歐洲公寓低能耗改造案例分析

謝孟舉 徐燊/ Xie Mengju Xu Shen

1 背景

建筑能耗在世界總能源消耗中占相當大的比例。如今，在許多國家，在建筑法規(guī)和能效標準中，越來越傾向于制定嚴格的能耗目標。因此，近年來，特別是在歐洲，人們一直在努力設計和建造節(jié)能建筑，或?qū)F(xiàn)有的住宅存量改造成低能耗節(jié)能住宅，以優(yōu)化建筑的能源消耗（Vahid Sabouri，2012）。

當下的中國城市開發(fā)建設也進入到了一個新的階段，以增量開發(fā)為主導的開發(fā)市場開始逐步轉(zhuǎn)向存量市場的改造。我國城市中包括公寓在內(nèi)的老舊住宅建筑存量基數(shù)大，單位面積耗能高。隨著生活水平的提高，越來越高的室內(nèi)舒適度要求和更多的室內(nèi)耗能設備的應用使得這些老舊建筑單位耗能成倍增加（李超，2013）。在此背景下，歐洲等發(fā)達國家公寓建筑的低能耗改造案例具有積極的借鑒意義。

2 低能耗改造內(nèi)涵

低能耗改造是指對既有建筑進行節(jié)能減排的改造，以達到低能耗的目標。建筑的能耗主要包括建造能耗和生活能耗，而建筑的低能耗改造重點則是減少改造后的生活能耗。

2.1 公寓低能耗改造的原則

（1）以用戶為中心

建筑的建造本質(zhì)是為人服務，所以在公寓的低耗能改造中要以用戶舒適度為中心原則進行改造。同時要考慮用戶需求、行為和能耗消費模式等因素（Vahid Sabouri，2012）。

（2）以氣候環(huán)境為導向

每一棟公寓建筑都處在特定的環(huán)境中，環(huán)境條件特別是氣候?qū)ㄖ锏男阅芎湍芎挠泻艽蟮挠绊?。從常?guī)的氣候要素出發(fā)，對溫度、濕度、風向、降水量、日照時間、太陽輻射等主要要素進行研究，然后對氣候條件進行全面的整體分析，進而結(jié)合地形、植被和建筑周邊環(huán)境等綜合因素，從而在改造設計中能夠更多地考慮被動式低耗能的方法。

（3）以經(jīng)濟性為導向

經(jīng)濟性主要包括兩方面，一個是改造成本，另一個是改造后維護成本。經(jīng)濟性的考慮是因為這些多戶公寓住戶主要是中低收入家庭，改造成本對家庭經(jīng)濟影響較大，后期維護成本也應盡量減少對低收入家庭的經(jīng)濟壓力。如果成本過高，難以抵消改造帶來的能耗節(jié)約，則低能耗改造失去了示范效應以及對公寓低能耗改造的動力。

2.2 公寓低能耗改造實現(xiàn)的途徑

（1）高保溫隔熱性能的圍護結(jié)構(gòu)

圍護結(jié)構(gòu)是指建筑物及房間各面的圍護物，根據(jù)是否與室外直接接觸，可分為外圍護結(jié)構(gòu)和內(nèi)圍護結(jié)構(gòu)。圍護結(jié)構(gòu)通常是指外圍護結(jié)構(gòu)，包括外墻、屋面、窗戶、戶門等。圍護結(jié)構(gòu)是建筑與外界進行能量交換的主要媒介，通過對其保溫隔熱性能的改造提升，可降低公寓建筑的冷熱負荷，達到低能耗節(jié)能減排的作用。改造時外墻與屋面的熱橋部位應進行重點保溫處理。

（2）提高氣密性與營造良好的通風系統(tǒng)

提高圍護結(jié)構(gòu)氣密性，冬季可以減少冷空氣滲透到室內(nèi)，減少熱損失，能夠有效的降低采暖能耗，在改造中應大力推廣高氣密性能材料和構(gòu)造。但提高氣密性將會影響進入室內(nèi)的新風滲透量，不利于室內(nèi)空氣品質(zhì)，應同時引入良好的通風系統(tǒng)。在對公寓建筑進行低能耗改造時，要充分發(fā)揮被動式技術(shù)措施，最大化地利用自然通風，在夏季天氣炎熱時，能夠充分利用風壓通風或熱壓通風原理進行被動式自然通風。

（3）清潔能源的應用

在公寓低能耗的改造項目中，不僅要盡量減少建筑的能耗，還要開發(fā)利用新能源。改造項目中主要的清潔能源應用為太陽能和地源熱泵。前者應用形式主要有太陽能熱水系統(tǒng)、太陽能供暖系統(tǒng)和太陽能光伏系統(tǒng)，后者的應用主要是供暖系統(tǒng)。地源熱泵系統(tǒng)符合節(jié)能建筑的基本要求和發(fā)展方向，是目前建筑供熱制冷空調(diào)領域的熱點技術(shù)（李超，2013）。

