现冬季供暖，当环温不满足要求时，电辅助补充。
空气能热泵是逆卡诺原理，利用设备内的吸热介质从空气或自然环境中吸收热量，经压缩机压缩后提高冷媒的温度，并通过热交换器冷媒放出热量加热冷水，同时排放出冷气，制取的热水通过循环系统送入用户进行采暖或直接用于热水供应。一台热泵装置主要有蒸发器、压缩机、冷凝器和膨胀阀四部分组成，通过让热泵系统不断完成蒸发（吸收环境中的热量）→压缩→冷凝（放出热量）→节流→再蒸发的热力循环过程，从而将环境里的热量转移到水中。当热泵系统产生的热量无法满足供暖需求时，启动电加热方式保证室内温度。
（3）太阳能-热泵联合采暖系统：将太阳能和空气能两种可再生能源复合实现冬季供暖，当没有太阳或太阳能不充足时，辅助能源补充，如图2所示。
太阳能-热泵联合采暖系统是一种综合利用太阳能和热泵技术的节能环保型采暖方式，系统主要由太阳能集热器、蓄热装置、热泵、室内末端以及循环水泵组成。太阳能与热泵相结合，可充分发挥二者各自优势。一方面，太阳能可弥补热负荷大时热泵制热量不足、制热效率低等缺陷，例如太阳能与水源热泵结合，蓄热水箱中的水经过白天集热循环加热后水温升高，以蓄热水箱中的热水作为水源热泵的热源相比较采用地下水作为其热源能够提高水源热泵的运行能效；另一方面，热泵作为辅助热源可克服太阳能集热器集热量受气候条件影响严重的缺点，使系统的运行更加稳定，保证建筑采暖热需求，相比太阳能直接采暖方式，可减小系统的集热器面积和蓄热水箱体积，节省初投资。
按照与太阳能所结合的热泵类型分类，太阳能-热泵供暖系统可分为太阳能-地/水源供暖系统和太阳能-空气源热泵供暖系统两种，但无论上述哪种系统均存在一定缺陷。近年来，太阳能-空气源热泵供暖系统以其灵活、区域适应性强的特点越来越多地应用于工程实践。
▲图2太阳能-空气源热泵复合供暖系统原理图
通过对三种方案的系统原理、设备选择、初投资、运行费用等方面的综合比较，方案一和方案三初期投资和运行费用较为接近。与方案二相比，二者初投资相对较高，运行费用相对较低；空气源热泵系统在冬季采暖时容易受环境温度影响，运行稳定性相对较差。因此，从能源的利用率、初投资、后期运行费用等方面综合分析，选择方案一和方案三的优势较为明显。结合办公楼的实际情况以及新疆的气候特点，通过相关专家的论证，最终选取燃气辅助太阳能空气能双能源形式进行供暖。
▼表3供暖热源对比
4.2 供暖系统主要设备
“燃气辅助太阳能空气能双能源”供暖系统，主要有太阳能集热器、智能控制系统、太阳能换热机组、油泵动力中心、空气源热泵、常压燃气锅炉等设备。
4.3 太阳能集热器参数设计
4.3.1 集热器选型
目前，太阳能集热器主要分为平板型太阳能集热器、真空管式太阳能集热器和聚光型太阳能集热器三类，其中聚光型太阳能集热器主要分为槽式、碟式和塔式三种。
与平板型和真空管式太阳能集热器相比，槽式太阳能集热器的优势是：
（1）具有更宽的集热温度范围（50℃~200℃），其集热效率受工质温度影响较小，能很好地适应散热器所需的较高温度；
（2）槽式太阳能集热系统可采用低凝点（-40℃）的导热油作为传热工质，因此不需考虑系统防冻问题，使系统运行更加稳定可靠；
（3）槽式太阳能集热器具有追日聚光功能，因此比平板型集热器和真空管式集热器更高的集热效率，提高系统的太阳能保证率。
鉴于槽式太阳能集热器的这些明显优势，本系统采用槽式太阳能集热器作为太阳能集热系统的集热部件。
4.3.2 集热器面积确定
