西安地區(qū)既有建筑節(jié)能改造初探

張正中 龍京軍 趙紅軍 顏 亮

(1．南方電網(wǎng)綜合能源有限公司，廣東 廣州 510075;2．綿陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621000)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前建筑能耗已占能源消耗總量的27．8%，和交通能耗、工業(yè)能耗并列為三大耗能大戶［1］。而在所有建筑能耗中，既有建筑的能耗所占比例較大，因?yàn)榧扔薪ㄖ偭看蟆⒛芎母撸绕涫枪?jié)能設(shè)計(jì)規(guī)范頒布前修建的建筑均未采取節(jié)能措施。因而對(duì)既有建筑實(shí)施節(jié)能改造能夠顯著降低建筑能耗。針對(duì)西安地區(qū)的既有高耗能建筑，西安市頒布了《西安市人民政府關(guān)于加強(qiáng)節(jié)能減排工作的實(shí)施意見》《2007年全市節(jié)能減排重點(diǎn)工作目標(biāo)和任務(wù)分解落實(shí)方案》等文件來(lái)指導(dǎo)節(jié)能改造。同時(shí)開展政府辦公建筑和大型公共建筑節(jié)能改造，到2010年，既有建筑的改造面積達(dá)到了近30萬(wàn)m2。本文針對(duì)西安地區(qū)既有建筑的能耗現(xiàn)狀，結(jié)合西安地區(qū)的氣候地理特點(diǎn)，提出了一些既有建筑節(jié)能改造的要點(diǎn)和技術(shù)，為西安地區(qū)既有建筑節(jié)能改造提供參考。

1 西安地區(qū)環(huán)境特征

西安市地處關(guān)中平原偏南地區(qū)，東以零河和灞源山地為界，西以太白山地及青化黃土臺(tái)塬為界，南至北秦嶺主脊，北至渭河。大體地勢(shì)是東南高，西北與西南低，呈一簸箕狀。境內(nèi)海拔高度差異懸殊位居全國(guó)各城市之冠，市區(qū)平均海拔400 m［2］。

西安的氣候?qū)儆谂瘻貛Т箨懠撅L(fēng)氣候，總體特點(diǎn)是冷熱干濕、雨熱同季、四季分明。西安市年平均氣溫13．0℃ ～13．4℃。西安市全年盛行東北風(fēng)，平均風(fēng)速為2．0 m/s～2．6 m/s。西安市年日照時(shí)數(shù)為1 983．4 h～2 267．3 h，由西向東逐漸增加。年降水量為558 mm～750 mm，年平均相對(duì)濕度在70%左右［3］。

2 既有建筑節(jié)能改造技術(shù)

2．1 外圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造

西安地區(qū)20世紀(jì)60年代～80年代住宅外墻多采用240 mm的實(shí)心粘土磚，同時(shí)在內(nèi)外抹灰或飾面，厚度約為20 mm。住宅屋頂為平屋面，極少設(shè)置保溫隔熱層，保溫隔熱效果差。同時(shí)，窗戶多為木框單玻窗或空腹鋼窗。90年代以后所建住宅仍采用實(shí)心粘土磚，墻體構(gòu)造和60年代～80年代基本一樣。但這一時(shí)期還出現(xiàn)了少量高層住宅，結(jié)構(gòu)形式一般為薄壁框架結(jié)構(gòu)［4］。外墻構(gòu)造為180 mm鋼筋混凝土剪力墻加內(nèi)外20 mm普通抹灰。填充墻構(gòu)造為200 mm，加氣混凝土砌塊加內(nèi)外20 mm普通抹灰。外圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)有外墻保溫砂漿。此時(shí)，窗戶大量使用鋁合金和塑鋼窗。由于采用單玻設(shè)計(jì)且窗框未進(jìn)行斷熱設(shè)計(jì)，所以窗體的整體傳熱系數(shù)較高。如圖1所示為西安某典型住宅外圍護(hù)結(jié)構(gòu)圖。屋面的通用做法為現(xiàn)澆和預(yù)制混凝土屋面，未進(jìn)行特殊隔熱處理。改善圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能是減少建筑冷熱能耗的重要途徑，根據(jù)西安地區(qū)的氣候特點(diǎn)，對(duì)既有建筑外墻的節(jié)能改造以冬季保暖為主，同時(shí)兼顧夏季隔熱、遮陽(yáng)。可通過(guò)以下幾個(gè)方面來(lái)進(jìn)行節(jié)能改造。