（4）資源與能量的循環(huán)利用

熱回收是指回收建筑物內(nèi)外的余熱，將回收的熱量用以供熱或其他供熱設備的熱源而加以利用，是一種經(jīng)濟高效的節(jié)能措施。

為了減少淡水的消耗，可利用雨水收集系統(tǒng)，為衛(wèi)生間和花園的灌溉系統(tǒng)提供中水。

（5）充分考慮用戶需求和能源消費行為

公寓建筑低能耗改造的實現(xiàn)不僅需要對公寓建筑這個相對靜止的“物”進行低能耗措施考慮設計，還需要對使用者需求以及能源消費行為進行充分考慮和研究。同時增強居住家庭的節(jié)能意識，也是實現(xiàn)公寓低耗能目標的重要組成部分。

3 案例研究

3.1 瑞士蘇黎世公寓低能耗改造

位于瑞士蘇黎世（Zürich，Switzerland）的這棟公寓自1954年建造以來，僅對南立面進行過小規(guī)模的改造，基本保持原來建造的狀態(tài)（圖1）。該棟公寓共3層5戶居民，其結(jié)構(gòu)形態(tài)良好，墻體為主要承重結(jié)構(gòu)。外墻32cm厚，改造前未進行隔熱處理。天花板為鋼筋混凝土板，輕型屋頂結(jié)構(gòu)狀態(tài)也良好。陽臺和扶手遭到風雨侵蝕后有些生銹。大多數(shù)窗戶仍可追溯到1954年，近年來有部分窗戶被更換，窗戶均為標準的雙層玻璃。地板大部分已經(jīng)更換，廚房和浴室仍然保持原樣。供暖是由燃油加熱系統(tǒng)提供的，熱水由電鍋爐供熱然后分配到每戶。

該項目在2009年開始進行低能耗改造。首先，建筑圍護結(jié)構(gòu)按照被動式住宅標準進行了改造。項目改造采用了新的立面預制木材構(gòu)件施工方法，新風系統(tǒng)和電氣管道被設置在預制構(gòu)件中，然后接入建筑。屋頂加建了新閣樓和陽臺，增大了使用面積。其次，新增了清潔能源的應用。閣樓屋頂設置了約115m2的水平太陽能光電板，新增陽臺頂部設置了太陽能集熱器。房間的供暖和生活熱水由地源熱泵和真空太陽能集熱器提供，75%的熱水和70%的房間供熱能源是來自太陽的可再生能源。最后，改造了通風系統(tǒng)，通風管道成為融入立面的新元素。進氣道位于每個窗口的上方，保證每個房間的最佳通氣。這種通風系統(tǒng)的解決方案無需吊頂，不占用任何內(nèi)部空間。然而，將通風管道整合到預制構(gòu)件中是一項技術(shù)和建設性的挑戰(zhàn)，最終在本項目中也得以實現(xiàn)。

項目改造后測量了2010年7月至2011年6月這段時間的能耗情況。最終能耗和一次能耗分別降低88.5%和76%。太陽能集熱器貢獻了4200kWh/y的電能，與屋頂上的光伏發(fā)電一起，使這座建筑變成了一座零能耗的建筑（Nadja Grischott，2011）（圖2）。

圖1 公寓改造前外觀

圖2 公寓改造后外觀

3.2 瑞士楚格公寓低能耗改造

瑞士小鎮(zhèn)楚格（Zug）的這棟公寓建造于戰(zhàn)后1946年，共3層5家租戶。該公寓位于楚格湖附近的一處風景怡人的住宅區(qū)，能遠眺湖面。該建筑主要的問題是外圍護結(jié)構(gòu)保溫隔熱性能不足，存在大量的熱橋，人體室內(nèi)熱舒適度大大降低。該問題導致每年能源消耗費用都在增加，結(jié)構(gòu)的損壞也導致冷凝問題，同時也無法再滿足現(xiàn)有的防火標準。

該項目在2009年進行了低能耗改造，改造目標是滿足被動式住宅標準的要求。改造從立面圍護結(jié)構(gòu)入手，1～3層的舊磚墻采用了聚苯乙烯保溫材料；頂層和屋頂采用預制輕質(zhì)木材構(gòu)件，玻璃棉填充，所有質(zhì)量較差的門窗均被更換。其次，改善供暖系統(tǒng)和通風系統(tǒng)。供暖系統(tǒng)由一個可控通風的熱泵組成，空氣在每個公寓通過集成在管道系統(tǒng)中熱交換器加熱后輸送到每個房間，每個房間的溫度都可以單獨控制。通風系統(tǒng)從中央進風口收集新鮮空氣，然后輸送給每戶。除了眾所周知的熱回收系統(tǒng)外，為了防止冬天空氣干燥，改造后的新公寓安裝了水分回收系統(tǒng)。最后，新增了清潔能源。屋頂安裝了53.5m2的36個光伏組件，滿足整棟公寓電力需求；占地15.5m2的10個真空太陽能熱水器每天可提供2850L的熱水。為了減少淡水的消耗，還安裝了雨水收集系統(tǒng)，為衛(wèi)生間和花園的灌溉系統(tǒng)提供中水。