冬季槽式集热器南北追踪可获得的日平均太阳辐照量为15.53×106J/(m²•d），太阳能集热吸收效率0.75，管道热损5%，每组集热器的面积为15m²，通过计算槽式集热器面积为270m²，故本项目选择18组集热器，三组一排，共六排布置，见计算公式（1）。
节能效果分析
围护结构节能改造效果分析
乌鲁木齐冬季采暖度日数(HDD18)为4329℃·d，夏季空调度日数（CDD26）为36℃·d，因此乌鲁木齐建筑能耗主要集中在冬季采暖能耗上。乌鲁木齐位于北纬43°47′、东经87°37′，海拔高度917.9m。处于严寒C区，第Ⅲ类太阳能资源区，冬季实际供暖日期是10月10日至次年4月10日，共计183天。按照GB50736-2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》的相关规定，确定供暖室外计算温度为-19.7℃；室内设计温度为：办公室20℃，公共卫生间18℃，大厅、走廊、楼梯间16℃。根据建筑节能改造设计情况，确定办公楼设计热负荷指标为37W/㎡，所以办公楼冬季设计热负荷为99kW。通过DeST软件模拟计算，分析办公楼围护结构的整体能耗见表4。与改造前的能耗相比，办公楼围护结构进行节能改造后，节能率达到74%。
供暖系统经济效益分析
供暖系统热负荷为99kW，电费0.55元/kW·h，天然气2元/m³。系统用电量统计：热油循环泵单台功率1.5kW；集中控制系统单套功率0.2kW；回转装置单套功率0.048kW，共二套，总功率为0.144kW，循环水泵功率为7.5kW。太阳能供暖系统总的电功率为9.4kW；燃气锅炉供暖总的电功率为7.5kW。
系统运行费用主要由两部分组成，即辅助燃气费用和系统消耗的电费，吸收式热泵的平均COP为2，当负荷比例为100%时；
每天系统耗电费=（系统总电功率+吸收式热泵）×供暖时间×电价=（9.4kW+1.6kW）×10h×0.55元/kW·h=60.5元
每天辅助燃气消耗费用=采暖总负荷×100%÷COP÷燃气热值÷燃气效率×（10-采暖季日平均日照时间）×燃气价格=99kW×100%÷2÷10kW·h/m³÷0.9×（10-5.11）×2元/m³=53.8元
故当系统100%运行时平均每天的运行费用为114.3元，依次我们可以得出：当系统75%运行时平均每天的运行费用为100.9元；当系统50%运行时平均每天的运行费用为87.4元；当系统25%运行时平均每天的运行费用为74.0元；
由表5可知，供暖系统运行费用为6.19元/m²，与市政供热费用22元/m²相比相对较低，每平方米可节约热费15.81元，一个采暖期可节约采暖费用4.19万元；若按集热器面积270m²估算，预计每平米集热器每个采暖期收集的能量可折算标准煤质量为0.154吨左右，相当于每个采暖期可节煤41.58吨左右。
结论
通过选取典型示范建筑，对乌鲁木齐市既有公共建筑进行围护结构和供暖系统节能改造设计，为严寒C区类似建筑改造提供依据。
（1）办公楼围护结构经过节能改造后建筑耗热量指标由96.94W/m²降低至25.2W/m²，节能率可达到74%，采暖能耗大幅度降低；
（2）燃气辅助太阳能空气能复合供暖系统在太阳能资源丰富的地区应用，对减轻环境污染，建设低碳、节约型社会具有较大的意义。本项目采用燃气辅助太阳能空气能复合供暖系统一个采暖周期可节约运行费用4.19万元，同时可节约41.58吨标准煤，经济和环境效益显著。