PAGE2PAGE5既有居住建筑綜合節能改造設計的研究北京市住宅建筑設計研究院胡頤蘅李群王郁桐摘要：本文針對已完成的既有非節能居住建筑—惠新西街12#樓的綜合節能改造工程實例，對綜合改造中涉及的圍護結構、采暖系統等多項改造技術進行了系統研究，并對建筑改造前后的能耗測試數據進行了分析對比，為北京市既有建筑的節能改造設計提供借鑒。經能耗檢測，惠新西街12#樓在節能改造后全面達到了北京市節能65%的設計標準。節能效果分析表明圍護結構及采暖系統各項改造的節能效果和節能貢獻率不同。因此既有建筑節能改造應綜合考慮技術、經濟、安全、適宜等因素優化改造方案和優選改造順序，各項技術的集成、實施要達到經濟投入與節能效果的最佳平衡點。關鍵詞：既有居住建筑，綜合節能改造，圍護結構，采暖系統、節能貢獻率試點工程的基本情況1.1試點工程的研究思路本項目被列入北京市既有建筑節能改造試點工程和建設部中德技術合作“中國既有建筑節能改造項目”。研究思路是依據北京地區《居住建筑節能設計標準》（DBJ11－602－2006）65%節能設計標準(以下簡稱65%節能設計標準)所要求的建筑物綜合能耗值為目標，研究既有建筑的節能改造技術和節能效果。1.2惠新西街12#樓基本情況惠新西街12#樓位于朝陽區惠新西街，建筑面積約10179.94㎡，共十八層，共計144戶。該樓建于1988年，為內澆外掛板結構，外墻為280mm陶粒混凝土，外窗為空腹鋼窗，屋面作法不詳。經實測圍護結構熱工性能和耗熱量指標如表1-1所示：表1-1惠新西街12#樓圍護結構熱工性能和耗熱量指標項項目結果圍護結構傳熱系數W/㎡.K建筑物耗熱量指標W/m2外墻外窗屋面改造前理論2.016.401.0725.9改造前實測2.046.401.2626.265%節能設計標準0.602.80.6014.65從上表中看出，惠新西街12#樓圍護結構的傳熱系數和建筑物能耗遠高于北京地區現行節能設計標準。部分住戶還反映外墻出現了結露發霉現象，經紅外熱成像儀檢測，顯示結露發霉處外墻內表面溫度在9℃左右，表明該處外墻存在熱工缺陷，嚴重影響了外墻的保溫效果，導致冬天室內溫度低，舒適度較差。綜合上述情況，惠新西街12#樓屬于北京市典型的非節能居住建筑，適合進行節能改造。2．節能改造設計標準目前節能設計標準中尚無針對既有建筑的節能專項要求。因此依據北京地區現行的《居住建筑節能設計標準》（DBJ11－602－2006），此次節能改造設計外圍護結構傳熱系數、建筑物耗熱量指標等均應達到65%節能設計標準。在此前提下各部分圍護結構傳熱系數的指標在標準限值的基礎上，根據改造工程實際情況經綜合熱平衡計算后具體確定。利用外保溫消滅外墻熱橋徹底解決室內結露發霉的問題；室內通風環境要滿足0.5次/h換氣次數的要求；采暖系統通過改造要實現分系統可調節、分室可控溫、熱力入口及分戶熱量可計量，為今后的供暖體制改革作好準備。3.圍護結構節能改造技術3.1外墻節能改造：經比較，外墻保溫采取了EPS板[導熱系數λc=0.042W/m2·K]的外保溫技術。按65%節能設計標準規定，外墻傳熱系數限值K為0.60W/m2·K，原建筑外墻為280mm陶粒混凝土，實測熱阻為0.49m2.K/W，經計算EPS板厚度需要60mm但由于該住宅建于八十年代，過道間距不滿足現行消防設計規范要求，無法進行保溫，樓梯間隔墻也存在同樣問題。此外，既有建筑節能改造中的外窗更換由于受各種因素影響，實際上很難做到100%的改造率。綜合上述因素，基于對建筑圍護結構的總體熱工性能的權衡判斷以及對節能成本的整體比較，最終EPS板采用了100mm的厚度，據此計算的外墻傳熱系數理論值可達0.36W/m2·K。