002 既有居住建筑综合节能改造设计的研究

PAGE2PAGE5既有居住建筑综合节能改造设计的研究北京市住宅建筑设计研究院胡颐蘅李群王郁桐摘要：本文针对已完成的既有非节能居住建筑—惠新西街12#楼的综合节能改造工程实例，对综合改造中涉及的围护结构、采暖系统等多项改造技术进行了系统研究，并对建筑改造前后的能耗测试数据进行了分析对比，为北京市既有建筑的节能改造设计提供借鉴。经能耗检测，惠新西街12#楼在节能改造后全面达到了北京市节能65%的设计标准。节能效果分析表明围护结构及采暖系统各项改造的节能效果和节能贡献率不同。因此既有建筑节能改造应综合考虑技术、经济、安全、适宜等因素优化改造方案和优选改造顺序，各项技术的集成、实施要达到经济投入与节能效果的最佳平衡点。关键词：既有居住建筑，综合节能改造，围护结构，采暖系统、节能贡献率试点工程的基本情况1.1试点工程的研究思路本项目被列入北京市既有建筑节能改造试点工程和建设部中德技术合作“中国既有建筑节能改造项目”。研究思路是依据北京地区《居住建筑节能设计标准》（DBJ11－602－2006）65%节能设计标准(以下简称65%节能设计标准)所要求的建筑物综合能耗值为目标，研究既有建筑的节能改造技术和节能效果。1.2惠新西街12#楼基本情况惠新西街12#楼位于朝阳区惠新西街，建筑面积约10179.94㎡，共十八层，共计144户。该楼建于1988年，为内浇外挂板结构，外墙为280mm陶粒混凝土，外窗为空腹钢窗，屋面作法不详。经实测围护结构热工性能和耗热量指标如表1-1所示：表1-1惠新西街12#楼围护结构热工性能和耗热量指标项项目结果围护结构传热系数W/㎡.K建筑物耗热量指标W/m2外墙外窗屋面改造前理论2.016.401.0725.9改造前实测2.046.401.2626.265%节能设计标准0.602.80.6014.65从上表中看出，惠新西街12#楼围护结构的传热系数和建筑物能耗远高于北京地区现行节能设计标准。部分住户还反映外墙出现了结露发霉现象，经红外热成像仪检测，显示结露发霉处外墙内表面温度在9℃左右，表明该处外墙存在热工缺陷，严重影响了外墙的保温效果，导致冬天室内温度低，舒适度较差。综合上述情况，惠新西街12#楼属于北京市典型的非节能居住建筑，适合进行节能改造。2．节能改造设计标准目前节能设计标准中尚无针对既有建筑的节能专项要求。因此依据北京地区现行的《居住建筑节能设计标准》（DBJ11－602－2006），此次节能改造设计外围护结构传热系数、建筑物耗热量指标等均应达到65%节能设计标准。在此前提下各部分围护结构传热系数的指标在标准限值的基础上，根据改造工程实际情况经综合热平衡计算后具体确定。利用外保温消灭外墙热桥彻底解决室内结露发霉的问题；室内通风环境要满足0.5次/h换气次数的要求；采暖系统通过改造要实现分系统可调节、分室可控温、热力入口及分户热量可计量，为今后的供暖体制改革作好准备。3.围护结构节能改造技术3.1外墙节能改造：经比较，外墙保温采取了EPS板[导热系数λc=0.042W/m2·K]的外保温技术。按65%节能设计标准规定，外墙传热系数限值K为0.60W/m2·K，原建筑外墙为280mm陶粒混凝土，实测热阻为0.49m2.K/W，经计算EPS板厚度需要60mm但由于该住宅建于八十年代，过道间距不满足现行消防设计规范要求，无法进行保温，楼梯间隔墙也存在同样问题。此外，既有建筑节能改造中的外窗更换由于受各种因素影响，实际上很难做到100%的改造率。综合上述因素，基于对建筑围护结构的总体热工性能的权衡判断以及对节能成本的整体比较，最终EPS板采用了100mm的厚度，据此计算的外墙传热系数理论值可达0.36W/m2·K。