夏熱冬冷地區(qū)住宅建筑節(jié)能改造技術(shù)研究

石心剛 溫 旺 潘志信 賈玉貴 鄧大鵬 冀衛(wèi)興

1.河北建筑工程學(xué)院;2.唐山市政府投資工程建設(shè)管理中心

1 夏熱冬冷地區(qū)既有氣候特征

按照我國建筑熱工分區(qū),地處我國中部的長江流域及其周圍廣大地區(qū),屬“夏熱冬冷”地區(qū).又由于其處于我國北方寒冷地區(qū)與南方炎熱地區(qū)之間,也稱為“過渡地區(qū)”.

夏熱冬冷地區(qū)最顯著的氣候特征是冬冷夏熱,四季分明,但冬夏時(shí)間長、濕度大,夏季悶熱,冬季濕冷,氣溫的日差較小,年降水量大,日照偏少.春末夏初多陰雨天氣,常有大雨和暴雨出現(xiàn),夏熱冬冷地區(qū)春秋兩季各約2個(gè)月,冬、夏各約4個(gè)月.多數(shù)地方高于35℃的酷熱天氣有半個(gè)月至一個(gè)月之多,最熱月14時(shí)的平均溫度達(dá)32℃～33℃,最低氣溫也超過28℃.白天炎熱;夜間靜風(fēng)率高,白天積蓄的熱量難以散發(fā),氣溫仍然居高不下.冬季強(qiáng)大的寒潮到此地區(qū)后,受到南嶺和東南丘陵的阻擋,使冷空氣滯留,因而寒冷時(shí)間較長特別是1月份平均氣溫比世界上同緯度其他地區(qū)一般要低8℃～10℃,是世界上同緯度冬季最寒冷的地區(qū).夏熱冬冷地區(qū)又是一個(gè)水網(wǎng)地帶,冬夏季節(jié)空氣相對(duì)濕度大,多在70%左右,夏季濕熱,冬季濕冷,極不舒適.

2 夏熱冬冷地區(qū)建筑熱工特性及能耗狀況

2.1 建筑熱工特性

夏熱冬冷地區(qū)的多層建筑外墻多年一直沿用240 mm厚實(shí)心粘土磚,其傳熱系數(shù)K值為2.0 W/ (m2·K),即使采用其他墻體材料,也以240 mm厚磚墻作為參照對(duì)象,不作任何保溫隔熱措施.有些地方采用空心粘土磚,其保溫隔熱性能稍好;有的地方采用頁巖磚、灰砂磚等非粘土磚,其強(qiáng)度比粘土磚高,但保溫隔熱性能較差.

在窗戶方面,普遍采用單層玻璃金屬窗,建筑外遮陽措施較少.單層玻璃金屬窗的保溫隔熱性能很差,夏季在無遮陽措施的情況下,大量太陽熱輻射經(jīng)窗戶進(jìn)入室內(nèi);冬季冷空氣滲透嚴(yán)重.隨著商品房進(jìn)入市場,有些住宅設(shè)計(jì)為了建筑立面效果,窗墻比還有增大的趨勢(shì),這無疑會(huì)使室內(nèi)熱環(huán)境更差.在屋面方面,以平屋頂為主,其保溫隔熱性能比墻體還差,架空屋頂采用較多,但只對(duì)夏季隔熱有一定效果.近年來,隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速增長,該地區(qū)的城鎮(zhèn)居民紛紛采取措施,自行解決住宅冬夏季的室內(nèi)熱環(huán)境問題,夏季空調(diào)冬季采暖成了一種很普遍的現(xiàn)象.

2.2 建筑能耗狀況

多年以來,夏熱冬冷地區(qū)大多數(shù)建筑普遍沒有采暖和降溫措施,隨著生活水平的提高,居民普遍采用空調(diào)降溫,電暖器采暖,能效比極低,能源浪費(fèi)很大,造成建筑能耗急劇增長.然而,由于建筑物本身的保溫隔熱性能沒有改變,居住環(huán)境改善的程度很有限.另一方面,長期以來由于經(jīng)濟(jì)和歷史原因,夏熱冬冷地區(qū)既有建筑絕大多數(shù)未按建筑節(jié)能要求設(shè)計(jì)建造,屬高能耗建筑,室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量達(dá)不到最低的舒適度要求.在冬夏季供熱和空調(diào)使用高峰期其用電量可達(dá)到總用電量的40%左右.據(jù)有關(guān)資料預(yù)測(cè),若不采取有效的節(jié)能措施,未來中國夏熱冬冷地區(qū)住宅為了達(dá)到熱舒適要求,空調(diào)用電負(fù)荷夏季為0.8億kW,冬季為2億kW,全年耗電量為2240億kWh,三峽電廠的年發(fā)電量為847億kWh.因此,為了滿足長江流域地區(qū)住宅熱環(huán)境的要求,需約3座三峽電廠的年發(fā)電量.

