基于指標(biāo)控制的寒冷地區(qū)既有居住建筑超低能耗改造技術(shù)研究

郝雨杭，付素娟，時(shí)元元，趙士永

（1.河北建研科技有限公司，河北石家莊 050021；2.河北省建筑科學(xué)研究院有限公司，河北石家莊 050021；3.河北建研工程技術(shù)有限公司，河北石家莊 050021；4.河北省既有建筑綜合改造技術(shù)創(chuàng)新中心，河北石家莊 050021）

0 引言

我國(guó)城鎮(zhèn)化正處于快速發(fā)展階段，目前既有建筑面積超過(guò)600億m2，其中很大比例是高能耗建筑[1]。建筑總量持續(xù)增加，人民群眾改善居住舒適度需求、用能需求不斷增長(zhǎng)，建筑能耗總量和能耗強(qiáng)度上行壓力不斷加大，這對(duì)做好建筑節(jié)能發(fā)展工作提出了更新、更高的要求。推進(jìn)建筑節(jié)能發(fā)展，對(duì)于建設(shè)節(jié)能低碳、綠色生態(tài)、集約高效的建筑用能體系，推動(dòng)住房城鄉(xiāng)建設(shè)領(lǐng)域供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，實(shí)現(xiàn)綠色發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和深遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義。

全國(guó)對(duì)建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行率越來(lái)越高，但量大面廣的既有居住建筑節(jié)能改造潛力還可進(jìn)一步挖掘，即既有居住建筑超低能耗改造。既有建筑與超低能耗建筑的結(jié)合，對(duì)既有建筑的改造提升研究是一種新的探索模式，但國(guó)內(nèi)外對(duì)這一領(lǐng)域的研究尚不充分。本次將寒冷地區(qū)既有居住建筑改造與超低能耗建筑技術(shù)結(jié)合，基于指標(biāo)控制技術(shù)對(duì)既有居住建筑超低能耗改造進(jìn)行研究分析。

1 既有居住建筑現(xiàn)狀

我國(guó)2000年以前的建筑存量約42.15億m2，其中1974～2000年建造的建筑占70%，本研究將20世紀(jì)80年代～21世紀(jì)初的建筑作為超低能耗改造技術(shù)的研究類型。此類建筑結(jié)構(gòu)形式為多層砌體結(jié)構(gòu)，基本無(wú)保溫措施，建筑能耗高，有必要進(jìn)行節(jié)能改造且節(jié)能改造潛力大。

針對(duì)這類既有居住建筑的現(xiàn)狀進(jìn)行分析歸納，主要存在以下問(wèn)題：

（1）屋面。屋面主要采用鋼筋混凝土空心預(yù)制樓板，基本不做保溫層，建筑熱工性能較差；部分平屋頂在屋面增設(shè)保溫層或架空隔熱層，但由于年代久遠(yuǎn)，架空層經(jīng)風(fēng)化、侵蝕等影響幾乎沒(méi)有保溫效果。

（2）外墻。外墻大多采用370 mm厚實(shí)心黏土磚，20世紀(jì)90年代初期的外墻裝飾層大多為清水磚墻，90年代后期的外墻裝飾層大多采用涂料或墻面飾磚。大多數(shù)既有居住建筑外墻面裝飾破損嚴(yán)重、抹灰層開(kāi)裂或局部存在缺陷，建筑外墻一般沒(méi)有保溫隔熱措施或保溫層性能較差。

（3）門(mén)窗。20世紀(jì)80年代建筑的外窗大多采用平開(kāi)木框單玻窗；90年代建筑的外窗基本采用不同鋼框單玻窗。這2種類型窗戶的氣密性較差、傳熱系數(shù)高，不利于夏季隔熱、冬季保溫，使得夏季空調(diào)能耗、冬季采暖能耗都較高，不利于建筑節(jié)能。部分住戶將外窗更換為熱工性能、隔聲性能、氣密性都更好的雙層玻璃窗。