3.2屋面节能改造屋面的保温设计为倒置式屋面，改造时为避免施工期间遇雨造成顶层住户损失，直接在原防水上面加铺60mm厚XPS板，然后抹聚合物砂浆防护层，上铺30mm厚豆石混凝土并加做一层卷材防水。天沟部分设计采用了内保温。3.3外窗节能改造外窗节能改造是围护结构中较为复杂的工作，按照规范要求设计将原装空腹单玻钢窗改为内平开双玻断桥铝节能窗,由于部分住户在自家装修时已更换了外窗，且形式不一，其中有的外窗能达到限值标准，有的略有超出。鉴于已装修的住户改造难度较大，经多方论证，依据北京市65%节能设计标准5.2.2条文说明中“本标准仅允许外窗的传热系数略有超出，通过降低其他围护结构的传热系数来弥补”[1]的要求，最终将所有空腹单玻钢窗更换为EAH40系列断桥铝节能窗，其传热系数均理论值达到2.60W/m2•K。其余传热系数稍有欠缺的，设计上经总体热工性能的权衡判定，通过增加外墙和屋面的保温效果来弥补，最终144户中虽然有36户没有按设计要求更换外窗，同样达到了综合节能65%的设计要求。用户在采暖季开窗除了房间过热的原因之外，另一个主要原因就是通过开窗换气，保持室内空气的新鲜。本次改造设计第一次在既有居住建筑节能改造中引进了德国LUNOS公司的住宅同步新风换气系统，可以在有效改善室内空气品质、保证人体健康舒适的同时，减少室内能量损失，达到节能环保健康的目的。进风口排出室内污浊空气新风系统采用负压通风方式。由安装在浴室卫生间的排风机向通风道排风，排风量按0.3-0.5次/h换气计算，使室内产生负压。根据大气平衡原理，室外新风通过户内各居室外墙进风口，经隔尘降噪处理后进入室内。（图5-1）进风口排出室内污浊空气进风口室内空气流动图5-1新风系统工作原理图进风口室内空气流动在屋顶卫生间通风风道安装无动力风机，无动力风机在空气流动时自行转动，可加速卫生间通风道内的气体向上流动，增强新风系统的换气功能及效果。按照德方专家的要求，新风换气系统所设屋顶排风机应采用电动风机，但从国情出发，考虑到物业维护水平及电费分摊收缴困难，最终仍采用了无动力风机解决上述问题。6.改造效果分析既有建筑节能改造最终目的是为了节省能源，通过对节能改造前后围护结构热工性能、建筑热环境及建筑耗热量进行综合测试和分析，同时对各部分改造的节能贡献率既节能效果做出评估，为今后的既有建筑节能改造提供借鉴和参考。6.1红外热成像检测采用红外热像仪对建筑物外围护结构的保温效果进行检测，其改造前后的热成像结果显示：改造后的外墙不存在明显热桥，外窗外表面温度明显低于改造前的外窗外表面温度，建筑物外窗的保温性能得到了明显改善。6.2围护结构传热系数与建筑物耗热量指标测试6.2.1改造前后的数据结果改造前后围护结构热工性能、耗热量指标与北京市节能65%设计标准要求进行了对比，其结果如表6-1所示。表6-1惠新西街12#楼检测结果项项目类别围护结构传热系数W/㎡.K建筑物耗热量指标W/m2采暖耗煤量指标（Kg/m2）外墙外窗屋面北京标准0.62.80.614.658.80改造前理论2.016.401.0725.9019.50改造前测试2.046.401.2626.20改造后理论0.362.600.3712.017.23改造后测试0.382.800.4114.25检测结果表明，惠新西街12#楼的各项指标已全面达到北京市65%节能设计标准。