針對揚州老城節能改建中的被動式技術運用

陳婷 任潔 楊杭莉

針對揚州老城節能改建中的被動式技術運用

陳婷 任潔 楊杭莉

為了提高老城建筑舒適度，本文針對揚州特殊的冬冷夏熱的氣候條件，提出了改善建筑設計形態，采用被動式措施和相關技術，加強圍護結構的保溫功能、巧妙利用太陽輻射等建筑設計改良方案，既保證居住的健康和舒適，又節約建筑能耗。

一、揚州老城建筑被動式改建背景分析

揚州地處我國東南沿海地區，城市緊靠長江、大量運河支流貫穿城市內部，雨水量相對豐沛，空氣濕潤。大量的濕氣使夏天更加悶熱，冬季更加濕冷，屬于典型的冬冷夏熱地區。近年來隨著人們經濟收入普遍增加，文化水平的不斷提高，人們不再滿足于溫飽條件下可以忍受的環境條件，追求舒適的生活環境成了現在人的迫切需要。但是長期以來，揚州老城區環境遠達不到舒適的要求。于是在陰冷的冬天，加熱設備興起，各種取暖設備的普遍采用，使得能源消耗急劇上升。而炎熱的夏天，人們又為了給建筑空間內部降溫除濕再一次大功率的損耗能源。能源的更多損耗帶來了空氣的嚴重污染，高科技設備來改善，如此往復，惡性循環。目前揚州的南河下歷史文化街區已經開始進行低能耗建筑的試應用研究，取得了較為良好的研究基礎。

江蘇省平均太陽總輻射量達到4749MJ/m2，根據氣象站日照分析圖不難看出江蘇省太陽能資源分布呈現出西南到東北遞升的規律。由此可見，江蘇省北部地區太陽能資源開發利用優勢極為顯著。而揚州作為蘇北地區的城市之一，全年日照時數大約為2100小時~2800小時，太陽每平方米輻射所產生的能量等同于190公斤的標準煤燃燒產生的熱量。具備這樣的優勢，應得以很好的開發與運用。另外揚州的氣候特點是典型的晝夜氣溫變化幅度較大，被動式太陽能建筑在這樣的氣候條件下能夠發揮非常顯著的作用。

二、被動式改建具體的實施措施

屋頂、墻體和外門窗是建筑物與外界實現熱交換與熱傳導最活躍最敏感的部位。尤其在寒冷的冬季，其保溫性能和氣密性能對采暖能耗有重大影響，通過屋頂、墻體和外門窗等構建損失的能量占到80%；夏季，大量的熱輻射直接進入室內，大大提高了制冷能耗。因此，屋頂、墻體和外門窗設計應該是被動式節能建筑圍護結構設計的關鍵部位。

（一）改善屋頂形態

考慮到老城建筑大都以坡面屋頂為主、大都單門獨戶的自享屋頂和院落，所以在冬季考慮到的被動式取暖措施可以利用豐富的太陽能輻射來實現，在屋頂安裝太陽能集熱器和相當于屋內體積1/50大小的蓄水箱。太陽能集熱器內設有一個太陽能預熱腔，白天將通過預熱腔預熱過的溫暖氣體通過屋頂上方的進風口導入室內，在送入熱風的同時，集熱器將多余的熱氣收集并蓄存起來，通過蓄水箱蓄積熱氣，在夜間或陰雨天氣里，將蓄積好的熱水通過室內安裝的循環管道系統對室內實現加熱。

（二）改善墻體的材質與構造

房屋的舒適度直接由墻體的構造方式來決定，老城的原始墻體均為紅磚砌筑而成，保溫隔熱效果不是很理想，屬于明顯的高能耗圍護構件。

如何通過改造墻體的構造形式，選擇合適厚度的墻體保溫材料，實現最大程度的保溫隔熱效果，即為被動式改造的研究目標。在我國的北方寒冷地區，氣候嚴寒空氣干燥，冬天寒冷，夏季較為涼爽，設計外墻時多考慮保溫的情況就可以了。而蘇北地區屬于典型的夏熱冬冷地區，外墻設計應充分考慮夏季的隔熱，兼顧冬季的保溫。要使建筑達到冬暖夏涼的保溫效果，應選擇合適的外墻保溫構造形式。

冬天的冷空氣一般來源于西北方向，建筑北墻承受著冬季主導風向的迎風面，是最容易被冷空氣侵蝕的表面，冷空氣流速大，單位面積散熱量明顯高于其他幾個方向的外墻面設計。我們在實施外墻保溫隔熱層的構造改造時，需首先強化北墻的保溫性能，提高傳熱阻。提高熱阻的最好方法為改變墻體的厚度，設計多厚的墻體在被動式改造過程中顯得尤為關鍵。

我們用計算機對不同厚度的墻體維護條件下，利用主動式調溫方式對產生的能耗指標實施了模擬。得出了以下曲線分析圖：

從圖中不難發現，隨著墻體保溫層的不斷加厚，外墻的傳熱途徑被阻隔，傳熱系數降低，供暖熱負荷指標與供暖制熱需求指標逐漸減小，而空調冷負荷指標幾乎跟墻體的厚度無直接的關系。這是因為夏季室內顯冷負荷會占到比較大的比重的緣故。在空調制冷負荷指標上，從100mm厚的聚苯板到160mm的聚苯板厚度區間中隨著墻體的加厚，空調制冷負荷指標有稍微的下降，從160mm的厚度再往上則空調制冷負荷指標則再次上升。所以選擇160mm厚的保溫外墻比較合理。在該種墻體構造方式的設計下，供暖熱負荷指標為6.6W/m2。完全符合我國住建部所規定的能耗需求指標。在選擇了160mm厚度的石墨聚苯板材進行外墻改造后，各項溫度指標將達到下表所示，基本滿足人體舒適度需求。

（三）改善門窗的材質與構造

在采暖建筑傳熱熱損失中，門窗與空氣滲透的熱損失所占比例高達48%左右，門窗傳熱和空氣滲透大約各占50%，所以門窗的保溫隔熱性能和氣密性對采暖能耗具有重大的影響。被動式改造過程中，選用采光高效隔熱和保溫性能的門窗系統顯得尤為重要。通過熱工模擬分析計算，選用氣密性等級不低于8級、水密性等級不低于6級、抗風壓性能不低于9級的外門窗，可以取得較好的保溫效果。由于許多老城建筑群落的組合方式為四面房屋圍合中間院落的布局方式，故可以在東南西北立面外窗上設置可以調節的升降百葉窗、使得百葉角度、高度均可以隨著天氣的變化進行自動的調節，配合院落植被共同減少夏季太陽輻射對室內溫度產生的變化和影響。

三、改建后即將實現的效果

通過對各大主要圍護構建實施了材料性能和構造方式的分析，提出了較有利的改造方案，預計實施被動式改造后將，建筑將會獲得以下的溫度指標，滿足人們的人體自然舒適度的需求。

室內環境參數 冬季 夏季溫度（℃） >18 <29相對濕度% >30 <60新風量（m2/h.人） >30噪聲dB（A） 晝間<40；夜間<30溫度不保證率 <10% <10%

（作者單位：揚州市職業大學土木建筑學院）

江蘇省2016大學生創新項目計劃《被動式建筑設計在揚州地區運用趨勢研究》；項目編號：201611462021H。揚州市2016科協軟科學課題項目《揚州老城改造中的建筑低能耗措施研究》；項目編號：201655。2015年揚州科技計劃項目《建筑節能新技術在揚州老城區改造中的應用研究》；項目編號：YZ2015189。