北方某城市住宅小區既有建筑節能改造實例與節能量計算分析

蔣汶岐，楊 濤，李 闖，楊飛帆

(1.唐山曹妃甸熱力有限公司，唐山 063210；2.工大科雅(唐山)能源科技有限公司，唐山 063021；3.華北理工大學冶金與能源學院，唐山 063210；4.河北工業大學能源與環境工程學院，天津 300401)

0 引 言

隨著城市化進程的加快，建筑能耗已經成為社會總能耗的重要組成部分，約占社會商品總能耗的30%左右，尤其是在控制氣候變化、改善生態環境、實現可持續發展的今天，建筑節能已經成為非常重要的工作任務之一[1-3]。對于北方地區，采暖能耗占據建筑能耗相當大的比例，是建筑節能減排的主要努力方向。以北方某城市為例，大地震后的老舊建筑仍有相當存量，采暖效果極差。2006年，唐山被選為中德技術合作“既有建筑節能改造”示范城市，經過五年既改，累計完成節能改造項目1741萬m2，起到了良好的示范與推動效果[4-6]。2014年，唐山成為河北省率先實施75%住宅建筑節能標準(四步節能)的城市之一，開始步入住宅建筑節能的新時代。

基于上述背景，文中在新一輪中德合作項目支持下，對北方某城市A小區、B小區、C小區、D小區居住建筑進行了綜合節能改造，供暖面積共計33萬m2，并對改造前后節能效果進行了測試與計算分析，旨在為進一步規模化既有居住建筑綜合節能改造工作提供有益的參考指導作用。

1 既有居住建筑節能改造

1.1 改造前建筑概況

本次改造既有居住建筑項目涉及北方某城市小區A、小區B、小區C、小區D，共4個居住小區119棟建筑，這些建筑均建于1993～2002年之間，采暖室內外設計參數分別見表1-2。四個小區總建筑面積47.87萬m2，總供暖面積33.05萬m2，見表3示。所述小區建筑均，建筑圍護結構普遍存保溫效果差、氣密性差等問題。例如，多數建筑外墻和屋面無保溫或者保溫效果差；外窗主要為單層窗，氣密性和保溫效果差；供暖系統普遍未安裝溫控閥，尚未按照計量收費甚至未實施分戶熱計量改造。

表1 寒冷地區采暖室內設計主要參數

表2 寒冷地區采暖室外設計主要參數

表3 改造小區情況列表

表4匯總了改造前住宅建筑的圍護結構主要做法和存在問題。其中，370 mm磚混結構和內澆外掛框輕結構的外墻傳熱系數分別為1.99 W/(m2·K)和2.01 W/(m2·K)，鋼筋混凝土預制板屋面傳熱系數為1.7 W/(m2·K)，外窗傳熱系數為5.73 W/(m2·K)。很顯然，這些住宅建筑圍護結構參數早已經無法滿足當前建筑節能標準的相關技術要求。

表4 改造前建筑狀況和問題總結一覽表

續表4

序號圍護結構改造前建筑狀況和存在的問題2屋頂結構形式:預制混凝土板、和現澆混凝土板2種;做法:結構層+SBS防水層,小區D和小區A的建筑有保溫層;破損程度:防水層基本完好,部分建筑后期維修過;存在的問題:大部分無保溫層,有保溫層的保溫效果較差。3外窗窗框形式:鐵窗、木窗、鋁合金、塑鋼四種,住戶的窗戶多更換成塑鋼窗,樓梯間以鐵窗為主;窗玻形式:99%為普通單層玻璃;窗戶層數:部分臥室為雙層窗戶;存在問題:窗戶更換時施工不規范,且窗戶氣密性和保溫效果較差。4單元入戶門和樓梯間存在問題:除小區D外,其它小區均沒有安裝入戶門,樓梯間全部未做外保溫。5陽臺部分建筑的陽臺和室內打通,原來的開敞式陽臺變成封閉式陽臺;存在問題:改造時施工不規范,陽臺窗的氣密性和保溫效果較差。6供暖系統系統形式:小區B,小區C,小區D 3個小區和草場街1#樓為雙管系統,已做分戶熱計量改造,其余建筑為垂直單管系統,未做分戶熱計量;散熱器:鑄鐵散熱器、鋼串片散熱器和鋼制柱形散熱器;閥門:除小區D外,其它小區供暖系統未安裝溫控閥;存在問題:供暖管道外保溫存在破損和缺失的情況,除小區D外,已做熱計量改造的小區未按照熱計量收費。