（4）設(shè)備系統(tǒng)。供冷方式主要為分戶式（各戶安裝分體式空調(diào)），其比例高達(dá)99%。供熱方式主要有集中供熱，比例高達(dá)95%以上，室內(nèi)大部分采用散熱器供暖系統(tǒng)，主要由換熱站為各用戶提供生活用熱，熱水管網(wǎng)采用上供下回式系統(tǒng)，室內(nèi)溫度不能調(diào)節(jié)。

2 既有居住建筑超低能耗改造技術(shù)指標(biāo)優(yōu)化

既有居住建筑的改造要把對(duì)住戶正常生活的影響降到最低，在實(shí)施過(guò)程中，建筑細(xì)部的內(nèi)容改造難度大，因此，需對(duì)既有居住建筑超低能耗改造技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化分析。

利用建筑能耗模擬軟件DesignBuilder建立既有居住建筑基本模型，總建筑面積4427.3 m2，地上6層建筑，建筑總高度為19.8 m，建筑窗墻比北向0.25、東向0.03、南向0.30、西向0.02，位于石家莊地區(qū)。模型中指針的方向?yàn)檎狈较颍?jiàn)圖1。

圖1 既有居住建筑基本模型

2.1 氣密性優(yōu)化技術(shù)

既有居住建筑的建筑主體與新建建筑不同，戶與戶之間墻壁開(kāi)洞、建筑墻體及樓板的裂縫等處密封困難，實(shí)行超低能耗節(jié)能改造后建筑整體氣密性難以達(dá)到新建建筑N50≤0.6次/h的要求。

將既有居住建筑模型的圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能要求進(jìn)行設(shè)定，氣密性由N50下?lián)Q氣次數(shù)由0.6次/h增加至1.5次/h，對(duì)模型進(jìn)行各月能耗模擬，總能耗、供暖能耗、供冷能耗如圖2所示，能耗增大百分比如圖3所示。

由圖2、圖3可見(jiàn)，在氣密性指標(biāo)N50下，換氣次數(shù)由0.6次/h增加至1.5次/h時(shí)，建筑總能耗增加百分比由0.41%增大至3.73%，供暖能耗由2.82%增加至25.76%，供冷能耗由0.18%增加至1.30%。換氣次數(shù)的增加對(duì)建筑能耗影響呈正比，其中對(duì)供暖能耗影響最大。對(duì)氣密性N50下不同換氣次數(shù)的供暖能耗增加進(jìn)行分析，結(jié)果如圖4所示。

圖2 氣密性N50 下不同換氣次數(shù)基礎(chǔ)建筑模型各月的能耗

圖3 氣密性N50 下基礎(chǔ)建筑模型能耗隨換氣次數(shù)變化

圖4 氣密性N50 下不同換氣次數(shù)基礎(chǔ)建筑模型的全年供暖能耗變化

由圖4可見(jiàn)，氣密性N50下，隨著換氣次數(shù)的增加，供暖能耗的變化率以換氣次數(shù)1.1次/h為臨界點(diǎn)，呈先增大后減小低，換氣次數(shù)由0.9次/h增加至1.0次/h時(shí)，曲線斜率最小，為0.07%，換氣次數(shù)由1.0次/h增加至1.1次/h時(shí)，曲線斜率最大，為1.8%，N50=1.0次/h的總能耗比N50=0.6次/h時(shí)增加1.65%，供暖能耗增加11.34%，供冷的能耗增加0.64%。結(jié)合圖3分析結(jié)果，以能耗增加變化的曲線斜率最小為控制衡量指標(biāo)，參照德國(guó)被動(dòng)式節(jié)能改造通用標(biāo)準(zhǔn)中氣密性指標(biāo)，選擇既有居住建筑超低能耗改造氣密性指標(biāo)為N50，換氣次數(shù)≤1.0次/h。

2.2 地面保溫優(yōu)化技術(shù)

對(duì)無(wú)地下室的地面進(jìn)行節(jié)能改造，需破壞現(xiàn)有裝修，重新施工，同時(shí)由于增加保溫層、找坡層等構(gòu)造，會(huì)降低室內(nèi)空間的高度；對(duì)有地下室的地下室頂板進(jìn)行節(jié)能改造，地下室頂部管道及室內(nèi)雜物會(huì)對(duì)地下室頂板節(jié)能改造造成一定的影響。