3 外墻節(jié)能的改造

在我國夏熱冬冷地區(qū),夏季高溫持續(xù)時(shí)間長,太陽輻射照度大,國家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)該地區(qū)建筑物的熱工設(shè)計(jì)要求是“必須滿足夏季防熱要求,適當(dāng)兼顧冬季保溫”.外墻外保溫技術(shù)體系把保溫層放在墻體外側(cè),由于保溫材料熱阻很大,可有效阻止夏季室外熱流進(jìn)入墻體,從而有效的降低墻體的內(nèi)表面溫度,達(dá)到改善室內(nèi)熱環(huán)境并節(jié)約空調(diào)或取暖耗能的目的.因此,夏熱冬冷地區(qū)應(yīng)積極采用并推廣墻體外保溫技術(shù).

3.1 選擇外墻外保溫改造方案

減少外墻傳熱有兩種方法:其一是嚴(yán)格控制體型系數(shù),減少傳熱面積.其二是增強(qiáng)外墻體的保溫、隔熱性能.對(duì)于夏熱冬冷地區(qū)既有住宅建筑,宜采用第二種方法.工程實(shí)踐證明,外墻的外保溫隔熱與外墻內(nèi)保溫隔熱相比,在保溫隔熱性能、減少冷橋、減少結(jié)露及施工干擾方面有著較大優(yōu)勢(shì).因此夏熱冬冷地區(qū)既有住宅建筑節(jié)能改造,選用外墻外保溫為最佳方案.

膨脹聚苯板薄抹灰外墻外保溫系統(tǒng),膠粉聚苯顆粒外墻外保溫系統(tǒng)和聚合物保溫砂漿外墻外保溫系統(tǒng)是當(dāng)前我國夏熱冬冷地區(qū)建筑節(jié)能所廣泛使用的主流外墻外保溫系統(tǒng).

采用外墻外保溫改造技術(shù),應(yīng)注意改造的施工保護(hù)、墻面基層清理、基層界面的處理,保溫隔熱層施工時(shí)要設(shè)置伸縮縫,最后做好面層的施工.

3.2 設(shè)置熱流阻尼區(qū)

把過去的開敞式樓梯間改造為封閉式,樓梯間設(shè)窗,北向單元入口改設(shè)門斗,避免了冬季西北風(fēng)灌入.夏熱冬冷地區(qū)既有住宅建筑的住宅屋面上人孔一般設(shè)計(jì)在樓梯間頂部,由于上人孔設(shè)計(jì)不當(dāng),常形成似煙囪的通風(fēng)口,造成冬季熱量損失.需要對(duì)屋面上人孔進(jìn)行密封處理,使整個(gè)樓梯間形成一個(gè)溫度阻尼區(qū),增強(qiáng)了住宅外圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫、隔熱性能.

4 屋面改造

夏熱冬冷地區(qū)既有屋面熱工性能普遍較差,特別是對(duì)頂層房間的影響較大.住宅建筑屋面情況較復(fù)雜,當(dāng)傳熱系數(shù)明顯超過規(guī)定限值時(shí),則要對(duì)屋面進(jìn)行改造.

4.1 平屋頂架設(shè)空保溫層

此方法用于女兒墻高度較低且房間進(jìn)深較小的建筑.采用保溫材料,上設(shè)防水層,上鋪預(yù)制混凝土架空板.

4.2 平屋頂改造成坡屋頂

坡屋頂應(yīng)設(shè)通風(fēng)換氣口,一般換氣口面積最好能占頂棚面積的1/300以上.將坡屋頂?shù)耐L(fēng)口做成可啟閉的,能夠兼顧冬季保溫和夏季隔熱,夏季開窗,便于通風(fēng);冬季關(guān)閉,以利保溫,適合夏熱冬冷地區(qū)既有住宅建筑.

5 窗戶節(jié)能改造

在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)總能耗中,建筑門窗的能耗占到了總體能耗的49%,門窗作為建筑物保溫性能最為薄弱的部分,作為建筑物的表面維護(hù)之一,直接影響到建筑物的節(jié)能性能.夏熱冬冷地區(qū)的傳統(tǒng)門窗材料是單層玻璃鋼窗,傳熱系數(shù)K值分別為6.4 W/(m2·K),這種類型的門窗氣密性較差,保溫隔熱性能普遍較差,造成室內(nèi)熱環(huán)境極差,節(jié)能門窗的推廣使用是夏熱冬冷地區(qū)建筑節(jié)能工作的重要內(nèi)容.夏熱冬冷各省市已在新型節(jié)能門窗成套應(yīng)用技術(shù),低輻射玻璃(又稱LOW-e玻璃)、高性能中空玻璃和其它節(jié)能玻璃產(chǎn)品的開發(fā)與工程應(yīng)用,窗玻璃性能數(shù)據(jù)庫,窗戶外遮陽產(chǎn)品的開發(fā)和工程應(yīng)用等方面有了較快的發(fā)展.

