既有居住建筑被動式節能改造效果

倪海峰， 張卓奮， 張宇峰， 周志華

(1.天津生態城公屋建設有限公司， 天津 300480； 2.天津大學 環境科學與工程學院，天津 300350； 3.中國建筑科學研究院有限公司， 北京 100013)

1 概述

自1991年第一座被動房在德國建成并投入使用，到目前被動房在全球各地得到了快速發展。實踐證明，與傳統建筑相比，被動房可以節約80%～90%的供暖與制冷能耗[1]。

我國既有建筑體量大，節能水平整體落后，大量既有建筑面臨節能改造。為更好地推廣被動房在我國本土化應用，住房和城鄉建設部于2015年頒布了《被動式超低能耗綠色建筑技術導則(試行)》，為推動被動房在我國的發展提供了技術指導。

本文依據德國被動房研究所(PHI)提出的被動式節能改造(EnerPHit)標準，對天津地區某既有居住建筑的被動式節能改造效果進行計算分析。

2 被動式改造標準及規劃設計軟件

2.1 被動式改造標準

被動房是將自然通風、自然采光、太陽能輻射、室內非供暖熱源等被動式節能手段與圍護結構高效節能技術相結合的低能耗建筑。最大限度降低對主動式機械供暖和制冷系統的依賴，并提高室內環境的舒適性。被動房技術主要包括高保溫外圍護結構、氣密性構造、被動式門窗及高效新風系統。

對于既有建筑，受條件限制，節能改造(特別是被動式節能改造)難度比較大。為此，德國被動房研究所(PHI)提出被動式節能改造(EnerPHit)標準，盡可能改善既有建筑的舒適性，提高經濟性，節約能源。既有建筑被動式節能改造是否符合要求的判定標準為能源需求標準(見表1)或建筑部件標準(見表2、3)，滿足其中一組標準數據即可。表1中的氣候區是由被動房規劃設計軟件(Passive House Planning Package，PHPP)根據改造對象所在地氣候數據所確定的。N50換氣次數指室內外壓差為50 Pa條件下的換氣次數。

表3中，Kg為玻璃的傳熱系數，單位為W/(m2·K)。制冷期最大太陽能得熱量限值適用于顯熱制冷需求大于15 kW·h/(m2·a)的主動制冷的建筑，是在考慮了所有遮陽因素(例如陰影等)后通過單位面積玻璃進入建筑內的太陽能得熱量。若超出了該限值，必須采取合適的措施降低太陽能得熱量，包括活動遮陽件、遮陽挑檐、遮陽型玻璃(遮陽型玻璃僅適用于炎熱、非常炎熱這樣的純制冷氣候區)。新風系統最小熱回收效率既包括供暖期回收室內回風的余熱，也包括制冷期回收室內回風的余冷。溫熱、炎熱、非常炎熱氣候區更難實現被動房，因此未設定具體的新風系統最小熱回收效率，僅對炎熱、非常炎熱氣候區規定了最小濕回收率。

表1 能源需求標準

表2 建筑部件標準(不透明圍護結構)

2.2 被動房規劃設計軟件

被動房規劃設計軟件PHPP由德國被動房研究所開發，貫穿整個設計過程。PHPP計算表中有驗證工作表、氣候工作表、傳熱系數工作表、面積工作表、地下工作表、組件工作表、窗戶工作表、遮陽工作表、通風工作表、附加通風工作表、制冷期通風工作表及制冷機組工作表等。將所有相關信息輸入工作表后，可查看計算結果。建筑物供暖、制冷需求以月為計算單位，采用能量平衡法進行穩態計算。

表3 建筑部件標準(外窗、新風系統)

3 既有居住建筑被動式節能改造

3.1 項目概況

天津(屬于PHPP確定的寒溫地區)某既有建筑總建筑面積為1 803.48 m2，層高3 m，共6層，典型層平面布置見圖1。被動式節能改造涉及改善圍護結構絕熱性能、加強建筑氣密性、新增新風機組。