2．1．1 外墻敷設(shè)保溫層

對(duì)于既有建筑，可以通過(guò)對(duì)外墻實(shí)施保溫，主要包括內(nèi)保溫和外保溫。在既有建筑改造時(shí)，內(nèi)保溫將極大影響室內(nèi)的使用，同時(shí)建筑使用面積由于添加保溫層而減小，而且內(nèi)保溫將大大影響墻面的蓄熱性能，對(duì)維護(hù)室溫穩(wěn)定不利。而外保溫可以減小或避免產(chǎn)生熱橋，同時(shí)消除結(jié)露和霉變現(xiàn)象，提高了居住的舒適度，因而墻體外保溫應(yīng)廣泛在西安地區(qū)建筑節(jié)能改造中運(yùn)用。墻體外保溫主要有以下幾種:1)EPS(聚苯板)類外保溫;2)硬泡聚氨酯保溫系統(tǒng);3)巖棉板保溫系統(tǒng);4)外掛預(yù)制復(fù)合保溫系統(tǒng)。墻體外保溫的重點(diǎn)是在熱橋部分的保溫隔熱，如混凝土或鋼筋混凝土的梁、柱、板和肋等。

在進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能改造時(shí)，可利用動(dòng)態(tài)建筑能耗模擬軟件(如DeST，EnergyPlus，eQuest等)分析保溫層厚度對(duì)建筑節(jié)能效果的影響，并結(jié)合經(jīng)濟(jì)性分析最佳經(jīng)濟(jì)層厚度和投資回收期等。

2．1．2 屋頂節(jié)能改造

為了改善頂層住戶的舒適性和耗能指標(biāo)，通常可采用以下節(jié)能措施:1)同外墻體一樣采用外保溫。2)屋頂綠化。植被可形成天然的熱屏障，起到良好的夏季隔熱、冬季保溫特性和熱穩(wěn)定性。同時(shí)由于植物的光合作用、蒸騰作用和呼吸作用，還可改善建筑熱環(huán)境和空氣品質(zhì)。西安市從2010年10月1日起已在六城區(qū)大力推廣屋頂綠化技術(shù)，預(yù)計(jì)綠化面積將達(dá)到上萬(wàn)平方米。但是由于既有建筑年代多已久遠(yuǎn)，在運(yùn)用屋頂綠化技術(shù)時(shí)一定要考慮屋頂?shù)某兄兀€應(yīng)注意屋頂?shù)姆浪芭潘畣栴}。圖2為西安某辦公樓屋頂綠化實(shí)物圖。3)坡面屋頂改造。坡面屋頂為頂層住戶提供一個(gè)隔熱層，同時(shí)可在坡面安裝太陽(yáng)能熱水器等。

圖1 西安某住宅外圍護(hù)結(jié)構(gòu)圖

圖2 西安某辦公建筑屋頂綠化圖

2．1．3 門窗節(jié)能改造

門窗的保溫性能也是圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能的重要環(huán)節(jié)。單層玻璃窗熱阻小，保溫性能差，可采用熱阻大的窗玻璃和窗框材料，如Low-E玻璃、中空玻璃和塑鋼窗框、斷熱鋁合金窗框等。同時(shí)西安地區(qū)的既有建筑很少考慮外窗遮陽(yáng)，因而可通過(guò)在窗戶內(nèi)外增加遮陽(yáng)，減少太陽(yáng)輻射。結(jié)合西安地區(qū)要求“冬季采光、夏季遮陽(yáng)”的氣候條件，建議采用可動(dòng)式遮陽(yáng)技術(shù)，即葉片可根據(jù)需要翻轉(zhuǎn)角度從而達(dá)到取光或遮陽(yáng)的效果，圖3為電動(dòng)式遮陽(yáng)翻板。

圖3 電動(dòng)式遮陽(yáng)翻板

2．2 空調(diào)系統(tǒng)改造

對(duì)于大型公共建筑空調(diào)系統(tǒng)主要由空調(diào)冷熱源、空調(diào)水系統(tǒng)及空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)組成。因而對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能改造主要是針對(duì)這三部分。