在實(shí)際地面節(jié)能改造時(shí)，由于對(duì)原有住戶的影響較大，影響了正常的生活，因此造成了超低能耗改造施工過(guò)程中極大的困難和阻力。為解決以上問(wèn)題，分析地面節(jié)能改造對(duì)建筑能耗的影響程度，確定地面節(jié)能優(yōu)化指標(biāo)，如圖5所示。

圖5 既有居住建筑地面改造能耗模擬結(jié)果

由圖5可見(jiàn)，進(jìn)行地面節(jié)能改造后，寒冷A區(qū)建筑能耗增加0.40%，寒冷B區(qū)建筑能耗增加0.59%，建筑能耗變化幅度＜1%，變化微乎其微。綜合考慮能耗及實(shí)際實(shí)施難度，既有居住建筑地面選擇不進(jìn)行超低能耗改造。

2.3 樓梯間隔墻保溫優(yōu)化技術(shù)

樓梯間作為非供暖空間，改造時(shí)應(yīng)將隔墻傳熱系數(shù)控制在1.20～1.50 W/（m2·K）。由于既有建筑設(shè)計(jì)年代較早，且大多為240 mm磚墻，傳熱系數(shù)不滿足隔墻要求。入戶門(mén)大多無(wú)保溫功能，不滿足≤1.30 W/（m2·K）的要求。但是如果在樓梯間增設(shè)保溫層，會(huì)大大降低安全疏散通道的有效寬度，不能滿足防火設(shè)計(jì)要求。本次以不同入住率為分析對(duì)象[2]，分析不同入住率對(duì)建筑能耗的影響。

在模擬時(shí)，以入住率60%～100%為分析比例，隨機(jī)減少1層、中間層、頂層的住戶為計(jì)算對(duì)象，對(duì)比完全參照J(rèn)GJ 129—2012《既有居住建筑節(jié)能改造技術(shù)規(guī)程》要求的建筑與樓梯間隔墻未改造處理的建筑模擬，結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 不同入住率下的建筑能耗

由圖6可見(jiàn)，入住率為90%～100%時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)模型與改造模型的能耗模擬數(shù)據(jù)幾乎重合、無(wú)差異；入住率低于90%時(shí)，由于入住率的不同，各項(xiàng)能耗差異凸顯，供暖能耗變化明顯，改造建筑的供暖能耗最高增大13.2%。根據(jù)調(diào)查研究及能耗模擬分析結(jié)果，入住率高于90%時(shí)，不存在戶間傳熱及能耗突增的情況，因此在節(jié)能改造時(shí)，根據(jù)入住率優(yōu)化調(diào)節(jié)樓梯間隔墻保溫。將樓梯間作為采暖空間考慮，即樓梯間及入戶門(mén)不進(jìn)行保溫處理，將單元門(mén)更換為被動(dòng)門(mén)，建筑整體均設(shè)計(jì)改造成超低能耗建筑區(qū)域，不會(huì)大幅度增加建筑能耗。

2.4 室外地坪保溫下延技術(shù)

為了保證保溫層的連續(xù)性，超低能耗建筑外墻保溫層一般向下延伸至凍土層以下。在既有建筑中，建筑基礎(chǔ)埋深較淺，土方大面積開(kāi)挖會(huì)造成地下土的擾動(dòng)，有可能造成建筑的傾斜。同時(shí)外墻保溫層向下延伸會(huì)大大增加施工難度，延長(zhǎng)施工工期，對(duì)當(dāng)?shù)鼐用竦某鋈朐斐奢^大的影響。本次對(duì)室外地坪保溫下延深度進(jìn)行討論，研究地下保溫下延的必要性。