6.2.2测试数据与理论数据的差距通过08-09年采暖季的测试，单位面积建筑物耗热量指标的检测值为：14.25W/㎡,高于设计理论计算值：12.01W/㎡,造成数据差距的主要原因从定性的角度分析主要是由于设计理论计算的条件设定是冬季室外平均温度为-1.6℃，室内新风换气次数为0.5次/h，而08-09年采暖季实际室外平均温度为3.3℃；换气次数由于用户自主开窗（详表6-2）以及楼门没有采用门禁系统经常不能关闭，造成换气次数远大于0.5次/h表6-2住户开窗情况统计表（初寒、严寒和末寒期各选一天，每小时记录一次住户开窗）观测时间气象条件不同朝向开窗数量东南西北初寒中午12：00晴，北风2、3级转4级，2-12112689严寒中午12：00晴，北风2、3级，-8-272692末寒中午12：00阴有小雪，南风2、3级，-5-1516726.3采暖系统改造节能效果分析6.3.1室内平均温度测试利用自计议对12#楼室内平均温度改造前后进行了3年测试，12#楼室内平均温度见表6-3表6-312#楼室内平均温度序号测试阶段室内平均温度（℃）107年1月改造前17.3208年1月围护结构改造后25.2309年1月采暖系统改造后23.06.3.2自主行为节能对采暖系统改造节能效果的影响连续三年的测试表明，在进行了外墙和外窗节能改造后，建筑围护结构综合热指标已达到北京地区65%节能标准，室内温度大幅提高。但由于缺乏有效的调控措施，室内温度偏高，住户普遍反映偏热。在进行了采暖系统改造后，由于热力入口及户内增加了调控措施，室内温度降到了相对合理的区域，但实际室温仍高于设计计算温度（18℃），节能效果提升很有限。纠其原因其一是住户还没有使用温控阀自主调节的习惯，项目工作人员在2009年3月14日入户进行了温控阀使用情况调查，共计116户，调查结果见图6-1和图6-2。图6-1住户温控阀使用情况图6-2住户对室内温度满意度温控阀未调节的住户基本把阀门放在最高温档位。上述调查结果表明，虽然相对于设计标准室内温度达到23.0℃其二，热力入口的室内温度传感装置放置的房间是居委会，频繁的开门开窗造成室内温度不能客观反映楼内其他住户的实际室温，依据此房间的温度进行调节势必会造成偏差。通过分析可看出，将温度传感装置放在室内，从控制上更加直接，但无论放在任何位置受用户行为习惯的影响都较大。笔者认为，依据气候补偿原理，可尝试将温度传感器放置在室外的方法。依据室外温度的变化对实际的供热流量进行调节，虽然控制上不够直接，但既能达到控制室内温度过热的目的，又可将行为习惯的影响尽量减小，能够有效提升节能效果，应不失为权宜之策。此外，如果传感装置放置得当，设定准确，一定程度上能够起到弥补温控阀调节室温不利的作用。据文献记载：18层的高层住宅，室温每增加2℃，就会增加7%的采暖能耗[2]，据此计算，如果能够将室内平均温度控制在18其三，从表6-2可看出，12#楼虽然安装了同步呼吸换气系统，但住户仍然习惯开窗换气。据文献记载，由于开窗换气损失的耗热量目前已达到居住建筑耗热量的10%以上[3]。依据热平衡原理，可以认为建筑物的得热量即采暖季实际的采暖供热量和室内的自由得热，应与建筑物的耗热量即围护结构的实际耗热量、冷风渗透耗热量以及由于开窗和楼门入口频繁开启所带来的换气热损失之间存在基本平衡。笔者利用12#楼08-09采暖季的测试数据(表6-4)进行了推导和估算：表6-412#楼08-09采暖季测试数据（1GJ=278KWh）（采暖期共128天）楼号建筑面积㎡室内平均温度℃室外平均温度℃建筑物总供热量KWh1210179.9423.003.30547104可推出08-09采暖季12#楼由于开窗和楼门入口频繁开启所带来的换气热损失约占12#楼建筑耗热量的13%。可以推断，随着建筑物围护结构节能率的提高，换气损失的耗热量对于建筑物整体耗热量的影响权重将会越来越大。