2．2．1 空調(diào)冷熱源

西安地區(qū)大型公共建筑空調(diào)系統(tǒng)目前存在裝機(jī)負(fù)荷偏高、空調(diào)冷水機(jī)組在部分負(fù)荷下效率低、換熱器效率低、空調(diào)制冷機(jī)組配置不合理等問題。針對(duì)既有制冷機(jī)組，可通過(guò)提高制冷機(jī)組的運(yùn)行負(fù)荷率、合理調(diào)節(jié)蒸發(fā)溫度和冷凝溫度，減少機(jī)組水側(cè)污垢熱阻等來(lái)提高制冷機(jī)組的效率。同時(shí)可考慮分布式能源系統(tǒng)和熱泵技術(shù)來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的冷熱源。西安地處渭河平原，屬于黃土高原(Loess Plateau)地貌。渭河平原的黃土高原土壤松軟，厚度達(dá)200 m～300 m，水位20 m～40 m，平均導(dǎo)熱系數(shù)約1．7 W/(m·K)，平均定容比熱容約2 200 kJ/(m3·K)，利于熱擴(kuò)散，蓄存同樣冷(熱)量需要巖土層體積小，打孔、埋管容易，因而非常適合采用土壤源熱泵空調(diào)系統(tǒng)。同時(shí)在關(guān)中平原渭河流域，地下水徑流模數(shù)在25．0 m3/(s·km2)～33 m3/(s·km2)之間，地下水比較豐富，也比較適合水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)［5］。在建筑周圍有合適的區(qū)域進(jìn)行施工布置時(shí)，結(jié)合國(guó)家配套的財(cái)政補(bǔ)貼，對(duì)西安地區(qū)既有建筑改造時(shí)可以應(yīng)用地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)。但是在地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮西安地區(qū)的冷熱負(fù)荷不平衡。

2．2．2 空調(diào)水系統(tǒng)

西安地區(qū)空調(diào)水系統(tǒng)目前存在變頻水泵使用較少，水泵額定功率高，效率普遍較低、部分空調(diào)冷凍水系統(tǒng)中管道保溫較差、冷卻塔效果差以及水力失調(diào)等問題。因而在節(jié)能改造中，應(yīng)采用變頻技術(shù)，即變流量空調(diào)系統(tǒng)，這樣在部分負(fù)荷下具有良好的節(jié)能效果。同時(shí)對(duì)冷凍水系統(tǒng)進(jìn)行保溫和清理冷卻塔的污垢等能顯著提高空調(diào)系統(tǒng)的效率。對(duì)于負(fù)荷不滿足的空調(diào)系統(tǒng)，可考慮采用大溫差小流量系統(tǒng)來(lái)滿足要求。對(duì)于空調(diào)水系統(tǒng)的水力失調(diào)改造，通常是通過(guò)安裝平衡閥來(lái)解決。在定流量系統(tǒng)中，可通過(guò)在管道系統(tǒng)中增設(shè)靜態(tài)水力平衡閥，用以解決水力失調(diào)。通常在集水器以及關(guān)鍵的垂直、水平回水支管處安裝靜態(tài)水力平衡閥。在變流量系統(tǒng)中，既要安裝靜態(tài)水力平衡閥解決靜態(tài)水力失調(diào)，又要選擇合理的動(dòng)態(tài)水力平衡設(shè)備解決動(dòng)態(tài)平衡水力失調(diào)。通常在空調(diào)水系統(tǒng)集水器回水總管、主管，以及各層支路回水管等部位安裝靜態(tài)水力平衡閥。在末端、空氣處理機(jī)、空調(diào)箱、新風(fēng)機(jī)組以及制冷機(jī)組等前安裝動(dòng)態(tài)平衡閥［6］。

2．2．3 空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)

西安地區(qū)空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)目前存在較少使用變頻泵，在過(guò)渡季節(jié)未充分利用自然通風(fēng)以及新風(fēng)量的控制不準(zhǔn)等問題。因而在節(jié)能改造時(shí)，應(yīng)采用變風(fēng)量系統(tǒng)，在部分負(fù)荷下時(shí)風(fēng)量可減少，因而能有效的降低風(fēng)機(jī)能耗。同時(shí)可對(duì)排風(fēng)冷、熱進(jìn)行回收，提高熱利用效率。同時(shí)對(duì)于新風(fēng)量的控制可通過(guò)設(shè)置CO2濃度傳感器來(lái)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制，從而可減少新風(fēng)處理能耗。