6 采暖節(jié)能技術(shù)改造措施

對(duì)住宅建筑節(jié)能改造,必須同時(shí)對(duì)已經(jīng)布置和實(shí)行了采暖的部分地區(qū)的采暖系統(tǒng)加以改造,否則會(huì)出現(xiàn)過熱現(xiàn)象,采暖能耗沒有得到節(jié)約.對(duì)供熱系統(tǒng)的熱源、熱網(wǎng)和熱用戶同時(shí)進(jìn)行技術(shù)改造,并實(shí)現(xiàn)熱計(jì)量收費(fèi).

6.1 熱源及室外供熱管道系統(tǒng)改造

對(duì)夏熱冬冷地區(qū)既有住宅建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能改造的同時(shí),對(duì)采暖系統(tǒng)也加以改造.針對(duì)夏熱冬冷地區(qū)既有住宅特點(diǎn),對(duì)供熱系統(tǒng)的熱源、熱網(wǎng)進(jìn)行技術(shù)改造,并實(shí)現(xiàn)熱計(jì)量收費(fèi).

(1)實(shí)行區(qū)域供熱,其熱源應(yīng)為熱電聯(lián)產(chǎn)

對(duì)于小型分散、效率不高的鍋爐,要進(jìn)行連片改造,以克服對(duì)環(huán)境造成的污染,做到集中高效.

(2)對(duì)夏熱冬冷地區(qū)既有住宅熱源改造,包括高效鍋爐、換熱器及現(xiàn)代化控制設(shè)備的采用.如加裝燃煤計(jì)量裝置、分層給煤裝置,采用有效的節(jié)煤燃燒措施;對(duì)鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)加裝變頻器,控制風(fēng)煤比,盡量利用煙氣剩余熱量.采用變頻調(diào)速的補(bǔ)水定壓方式,對(duì)于鍋爐、分水缸、集水缸、循環(huán)水泵進(jìn)出口均設(shè)壓力表、溫度計(jì),以實(shí)現(xiàn)量化管理和自動(dòng)控制.

(3)對(duì)于各類循環(huán)水泵,要求高效、節(jié)能、低噪,同時(shí)加裝變頻器,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié).

對(duì)于一個(gè)系統(tǒng),要保證水泵流量與系統(tǒng)負(fù)荷匹配,并考慮分階段調(diào)節(jié)流量的因素.例如初寒期、末寒期的熱負(fù)荷要低于寒冬期,相應(yīng)的循環(huán)流量可以減小.

(4)對(duì)夏熱冬冷地區(qū)要采用連續(xù)供暖,并根據(jù)室外溫度變化實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)

連續(xù)供暖一方面可以避免和減少對(duì)鍋爐頻繁的壓火和挑火,以提高運(yùn)行效率,降低能耗;另一方面散熱面積可不考慮間歇因素的影響,從而減小管道流量,降低初期投資和日常運(yùn)行費(fèi)用;對(duì)熱網(wǎng)進(jìn)行改造,包括對(duì)管道保溫、水力平衡設(shè)備及溫度補(bǔ)償器的應(yīng)用.

6.2 室內(nèi)采暖系統(tǒng)改造

(1)安裝分戶熱表

按戶分環(huán)、控制閥出戶,分戶計(jì)量,按量計(jì)費(fèi).室內(nèi)采暖系統(tǒng)可采用單管水平串聯(lián)式、雙管并聯(lián)式等能夠?qū)崿F(xiàn)分戶控制、經(jīng)濟(jì)、可靠、節(jié)能、衛(wèi)生、技術(shù)先進(jìn)的系統(tǒng)形式.

(2)分室、分戶溫控

根據(jù)室溫自動(dòng)調(diào)節(jié)流量,在夜間、無人時(shí)使能耗處于最低狀態(tài).在散熱器入口、出口安裝恒溫調(diào)節(jié)閥,實(shí)施感溫器和程控器聯(lián)動(dòng),以實(shí)現(xiàn)溫度的控制.

(3)取消高點(diǎn)集氣罐,采用自動(dòng)排氣閥,可以減少系統(tǒng)丟水現(xiàn)象.

在自動(dòng)排氣閥上游設(shè)關(guān)閉閥,以方便檢修;并裝設(shè)過濾器,以減少故障.

(4)對(duì)于干管、立管、支管進(jìn)行詳細(xì)的阻力計(jì)算,以使各并聯(lián)環(huán)路達(dá)到水力平衡.

7 結(jié) 論

夏熱冬冷地區(qū)要采用合理的建筑節(jié)能技術(shù)措施,保證建筑外維護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱等熱工特性,夏熱冬冷地區(qū)應(yīng)積極采用并推廣墻體外保溫技術(shù)和節(jié)能門窗的推廣使用,并且要根據(jù)夏熱冬冷地區(qū)既有住宅特點(diǎn),對(duì)供熱系統(tǒng)的熱源、熱網(wǎng)進(jìn)行技術(shù)改造,實(shí)現(xiàn)熱計(jì)量收費(fèi).

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