3.2 被動式節能改造

① 改善圍護結構絕熱性能

既有居住建筑按DB 29—1—2013《天津市居住建筑節能設計標準》設計。拆除建筑物原有保溫材料、外窗、外門等，并按照建筑部件標準限值進行重新設計，使用垂直百葉對建筑物南向、西向及東向窗戶進行遮陽。既有居住建筑改造前后圍護結構構造分別見表4、5。改造前后圍護結構傳熱系數及外窗遮陽系數見表6。

圖1 典型層平面布置

表5 改造后圍護結構構造

表6 改造前后圍護結構傳熱系數及外窗遮陽系數

對于不供暖地下室，其樓板與墻體接觸部位為熱橋。不僅會耗費大量能源，而且冬季有發霉的可能，因此需要進行保溫處理。不供暖地下室樓板與墻體接觸部分處理方案見圖2。使用240 mm厚XPS板對不供暖地下室樓板進行保溫，外墻保溫層延伸至樓板以下600 mm。采用熱橋線傳熱系數計算軟件Ptemp，在室外溫度-5 ℃，供暖房間室內溫度20 ℃，非供暖地下室室內溫度0 ℃條件下，對熱橋部分的溫度場進行模擬。模擬結果顯示，首層墻角位置的溫度可達到16.4 ℃，可以消除熱橋。

圖2 不供暖地下室樓板與墻體接觸部分處理方案

② 加強建筑氣密性

既有居住建筑N50換氣次數為2.26 h-1，為使改造后N50換氣次數降至0.6 h-1，氣密性改造主要針對以下3方面進行。

a.改造時使用的外門、外窗均使用經過PHI認證滿足氣密性要求的節能門窗，并在外墻與窗框間使用防水隔氣膜與防水透氣膜組成的密封系統[2-3]。

b.為保證穿墻管線位置嚴密，兼顧建筑整體保溫效果，使用巖棉板對管道與墻體間縫隙進行封堵，并在墻體兩側采用防水雨布進行防水處理。

c.外墻上的插座盒使用石膏填充并用密封膠封堵，這樣可以保證插座盒位置延續主體抹灰層連續性，防止抹灰層的中斷。

③ 新增新風機組

為防止用戶在供暖期及制冷期由于無控開窗通風導致的額外能耗，通過新增新風機組滿足室內人員新風需求。改造后，每戶采用1臺經過PHI認證的家用全熱回收新風機組，機組熱回收效率75%。

4 改造效果

① 能源需求標準

由于PHPP沒有針對天津地區的氣象參數，因此選取軟件自帶的北京地區的氣象數據(包括逐月室外溫度、地溫、太陽輻射照度等計算參數)，生活熱水用量、照明裝置功率、室內設備發熱量、人體散濕散熱量等也均來自PHPP自帶的數據庫。供暖期、制冷期室內溫度分別設定為20、25 ℃。將既有建筑功能(住宅、教育、辦公等)、結構參數、圍護結構參數等輸入PHPP，即可計算得到供暖需求、制冷+除濕需求、一次能源需求。一次能源需求包括制冷、除濕、熱水制備裝置、照明裝置、用電設備等的能源需求。

由PHPP計算得到的被動式節能改造后的供暖需求、制冷需求+除濕需求、一次能源需求與限值見表7。由表7可知，被動式節能改造后的供暖需求、一次能源需求滿足限值要求，但制冷需求比較高，主要原因為南向窗面積過大，這也是供暖需求比較低的主要原因之一。改進方向為增強夏季遮陽措施，適當減小南向外窗面積。

表7 被動式改造后的供暖需求、制冷+除濕需求、一次能源需求

② 建筑部件標準

由于地下室為不供暖地下室，因此該算例不涉及與土壤連接部分不透明圍護結構傳熱系數的判定。在計算玻璃太陽能總透射比時，玻璃傳熱系數取0.8 W/(m2·K)。建筑部件標準的判定結果見表8。

表8 建筑部件標準的判定結果

根據建筑部件標準的判定結果可知，該既有居住建筑經被動式節能改造后，符合建筑部件標準被動房標準要求。

5 結論

改造效果不滿足能源需求標準，被動式節能改造后的供暖需求、一次能源需求滿足限值要求，制冷需求超標；改造效果滿足建筑部件標準。被動式節能改造后該既有居住建筑符合被動房節能要求。