圖3 公寓改造前外觀

圖4 公寓改造后外觀

改造后的公寓能耗降低了80%以上，能源消耗等級從最差的G類提升到了最好的A類。同時從經(jīng)濟性上考慮，為了資助翻修工程，屋頂新增加了3套公寓。因此，大大降低了改造成本帶來的租金漲幅，租金漲幅不超過30%（Reto Miloni，2011）。

3.3 瑞典阿林索斯公寓的低能耗改造

博洛嘉頓（Brog?rden）社區(qū)位于距離哥德堡47km的小鎮(zhèn)阿林索斯（Alingsas）。該社區(qū)由16棟3層建筑的299套出租公寓組成，建于1970年代。早些時候更換過的磚立面現(xiàn)狀較差，酸雨和霜凍的滲透造成了嚴重的裂縫。此外，由于沒有安裝電梯，這些樓棟并不方便殘疾人士和長者使用。2008年3月，該社區(qū)的一棟公寓樓作為示范項目進行了被動式低耗能改造。這棟公寓共兩個單元3層18家住戶。

公寓為預制混凝土結(jié)構(gòu)，立面材料以磚為主，隔熱層100mm。所有的天花板都是預制混凝土構(gòu)件，采用了180mm的礦棉和一層纖維素保溫材料進行保溫隔熱處理。改造前，公寓供暖是由連接區(qū)域供暖系統(tǒng)的散熱器提供，通風系統(tǒng)通過窗框內(nèi)的進氣口供應新風，廚房和浴室均有1個排氣風扇連接排氣通風器，無熱回收系統(tǒng)。租戶的房租中包含了生活熱水和家庭用電的費用。

圖5 博洛嘉頓公寓外觀

首先，對圍護結(jié)構(gòu)進行了充分的隔熱，并提高了氣密性。外墻采用了鋼龍骨，由礦棉、EPS和隔熱板組成，墻內(nèi)側(cè)為一層由保溫層保護的塑料箔。墻體外的鋼型材上安裝了一層由天然粘土防凍磚制成的薄立面。由于沒有使用砂漿將磚塊粘接到墻上，損壞后很容易更換（圖6）。所有門窗也都換成了三層氙氣玻璃熱工窗和高性能絕緣門?，F(xiàn)有的凹式陽臺在外墻中形成了大量的熱橋，降低了相鄰房間地板溫度，在立面外部加建了獨立結(jié)構(gòu)的新陽臺，不僅有效地減少了熱損失，還增加了公寓使用空間。

其次，對通風系統(tǒng)進行了優(yōu)化。原有的通風系統(tǒng)被替換為空氣換熱器單元，每個單元的熱回收效率為85%。在非常寒冷的天氣，這些裝置也可以提供額外的熱量進入空氣。進氣道安裝在客廳和臥室的墻上，出氣道位于廚房和浴室。每個換熱器都有一個過濾器來減少公寓內(nèi)的灰塵和空氣污染物，換熱器每年更換一次。

最后，增加資源與能量的循環(huán)利用，提升住戶節(jié)能意識。近60%的公寓將增建低能耗電梯，這些電梯從向下的運動中儲存能量，以幫助后續(xù)的向上運動。改造后的公寓配備了低能耗的家用電器和低流量的衛(wèi)生間器具。此外，家庭熱水和家庭用電將單獨計量和計費。這將增強家庭的節(jié)能意識，減少能源消耗。

4 結(jié)語

隨著城市建設的日趨完善和建筑行業(yè)的不斷成熟，我國對建筑能耗的要求會日益加強，低能耗建筑將成為未來建筑發(fā)展的主要趨勢。我國城市中包括公寓在內(nèi)的老舊住宅建筑存量基數(shù)大，耗能高，對于這些既有建筑的低能耗改造更新將成為生態(tài)城市有機更新的重要組成部分。通過相關(guān)文獻及歐洲具有示范效應的公寓低能耗改造實踐案例可以發(fā)現(xiàn)，以用戶為中心、以氣候環(huán)境為導向以及以經(jīng)濟性為導向的改造原則是指導公寓建筑低能耗改造的有效法則。希望相關(guān)的案例分析和改造原則的總結(jié)對我國新時期公寓類型建筑的低能耗改造具有積極的借鑒意義。

圖6 公寓改造后的外觀

注釋

① 圖 1～ 4來 源：http://www.iea-ebc.org/Data/publications/EBC_Annex_50_Documented_CaseStudies.pdf.

② 圖 5～ 7來 源：http://publications.lib.chalmers.se/records/fulltext/158263.pdf.