2．3 照明系統(tǒng)改造

照明設(shè)備節(jié)能是在保證合理照度標(biāo)準(zhǔn)下，力求減少照明系統(tǒng)中光能的損失使其總的耗能降到最低。西安地區(qū)既有建筑照明系統(tǒng)以白熾燈為主，少部分節(jié)能燈，且控制不合理。有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，照明設(shè)備發(fā)熱引起的空調(diào)冷負(fù)荷占總能耗可達(dá)3%～5%，因而在節(jié)能改造時(shí)也應(yīng)引起重視。通常的節(jié)能措施有以下幾種:1)充分利用自然光;2)使用節(jié)能燈，可將白熾燈換成節(jié)能燈，由于發(fā)光二極管LED在提供同等照度的情況下，其能耗只有節(jié)能燈的1/5，條件允許時(shí)，可直接應(yīng)用LED燈;3)運(yùn)用智能化的照明控制系統(tǒng)，如分區(qū)控制、感應(yīng)控制、場(chǎng)景控制以及聯(lián)動(dòng)控制等。運(yùn)用智能化控制系統(tǒng)可對(duì)照明系統(tǒng)按需求運(yùn)行，從而達(dá)到節(jié)能目的。

2．4 綠色能源技術(shù)利用

太陽(yáng)能是所有可再生能源中最重要的基本能源，據(jù)中國(guó)太陽(yáng)能資源分布可知，西北地區(qū)太陽(yáng)能資源非常豐富，全年總輻射能在5 900 MJ/(m2·年)～8 400 MJ/(m2·年)，西安的太陽(yáng)能資源較好，全年日照時(shí)數(shù)1 983．4 h～2 267．3 h，具備開發(fā)利用的基本條件。目前，西安市承擔(dān)了太陽(yáng)能在建筑中規(guī)模化應(yīng)用城市級(jí)示范，在住宅小區(qū)及大型公共建筑中采用太陽(yáng)能建筑一體化規(guī)模化供熱技術(shù)，利用太陽(yáng)能為示范建筑提供生活熱水及采暖，在將來(lái)還可光伏發(fā)電。因而在既有建筑節(jié)能改造中，也可充分利用豐富的太陽(yáng)能資源。利用太陽(yáng)能主要以光熱系統(tǒng)和光伏系統(tǒng)為主，西安冬季較寒冷，利用光熱系統(tǒng)可以提供生活熱水，還可作為室內(nèi)采暖熱源。如果公共建筑屋頂面積較大，利用光電系統(tǒng)還可以提供日常生活用電，因而光電系統(tǒng)還可以緩解用電緊張。但是在節(jié)能改造中，注意家用熱水器的安裝位置，避免樓層雜亂無(wú)章，同時(shí)在安裝時(shí)還應(yīng)注意保護(hù)樓面的防水層和保溫層。同時(shí)西安冬季較冷，1月平均氣溫－0．3℃ ～－1．3℃，月平均最低氣溫在－4℃左右。因此，必須考慮屋頂太陽(yáng)能設(shè)備的冬季防凍問題，盡量采用可防凍的平板集熱器。西安多風(fēng)沙，灰塵容易積結(jié)在設(shè)備上，為了保證太陽(yáng)能設(shè)備的吸收轉(zhuǎn)化效率，應(yīng)該定期對(duì)設(shè)備進(jìn)行清潔除塵。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本文分析，為西安地區(qū)的既有建筑節(jié)能改造提供了技術(shù)要點(diǎn)和措施。但是既有建筑節(jié)能改造是一項(xiàng)長(zhǎng)期工程，不僅需要科學(xué)技術(shù)的支持，還需要國(guó)家政策法規(guī)的完善、全體民眾的廣泛配合以及改造后的優(yōu)化合理運(yùn)行等。通過(guò)以上措施的不斷完善，對(duì)我國(guó)建筑的節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

［1］ 徐 偉，鄭瑞澄，路 賓．中國(guó)太陽(yáng)能建筑應(yīng)用發(fā)展研究報(bào)告［R］．北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2009．

［2］ 趙西平，王景芹，呂 瑋，等．寒冷地區(qū)既有居住建筑能耗現(xiàn)狀分析［J］．西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，42(3):427-430．

［3］ 西安市地圖集編纂委員會(huì)．西安市地圖集［M］．西安:西安地圖出版社，1989．

［4］ 趙西平，祖 寧，羅屹立．西安市某兩戶住宅冬季熱工性能對(duì)比［J］．山東建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，23(6):23-24．

［5］ 張 道，曹 琦．淺論陜西省水文地質(zhì)構(gòu)造及其適合的地源熱泵形式［J］．制冷與空調(diào)，2010，10(2):14-17．

［6］ 張 璐．空調(diào)水系統(tǒng)水力失調(diào)的解決途徑［J］．吉林建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，23(2):49-51．