城中村建筑物集中供熱改造后節(jié)能措施的研究

周 浩，劉彩霞

(包頭市熱力(集團(tuán))有限責(zé)任公司,內(nèi)蒙古 包頭 041030)

1 背景

近年來,我國北方很多城市大力清潔供熱改造,對于治理霧霾和空氣質(zhì)量持續(xù)好轉(zhuǎn)起到了積極的作用。為實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的環(huán)保目標(biāo),2023年根據(jù)住建部整體規(guī)劃,全國各地陸續(xù)推進(jìn)城中村改造工作,今后城中村的宜居改造將成為我國城市建設(shè)管理的重點(diǎn)。

但是,原來采用城中村多數(shù)為居民自建房屋普遍存在建設(shè)年代較為久遠(yuǎn),沒有節(jié)能措施,在集中供熱運(yùn)行過程中,實(shí)際耗用熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過正常城市集中供熱用能標(biāo)準(zhǔn)。本文結(jié)合包頭市昆都侖區(qū)北沙梁城中村改造項(xiàng)目的實(shí)際運(yùn)行情況,對比圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行節(jié)能改造后可能取得的效果預(yù)測,來分析城中村清潔取暖項(xiàng)目的節(jié)能空間。

2 項(xiàng)目概況

包頭市昆都侖區(qū)北沙梁南排村位于包頭市北部,2019年按照昆都侖區(qū)散煤燃燒綜合治理整體安排,包頭市熱力集團(tuán)對該區(qū)域近60萬m2村民建筑進(jìn)行了集中供熱系統(tǒng)改造。建設(shè)集中熱力站4座,設(shè)置換熱機(jī)組12套,每套換熱機(jī)組按照3萬m2～5萬m2規(guī)模進(jìn)行設(shè)計(jì)。

經(jīng)過三個(gè)采暖期的運(yùn)行,通過對該區(qū)域熱力站運(yùn)行能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行觀測和統(tǒng)計(jì),與城區(qū)內(nèi)同一熱源負(fù)責(zé)的居民用戶供熱的換熱站能耗對比,南排村供熱系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行能源消耗量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他熱力站。表1為2022/2023采暖期部分熱力站數(shù)據(jù)對比表。

表1 2022/2023采暖期熱指標(biāo)數(shù)據(jù)對比

由表1可以看出,由于南排村房屋圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能差,門窗的嚴(yán)密性、保溫性都比較差,布局分散,體型系數(shù)大,因此,南排村4座熱力站的耗熱量普遍偏大,是普通用戶熱力站耗熱量的3倍～4倍。同時(shí),因其建筑物蓄熱能力差,且停供面積較大,在冬季室外氣溫和熱源溫度出現(xiàn)波動(dòng)時(shí),用戶室內(nèi)供熱溫度仍然很難達(dá)到供熱要求,嚴(yán)重影響了熱用戶的供熱質(zhì)量,也增加了供熱企業(yè)的供熱服務(wù)壓力,大大增加能源的消耗量。村民自建房的建筑物的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能差是影響能耗的主要因素,如果將外圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行節(jié)能改造,必然會(huì)實(shí)現(xiàn)可觀的節(jié)能效果[1]。為此,我們選擇典型建筑通過模擬對建筑物實(shí)施節(jié)能改造對建筑物耗熱量大影響進(jìn)行了測算和研究。

3 南排村居民建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能改造測算方法及節(jié)能效果分析結(jié)果

南排村居民建筑,建設(shè)年代比較久遠(yuǎn),早期的房舍多為磚混結(jié)構(gòu),多層住宅,居住用房采用370 mm黏土多孔磚制外墻,雙層鋼窗,外跨樓體結(jié)構(gòu);生活輔助用房采用240 mm黏土多孔磚制外墻,入戶門基本采用單層木框木門。經(jīng)過近30年的發(fā)展,村民的生活方式已完全改變,村民基本由務(wù)農(nóng)轉(zhuǎn)變?yōu)橥ㄟ^房屋租賃取得生活所需收入,因此,村民自建房、臨建房情況普遍存在,且后期自建、續(xù)建房屋均采用240 mm黏土多孔磚制外墻,屋面僅考慮防水和簡易保溫措施,外窗多數(shù)居民已自行改為單框雙玻塑鋼窗,除房東居住的正房,其他入戶門基本采用單層木框木門,房屋的熱工性能更差,能耗更大[2]。