3.2屋面節能改造屋面的保溫設計為倒置式屋面，改造時為避免施工期間遇雨造成頂層住戶損失，直接在原防水上面加鋪60mm厚XPS板，然后抹聚合物砂漿防護層，上鋪30mm厚豆石混凝土并加做一層卷材防水。天溝部分設計采用了內保溫。3.3外窗節能改造外窗節能改造是圍護結構中較為復雜的工作，按照規范要求設計將原裝空腹單玻鋼窗改為內平開雙玻斷橋鋁節能窗,由于部分住戶在自家裝修時已更換了外窗，且形式不一，其中有的外窗能達到限值標準，有的略有超出。鑒于已裝修的住戶改造難度較大，經多方論證，依據北京市65%節能設計標準5.2.2條文說明中“本標準僅允許外窗的傳熱系數略有超出，通過降低其他圍護結構的傳熱系數來彌補”[1]的要求，最終將所有空腹單玻鋼窗更換為EAH40系列斷橋鋁節能窗，其傳熱系數均理論值達到2.60W/m2?K。其余傳熱系數稍有欠缺的，設計上經總體熱工性能的權衡判定，通過增加外墻和屋面的保溫效果來彌補，最終144戶中雖然有36戶沒有按設計要求更換外窗，同樣達到了綜合節能65%的設計要求。用戶在采暖季開窗除了房間過熱的原因之外，另一個主要原因就是通過開窗換氣，保持室內空氣的新鮮。本次改造設計第一次在既有居住建筑節能改造中引進了德國LUNOS公司的住宅同步新風換氣系統，可以在有效改善室內空氣品質、保證人體健康舒適的同時，減少室內能量損失，達到節能環保健康的目的。進風口排出室內污濁空氣新風系統采用負壓通風方式。由安裝在浴室衛生間的排風機向通風道排風，排風量按0.3-0.5次/h換氣計算，使室內產生負壓。根據大氣平衡原理，室外新風通過戶內各居室外墻進風口，經隔塵降噪處理后進入室內。（圖5-1）進風口排出室內污濁空氣進風口室內空氣流動圖5-1新風系統工作原理圖進風口室內空氣流動在屋頂衛生間通風風道安裝無動力風機，無動力風機在空氣流動時自行轉動，可加速衛生間通風道內的氣體向上流動，增強新風系統的換氣功能及效果。按照德方專家的要求，新風換氣系統所設屋頂排風機應采用電動風機，但從國情出發，考慮到物業維護水平及電費分攤收繳困難，最終仍采用了無動力風機解決上述問題。6.改造效果分析既有建筑節能改造最終目的是為了節省能源，通過對節能改造前后圍護結構熱工性能、建筑熱環境及建筑耗熱量進行綜合測試和分析，同時對各部分改造的節能貢獻率既節能效果做出評估，為今后的既有建筑節能改造提供借鑒和參考。6.1紅外熱成像檢測采用紅外熱像儀對建筑物外圍護結構的保溫效果進行檢測，其改造前后的熱成像結果顯示：改造后的外墻不存在明顯熱橋，外窗外表面溫度明顯低于改造前的外窗外表面溫度，建筑物外窗的保溫性能得到了明顯改善。6.2圍護結構傳熱系數與建筑物耗熱量指標測試6.2.1改造前后的數據結果改造前后圍護結構熱工性能、耗熱量指標與北京市節能65%設計標準要求進行了對比，其結果如表6-1所示。表6-1惠新西街12#樓檢測結果項項目類別圍護結構傳熱系數W/㎡.K建筑物耗熱量指標W/m2采暖耗煤量指標（Kg/m2）外墻外窗屋面北京標準0.62.80.614.658.80改造前理論2.016.401.0725.9019.50改造前測試2.046.401.2626.20改造后理論0.362.600.3712.017.23改造后測試0.382.800.4114.25檢測結果表明，惠新西街12#樓的各項指標已全面達到北京市65%節能設計標準。