以石家莊為例，常年凍土層為560 mm，室外保溫下延深度一般為600 mm。所建模型沒(méi)有地下室，1樓地面緊鄰室外土壤。邊界條件設(shè)定：室內(nèi)溫度設(shè)為20℃，室內(nèi)空氣與墻體內(nèi)側(cè)的對(duì)流換熱系數(shù)為8.7 W/（m2·K）；室外溫度設(shè)為-10 ℃，室外空氣與墻體外側(cè)的對(duì)流換熱系數(shù)為23 W/（m2·K）。冬季超低能耗建筑室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為20 ℃，受環(huán)境影響，室內(nèi)相對(duì)濕度較低，約為30%左右，計(jì)算結(jié)露溫度為1.91 ℃。采用有限元軟件對(duì)外墻無(wú)保溫措施及外保溫下延深度的不同工況進(jìn)行模擬，如圖7所示。

圖7 不同保溫下延深度下的溫度分布情況

由圖7可見(jiàn)，外墻無(wú)保溫時(shí)，外墻內(nèi)表面溫度為14.9 ℃，墻角位置溫度為12.0 ℃，與室內(nèi)溫度相差5～8 ℃，有明顯的冷風(fēng)感；外墻粘貼保溫材料后，外保溫?zé)o下延時(shí)，外墻內(nèi)表面溫度高于17.3 ℃，符合DB 13（J）/T 273—2018《被動(dòng)式超低能耗居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》要求的溫差小于3 ℃。外墻保溫自0 mm向下延伸后，內(nèi)表面及墻角溫度逐漸升高，均高于結(jié)露溫度；下延深度至300 mm后，地坪以上外墻溫度全部高于13.3 ℃；下延深度至600 mm以上時(shí)，外墻溫度變化幅度減慢，外墻溫度高于15.4 ℃，內(nèi)表面基本處于19.0 ℃左右，且不會(huì)產(chǎn)生結(jié)露。綜合考慮熱橋和結(jié)露2個(gè)方面因素，結(jié)合既有居住建筑超低能耗改造實(shí)際施工難度，在實(shí)際施工過(guò)程中可以是否結(jié)露作為主要衡量指標(biāo)，室外地坪保溫可不向下延伸；為了徹底消除熱橋因素，室外地坪保溫需向下延伸至凍土層以下。

3 超低能耗改造技術(shù)指標(biāo)

基于上述研究分析，對(duì)寒冷地區(qū)既有居住建筑進(jìn)行超低能耗節(jié)能改造時(shí)，可采用表1的技術(shù)指標(biāo)。

以參照模型為例，計(jì)算寒冷地區(qū)既有居住建筑超低能耗改造模型與未改造模型的建筑能耗，分析結(jié)果如表2所示。

表1 寒冷地區(qū)既有居住建筑超低能耗改造技術(shù)指標(biāo)

表2 既有居住建筑超低能耗改造與未改造建筑能耗分析

由表2可見(jiàn)，進(jìn)行超低能耗改造后，建筑年供暖、供冷和照明能耗為84 451.37 kW·h，電力與一次能源換算系數(shù)為2.6，經(jīng)換算年供暖、供冷和照明一次能源總消耗量為219 573.56 kW·h，單位面積一次能源消耗量為49.60 kW·h/（m2·a），滿足項(xiàng)目設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)[≤65 kW·h/（m2·a）]要求。

考慮設(shè)備能耗沒(méi)有變化，在計(jì)算時(shí)將設(shè)備能耗去掉，不進(jìn)行計(jì)算分析。既有居住建筑進(jìn)行超低能耗改造后，建筑總能耗為94 989.01 kW·h；未改造前，建筑總能耗為324 099.05 kW·h。進(jìn)行超低能耗節(jié)能改造后，僅考慮供暖能耗的節(jié)能程度，建筑節(jié)能88.18%；考慮建筑整體能耗，建筑節(jié)能70.69%。

4 示范項(xiàng)目能耗監(jiān)測(cè)

4.1 示范項(xiàng)目能耗模擬

河北省建筑科學(xué)研究院2#、3#住宅樓位于石家莊市（寒冷B區(qū)），2棟住宅樓均為砌體結(jié)構(gòu)建筑，2棟樓中間有10 cm的伸縮縫[3-4]。2#住宅樓建設(shè)于1988年，于1998年在建筑北側(cè)進(jìn)行了部分?jǐn)U建，總建筑面積為1937 m2，5層砌體結(jié)構(gòu)，無(wú)地下室。該建筑總建筑高度為14.7 m，層高為2.8 m。3#住宅樓建設(shè)于1998年，總建筑面積為3100 m2，為地下1層，地上6層砌體結(jié)構(gòu)，總建筑高度18.8 m，層高2.9 m。地下1層為非采暖區(qū)，地上6層為采暖區(qū)，采暖面積為2640 m2。改造前建筑見(jiàn)圖8。