本文選取南排村目前居民典型居住用房,模擬外墻、屋面加裝保溫后的采暖用能消耗量,對比節(jié)能改造的效果。

3.1 保溫材料特點(diǎn)及施工流程

目前市場上的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫材料各有特點(diǎn),主要有以下幾種,詳見表2。

表2 保溫材料性能對比表

根據(jù)表2可以看出,保溫材料各有優(yōu)勢和缺點(diǎn)。一款合適保溫材料,對圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能效果、安全性、經(jīng)濟(jì)性都有著較大的影響?？紤]到城中村房屋建設(shè)密度大、消防設(shè)施配套有限,為了保證安全,本文節(jié)能改造方案采用具有阻燃特性的憎水巖棉保溫板作為節(jié)能改造測算的保溫材料。

3.2 計(jì)算參考的氣象資料

包頭市每年10月15日至次年4月15日為采暖期,共計(jì)183 d(正常年)。

主要?dú)庀笠罁?jù):采暖期室外計(jì)算平均溫度:-1.9 ℃;冬季室外風(fēng)速:2.3 m/s;室外采暖計(jì)算溫度:-16.6 ℃;室內(nèi)采暖設(shè)計(jì)溫度:18 ℃。

3.3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能參考數(shù)據(jù)

圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能參考數(shù)據(jù)見表3。

表3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能數(shù)據(jù)表

3.4 典型居住用房能效果測算

3.4.1 改造前用能效果測算

1)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)條件。本文選取的典型居住用房為正房,坐北向南,建筑物大小長14.5 m,寬9.5 m,單層高度2.6 m～2.8 m,計(jì)算建筑面積551 m2,建筑物平面和立面見圖1,圖2。

改造前的建筑外墻結(jié)構(gòu):

1層、2層:一磚半厚(370 mm),內(nèi)面抹灰磚墻。

2層、3層、4層:用戶加蓋房舍,采用一磚厚(240 mm),內(nèi)面抹灰磚墻。

外窗:采用雙玻塑料鋼窗,尺寸(寬×高)為1.2 m×1.8 m。窗型為帶上梁(高0.5 m)三扇兩開窗?？砷_啟部分的縫隙總長為3.9 m。

外門:單層實(shí)體木質(zhì)門,尺寸(寬×高)為0.7 m×2.0 m。門型為無上梁的單扇門?？砷_啟部分的縫隙總長為9.0 m。

頂棚:厚300 mm混凝土板,采用爐渣保溫,并作瀝青防水。

地面:不保溫地面。K值按劃分地帶計(jì)算。

2)房間供暖熱負(fù)荷的計(jì)算。

(1)

整個(gè)房間的圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱耗熱量=圍護(hù)結(jié)構(gòu)各部分基本耗熱量的總和,采用式(2):

(2)

根據(jù)建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)各元件尺寸和表3對應(yīng)的傳熱系數(shù),分別代入式(1)和式(2),得到改造前各房間圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱耗熱量。

在冬季室外平均風(fēng)速v0=2.8 m/s下,單框雙玻塑鋼窗的每米縫隙的冷風(fēng)滲透量L=2.88 m2/(m·h)。

西向兩個(gè)窗的縫隙總長度為2×3.9=7.8 m?？偟睦滹L(fēng)滲透量V=Lln=2.88×7.8×0.4=8.99 m3/h。

1.34×1×[(18-(-19)]=123.9 W。

其中,V為冷風(fēng)滲透體積流量,m3/h;Cp為空氣比熱,取1.005 6;ρw為空氣密度,kg/m3。

南向窗修正系數(shù)為零,不考慮冷風(fēng)滲透耗熱量。

各房間計(jì)算熱負(fù)荷=各房間圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱耗熱量+冷風(fēng)滲透耗熱量+外門冷風(fēng)侵入耗熱量。