6.2.2測試數據與理論數據的差距通過08-09年采暖季的測試，單位面積建筑物耗熱量指標的檢測值為：14.25W/㎡,高于設計理論計算值：12.01W/㎡,造成數據差距的主要原因從定性的角度分析主要是由于設計理論計算的條件設定是冬季室外平均溫度為-1.6℃，室內新風換氣次數為0.5次/h，而08-09年采暖季實際室外平均溫度為3.3℃；換氣次數由于用戶自主開窗（詳表6-2）以及樓門沒有采用門禁系統經常不能關閉，造成換氣次數遠大于0.5次/h表6-2住戶開窗情況統計表（初寒、嚴寒和末寒期各選一天，每小時記錄一次住戶開窗）觀測時間氣象條件不同朝向開窗數量東南西北初寒中午12：00晴，北風2、3級轉4級，2-12112689嚴寒中午12：00晴，北風2、3級，-8-272692末寒中午12：00陰有小雪，南風2、3級，-5-1516726.3采暖系統改造節能效果分析6.3.1室內平均溫度測試利用自計議對12#樓室內平均溫度改造前后進行了3年測試，12#樓室內平均溫度見表6-3表6-312#樓室內平均溫度序號測試階段室內平均溫度（℃）107年1月改造前17.3208年1月圍護結構改造后25.2309年1月采暖系統改造后23.06.3.2自主行為節能對采暖系統改造節能效果的影響連續三年的測試表明，在進行了外墻和外窗節能改造后，建筑圍護結構綜合熱指標已達到北京地區65%節能標準，室內溫度大幅提高。但由于缺乏有效的調控措施，室內溫度偏高，住戶普遍反映偏熱。在進行了采暖系統改造后，由于熱力入口及戶內增加了調控措施，室內溫度降到了相對合理的區域，但實際室溫仍高于設計計算溫度（18℃），節能效果提升很有限。糾其原因其一是住戶還沒有使用溫控閥自主調節的習慣，項目工作人員在2009年3月14日入戶進行了溫控閥使用情況調查，共計116戶，調查結果見圖6-1和圖6-2。圖6-1住戶溫控閥使用情況圖6-2住戶對室內溫度滿意度溫控閥未調節的住戶基本把閥門放在最高溫檔位。上述調查結果表明，雖然相對于設計標準室內溫度達到23.0℃其二，熱力入口的室內溫度傳感裝置放置的房間是居委會，頻繁的開門開窗造成室內溫度不能客觀反映樓內其他住戶的實際室溫，依據此房間的溫度進行調節勢必會造成偏差。通過分析可看出，將溫度傳感裝置放在室內，從控制上更加直接，但無論放在任何位置受用戶行為習慣的影響都較大。筆者認為，依據氣候補償原理，可嘗試將溫度傳感器放置在室外的方法。依據室外溫度的變化對實際的供熱流量進行調節，雖然控制上不夠直接，但既能達到控制室內溫度過熱的目的，又可將行為習慣的影響盡量減小，能夠有效提升節能效果，應不失為權宜之策。此外，如果傳感裝置放置得當，設定準確，一定程度上能夠起到彌補溫控閥調節室溫不利的作用。據文獻記載：18層的高層住宅，室溫每增加2℃，就會增加7%的采暖能耗[2]，據此計算，如果能夠將室內平均溫度控制在18其三，從表6-2可看出，12#樓雖然安裝了同步呼吸換氣系統，但住戶仍然習慣開窗換氣。據文獻記載，由于開窗換氣損失的耗熱量目前已達到居住建筑耗熱量的10%以上[3]。依據熱平衡原理，可以認為建筑物的得熱量即采暖季實際的采暖供熱量和室內的自由得熱，應與建筑物的耗熱量即圍護結構的實際耗熱量、冷風滲透耗熱量以及由于開窗和樓門入口頻繁開啟所帶來的換氣熱損失之間存在基本平衡。筆者利用12#樓08-09采暖季的測試數據(表6-4)進行了推導和估算：表6-412#樓08-09采暖季測試數據（1GJ=278KWh）（采暖期共128天）樓號建筑面積㎡室內平均溫度℃室外平均溫度℃建筑物總供熱量KWh1210179.9423.003.30547104可推出08-09采暖季12#樓由于開窗和樓門入口頻繁開啟所帶來的換氣熱損失約占12#樓建筑耗熱量的13%。可以推斷，隨著建筑物圍護結構節能率的提高，換氣損失的耗熱量對于建筑物整體耗熱量的影響權重將會越來越大。