圖8 改造前建筑

采用石家莊地區(qū)典型氣象年氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬計(jì)算，能耗模擬模型見(jiàn)圖9。經(jīng)過(guò)模擬計(jì)算后，改造前后的建筑能耗如表3所示。

圖9 能耗模擬模型

表3 既有居住建筑超低能耗改造前后建筑能耗統(tǒng)計(jì)

由表3可見(jiàn)，不考慮設(shè)備能耗的情況下，超低能耗改造前年建筑能耗為349 529.32 kW·h；超低能耗改造后年建筑能耗為70 369.06 kW·h，改造后比改造前節(jié)約能耗79.88%。若僅考慮供暖能耗，改造后比改造前可節(jié)約能耗90.61%。

根據(jù)電與一次能源轉(zhuǎn)化系數(shù)為2.6，改造后總供暖、供冷和照明的一次能源需求量為35.56 kW·h/（m2·a），滿足寒冷地區(qū)既有居住建筑超低能耗改造技術(shù)指標(biāo)的要求。

4.2 能耗監(jiān)測(cè)

4.2.1 供冷能耗

選擇13戶住戶對(duì)其進(jìn)行電表電量監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)日期從1919年5月30日～8月28日止。根據(jù)用電量分析統(tǒng)計(jì)，將5月30日～6月14日數(shù)據(jù)作為非空調(diào)期基準(zhǔn)用電量，6月14日～8月28日數(shù)據(jù)作為空調(diào)期用電量，如圖10所示。

圖10 住戶用電量趨勢(shì)

對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，非空調(diào)期每戶每日平均用電量為4.68 kW·h，空調(diào)期每戶每日平均用電量為8.42 kW·h，實(shí)際調(diào)查研究和多方問(wèn)詢，超低能耗改造后，用戶的空調(diào)開(kāi)啟時(shí)間約為7月1日～8月20日，2棟樓共計(jì)44戶，空調(diào)期總的空調(diào)用電量為8237.91 kW·h。供冷能耗的模擬值為8671.20 kW·h，供冷能耗實(shí)測(cè)值與模擬值誤差為5.2%，供冷能耗基本吻合。

4.2.2 供暖能耗

與模擬計(jì)算的耗熱量指標(biāo)相比，2#住宅樓計(jì)算耗熱量指標(biāo)為5.02 W/m2，實(shí)際用熱量指標(biāo)為5.53 W/m2，耗熱量誤差值為0.51 W/m2，誤差波動(dòng)為10.2%；3#住宅樓計(jì)算耗熱量指標(biāo)為4.21 W/m2，實(shí)際用熱量指標(biāo)為3.93 W/m2，耗熱量誤差值為0.28 W/m2，誤差波動(dòng)為6.6%。2#、3#住宅樓耗熱量指標(biāo)實(shí)際值與計(jì)算值基本吻合。

5 結(jié)論

根據(jù)寒冷地區(qū)氣候特征和既有居住建筑的現(xiàn)狀分析，開(kāi)展既有建筑的氣密性指標(biāo)控制技術(shù)、地面改造優(yōu)化技術(shù)、室外地坪外墻外保溫下延技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性和適用性研究，基于既有建筑住戶入住率對(duì)樓梯間隔墻保溫技術(shù)調(diào)節(jié)優(yōu)化，建立了一套適用于寒冷地區(qū)既有建筑超低能耗節(jié)能改造的技術(shù)指標(biāo)。

將技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行示范項(xiàng)目的創(chuàng)新應(yīng)用，其改造效果符合寒冷地區(qū)既有居住建筑超低能耗改造技術(shù)指標(biāo)要求，寒冷地區(qū)既有居住建筑超低能耗節(jié)能改造技術(shù)指標(biāo)具有可實(shí)施性和可推廣性。