3)改造前房間熱負(fù)荷測算見表4。

表4 改造前典型建筑計(jì)算熱負(fù)荷測算

折算成單位面積的供熱計(jì)算負(fù)荷為111.4 W/m2,采暖期平均耗熱量為0.985 GJ/(m2·a)。

3.4.2 改造后用能效果測算

1)改造后的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)條件:外墻:1層、2層:一磚半厚(370 mm),內(nèi)面抹灰磚墻。外掛憎水保溫巖棉,厚150 mm。3層、4層:一磚厚(240 mm),內(nèi)面抹灰磚墻。外掛憎水保溫巖棉,厚150 mm。外窗:同改造前。外門:同改造前。頂棚:厚150 mm混凝土板。鋪設(shè)憎水保溫巖棉厚150 mm。地面:同改造前。

改造后,計(jì)算圍護(hù)結(jié)構(gòu)綜合熱阻R綜:

保溫材料本文選用憎水巖棉保溫板,其傳熱系數(shù)0.04 W/(m2·℃),熱阻為R巖棉=3.75 m2·℃/W。

a.370 mm厚度外墻改造:

R綜合1=R巖棉+R墻1=3.75+0.63=4.38 m2·℃/W。

改造后墻體綜合傳熱系數(shù)K綜合1=1/R綜合1=0.228 W/(m2·℃)。

b.240 mm厚度外墻改造:

R綜合2=R巖棉+R墻2=3.75+0.48=4.23 m2·℃/W。

改造后墻體綜合傳熱系數(shù)K綜合2=1/R綜合2=0.237 W/(m2·℃)。

c.150 mm厚度頂棚改造:

R綜合3=R巖棉+R頂棚=3.75+0.26=4.01 m2·℃/W。

改造后墻體綜合傳熱系數(shù)K綜合3=1/R綜合3=0.249 W/(m2·℃)。

2)改造前房間熱負(fù)荷測算見表5。

表5 改造后典型建筑計(jì)算熱負(fù)荷測算

折算成單位面積的供熱計(jì)算負(fù)荷為31.4 W/m2,采暖期平均耗熱量為0.278 GJ/(m2·a)。

3.4.3 改造后節(jié)能效果分析

經(jīng)過對比測算,節(jié)能改造后建筑耗熱量大幅下降,總的節(jié)熱率為72%,每個(gè)房間根據(jù)位置不同節(jié)熱效果存在很大差別,最低的節(jié)熱率47%,3層、4層自建房由于原來的圍護(hù)結(jié)構(gòu)墻體較為單薄,耗熱量巨大,增加外墻和屋頂保溫后,耗熱量效果顯著降低,節(jié)熱率為60%～80%,見表6[3-4]。

4 南排村建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能改造經(jīng)濟(jì)性分析

經(jīng)過對南排村典型戶型節(jié)能改造前后耗熱量的測算,改造后建筑物每平方米可減少供熱消耗量0.707 GJ。南排村4座熱力站實(shí)際供熱加權(quán)面積為21.13萬m2,每個(gè)采暖期可減少耗熱量為14.94萬GJ,按照熱價(jià)為25元/GJ,折合一個(gè)采暖期可節(jié)約373.5萬元,建筑每平方米采暖期可節(jié)約17.5元[5]。根據(jù)既有建筑節(jié)能改造經(jīng)驗(yàn),建筑物外保溫改造投資造價(jià),一般為150元/m2左右,節(jié)能改造的境內(nèi)太回收期約為8.5 a。

表6 改造后房間耗熱量節(jié)約量對比表

5 結(jié)論

1)隨著國家“雙碳戰(zhàn)略”的實(shí)施,我國城市規(guī)劃建設(shè)逐漸向控制增量、消化存量轉(zhuǎn)變,城中村的宜居建設(shè)和改造將成為未來城市建設(shè)的重點(diǎn)。但是由于城中村居民自建房舍普遍存在建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)低、能耗高的問題,因此城中村的宜居建設(shè)對于建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)的改造應(yīng)當(dāng)予以高度重視。這個(gè)問題解決不好會(huì)對我國“碳達(dá)峰”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生影響。

2)通過測算對城中村進(jìn)行節(jié)能改造可以收到十分可觀的節(jié)能效果,不僅能夠降低供熱企業(yè)的生產(chǎn)成本,更能提高用戶的供熱質(zhì)量,充分體現(xiàn)“以人民為中心”的思想。

3)城中村房屋建設(shè)密度大,消防設(shè)施配套有限,為了保證安全,城中村建筑節(jié)能應(yīng)采用具有阻燃特性的憎水巖棉保溫材料。