综上分析，用户的行为习惯对采暖系统的节能改造效果影响很大，如果用户缺乏自主节能意识，采暖系统尤其是户内系统的节能改造效果将会大打折扣，在改造条件成熟之前，可不急于进行户内系统的改造，而是先利用热力入口的流量调节装置达到控制室内温度的目的。6.4围护结构各主要部分改造节能效果分析根据公式(6-4)我们可以算出12#楼改造前后各主要部分的传热耗热量：（6-4）式中：ti——全部房间的平均室内计算温度，一般住宅取16℃；te——采暖期室外平均温度，北京地区取-1.6℃；εi——围护结构传热系数的修正系数；Ki——围护结构传热系数，W/m2•K；Fi——围护结构面积。带入12#楼的基础数据计算后可以得到围护结构各主要部分改造前后单项传热耗热量如表6-5示，从而得到各部分能耗影响权重。如图6-3和6-4所示。在热工计算中实际上还应考虑空气渗透耗热量，由于难以判别各部位在其中的影响权重，故在此不做具体分析。表6-5围护结构各主要部分改造前后的传热耗热量(W)外墙外窗屋面合计改造前215437.14129957.2710896.48356290.89改造后37649.2252670.993545.7093865.91图6-3改造前总传热耗热中各主要部位比例图6-4改造后总传热耗热中各主要部位比例从图表中可以看出改造前在围护结构各部位中外墙的传热耗热量所占比例最大，其次是外窗，而由于12#楼为高层建筑所以屋面的影响相对较小。但改造完成后围护结构各部位传热耗热量所占比例发生了变化，由于外保温采用了100mmEPS板，传热耗热量下降的幅度巨大。而外窗的传热系数虽也降为2.8m2•K，但对总传热耗热量影响权重却大幅提高，超过了外墙。屋面传热系数虽然下降也很多但总面积较小，因此屋面的影响权重总的来说变化不大。从改造前后节能贡献率的角度做一个比较，具体计算为改造前后各部位单项节能量与总节能量的比较，结果如图6-5所示。图6-5围护结构各部位节能贡献率比较综上不难看出，对于惠新西街12#楼的节能改造来说，综合考虑节能效果及资金投入，改造顺序应先围护结构、后采暖系统。围护结构中最有效的是外墙的改造，其节能贡献率超过了2/3；其次是外窗，由于是高层，屋面的贡献率相对较小。从理论上说，如果外窗的传热系数能够在65%节能标准的限值基础上进一步降低，其节能潜力是非常高的。但实际应用还需考虑各项技术的节能成本，降低外墙与屋面的传热系数，成本只体现在保温材料厚度的增加费用上，既节能增量成本较低；相对而言，由于目前国内技术水平所限，外窗传热系数的降低，其成本却要高得多。因此在既有建筑围护结构节能改造中，首先应考虑外墙和门窗，其次是屋面。同时应适当增加外墙、屋面的保温厚度；而外窗的改造满足现行标准限值即可。这样既可弥补部分无法改造部位的热损失，又可取得最大节能投入产出比。综合考虑行为节能的影响，采暖系统的改造应优先考虑热力入口的改造，即热量计量和管网系统的平衡调节，最后选择户内系统，量入为出，循序渐进。7.结论7.1目前采用的技术主要以《居住建筑节能设计标准》（DBJ11－602－2006）为依据，单就基本技术而言，总体讲都是比较成熟安全的。如何针对既有建筑的实际情况，综合考虑集成这些技术，能够在满足节能目的的基础上，使技术性能、投入成本、安全可靠、对住户的干扰等因素达到合理匹配。以使综合节能技术最适合，最具操作性，综合效应达到最佳。7.2既有建筑节能改造的节能改造设计应结合实际工程情况并考虑与现行相关规范的适应性。围护结构的改造设计中如有个别部分难以达到要求，应对建筑围护结构的总体热工性能进行综合