綜上分析，用戶的行為習慣對采暖系統的節能改造效果影響很大，如果用戶缺乏自主節能意識，采暖系統尤其是戶內系統的節能改造效果將會大打折扣，在改造條件成熟之前，可不急于進行戶內系統的改造，而是先利用熱力入口的流量調節裝置達到控制室內溫度的目的。6.4圍護結構各主要部分改造節能效果分析根據公式(6-4)我們可以算出12#樓改造前后各主要部分的傳熱耗熱量：（6-4）式中：ti——全部房間的平均室內計算溫度，一般住宅取16℃；te——采暖期室外平均溫度，北京地區取-1.6℃；εi——圍護結構傳熱系數的修正系數；Ki——圍護結構傳熱系數，W/m2?K；Fi——圍護結構面積。帶入12#樓的基礎數據計算后可以得到圍護結構各主要部分改造前后單項傳熱耗熱量如表6-5示，從而得到各部分能耗影響權重。如圖6-3和6-4所示。在熱工計算中實際上還應考慮空氣滲透耗熱量，由于難以判別各部位在其中的影響權重，故在此不做具體分析。表6-5圍護結構各主要部分改造前后的傳熱耗熱量(W)外墻外窗屋面合計改造前215437.14129957.2710896.48356290.89改造后37649.2252670.993545.7093865.91圖6-3改造前總傳熱耗熱中各主要部位比例圖6-4改造后總傳熱耗熱中各主要部位比例從圖表中可以看出改造前在圍護結構各部位中外墻的傳熱耗熱量所占比例最大，其次是外窗，而由于12#樓為高層建筑所以屋面的影響相對較小。但改造完成后圍護結構各部位傳熱耗熱量所占比例發生了變化，由于外保溫采用了100mmEPS板，傳熱耗熱量下降的幅度巨大。而外窗的傳熱系數雖也降為2.8m2?K，但對總傳熱耗熱量影響權重卻大幅提高，超過了外墻。屋面傳熱系數雖然下降也很多但總面積較小，因此屋面的影響權重總的來說變化不大。從改造前后節能貢獻率的角度做一個比較，具體計算為改造前后各部位單項節能量與總節能量的比較，結果如圖6-5所示。圖6-5圍護結構各部位節能貢獻率比較綜上不難看出，對于惠新西街12#樓的節能改造來說，綜合考慮節能效果及資金投入，改造順序應先圍護結構、后采暖系統。圍護結構中最有效的是外墻的改造，其節能貢獻率超過了2/3；其次是外窗，由于是高層，屋面的貢獻率相對較小。從理論上說，如果外窗的傳熱系數能夠在65%節能標準的限值基礎上進一步降低，其節能潛力是非常高的。但實際應用還需考慮各項技術的節能成本，降低外墻與屋面的傳熱系數，成本只體現在保溫材料厚度的增加費用上，既節能增量成本較低；相對而言，由于目前國內技術水平所限，外窗傳熱系數的降低，其成本卻要高得多。因此在既有建筑圍護結構節能改造中，首先應考慮外墻和門窗，其次是屋面。同時應適當增加外墻、屋面的保溫厚度；而外窗的改造滿足現行標準限值即可。這樣既可彌補部分無法改造部位的熱損失，又可取得最大節能投入產出比。綜合考慮行為節能的影響，采暖系統的改造應優先考慮熱力入口的改造，即熱量計量和管網系統的平衡調節，最后選擇戶內系統，量入為出，循序漸進。7.結論7.1目前采用的技術主要以《居住建筑節能設計標準》（DBJ11－602－2006）為依據，單就基本技術而言，總體講都是比較成熟安全的。如何針對既有建筑的實際情況，綜合考慮集成這些技術，能夠在滿足節能目的的基礎上，使技術性能、投入成本、安全可靠、對住戶的干擾等因素達到合理匹配。以使綜合節能技術最適合，最具操作性，綜合效應達到最佳。7.2既有建筑節能改造的節能改造設計應結合實際工程情況并考慮與現行相關規范的適應性。圍護結構的改造設計中如有個別部分難以達到要求，應對建筑圍護結構的總體熱工性能進行綜合