1.2 建筑節能改造做法

鑒于上述問題，本項目于2017年完成了4個小區住宅建筑圍護結構和供暖系統的節能改造，具體包括以下內容：

(1)屋面保溫及防水改造：采用140 mm厚擠塑板保溫，防水層選用4 mm SBS防水層；其中擠塑板容重為30 kg/m2，導熱系數為0.03 W/(m·K)。

(2)外墻加保溫：外墻采用120 mm厚聚苯板薄抹灰外墻保溫系統；其中聚苯板容重為20 kg/m2，導熱系數為0.0423 W/(m·K)。

(3)外窗更換：將原有窗戶更換為雙玻塑鋼窗(6中透光LOW-E+12空氣+6透明)，綜合傳熱系數2.0 W/(m·K)，門窗氣密性≥6級。

(4)外門改造：單元樓宇門采用防盜保溫門(夾芯板填充60厚聚苯板)。

(5)供暖系統改造：對未設置分戶計量的建筑，原有供暖系統的散熱器數量及尺寸不變，把原有的垂直單管系統改造為雙管系統，并加裝分戶熱計量和溫控裝置。

2 建筑節能改造效果分析

2.1 圍護結構熱工性能測試結果

表5給出了各小區典型樓棟圍護結構的平均傳熱系數測試結果，其中在連續測試期間，房間內供暖閥門保持開啟狀態，確保室內外的空氣溫差始終保持在15℃以上，各個測點室內外壁面溫度之差的平均值均高于15℃。結果表明，在當前測試條件下，改造后的建筑外墻的平均傳熱系數分布在0.46～0.81 W/(m2·K)之間，屋面的平均傳熱系數分布在0.15～0.39 W/(m2·K)之間，熱工性能得到了較為顯著的提升。此外，還以小區D為例，對建筑圍護結構的整體氣密性能進行了測試，結果見表6。可以看出，正壓測試和負壓測試結果所計算出的常壓下平均換氣次數分布在0.42 h-1～0.73 h-1。

表5 各小區典型樓棟圍護結構的平均傳熱系數

表6 小區D測試樓棟常壓下的換氣次數

2.2 室內采暖溫度測試結果

研究工作于2018年2月6日-7日分別對改造后四個小區的室內溫度效果進行了監測，在各小區隨機抽測至少3戶，分別分布在高中低不同樓層，至少連續監測24小時。圖1給出了各個小區住宅建筑不同區域的實測溫度統計數據。可以看出，測試時段內，在室外平均溫度-4.8 ℃～-3.8 ℃工況下，4個小區典型住戶室內客廳和臥室的溫度分布在20～28.6 ℃之間，平均溫度分布在23.1～25.6 ℃。就整體而言，抽測的住戶室內溫度主要分布在21～26 ℃之間，相對于改造之前的室內平均溫度14 ℃左右，顯著改善了住戶的冬季供暖室內舒適度。

圖1 測試時間段內各小區不同區域溫度統計值

3 建筑節能量計算評估

本項目住宅建筑節能改造主要涉及圍護結構節能改造和供熱系統熱計量改造，不涉及熱源和輸送系統，改造前的能耗數據和運行情況相關數據無法獲得，且圍護結構的改造不存在關停問題。因此，文中在前述圍護結構參數測試基礎上，采用TRNSYS軟件模擬改造前后的建筑節能量，并進行后續對比分析。

為保證改造前后模擬計算工況的一致性，改造前和改造后室內溫度均設為20 ℃，建筑物內部得熱按3.8 W/m2計算。供熱熱源方面，各小區供暖熱源由唐山熱電公司提供，熱源為熱電聯產，熱源效率為0.8，熱網效率為0.92，默認改造前和改造后熱網和熱源的效率暫時不變。外界氣象參數選取北方某城市典型年逐時數據(8 760 h)，其中冬季采暖計算溫度為-9.2 ℃，采暖期為120 d，冬季日照百分率為60%。

圖2和表5給出了改造前后各小區的建筑節能量對比情況。可以看出，改造前各小區供暖峰值負荷在76.64～81.73 W/m2之間，供暖累積負荷在450 540.00 ～472 896.00 kJ/m2，累積耗熱量為612 144.00 ～642 492.00 kJ/m2，折算為標煤耗量為20.89～21.92 kgce/m2，改造前各小區供熱負荷及能耗均相近，最大峰值負荷與最小峰值負荷相差6%，最大耗煤量與最小耗煤量相差5%。主要是因為改造前各小區圍護結構熱工性能相近，負荷差別主要由建筑戶型和構造差別導致。

經過本項目圍護結構節能改造后，各小區供暖峰值負荷在32.89～36.76 W/m2之間，供暖累積負荷在160 992.00～189 540.00 kJ/m2，累積耗熱量為218 736.00 ～257 508.00 kJ/m2，折算為標煤耗量為7.46～8.79 kgce/m2。由于改造后各小區外墻和屋面的熱工性能存在一定的差異，各小區節能改造后的負荷和能耗差別也更顯著，最大峰值負荷與最小峰值負荷相差11%，最大耗煤量與最小耗煤量相差15%。此外，趙靈[7]等對北方某城市25所小區住宅建筑的通斷時間面積法熱計量采暖能耗進行了統計分析。結果表明，建筑建造年代越近，單位面積采暖能耗越低，節能效果越好，其中磚混結構的采暖能耗最低，框架結構次之，框剪結構最高，其中一步、二步、三步和四步節能建筑平均采暖能耗分別為112、103、77和49 kWh/m2。對比可知，本項目改造后的采暖能耗指標基本可以達到三步節能水平，但是距離四步節能水平尚有一定距離[8]。

本項目圍護結構節能改造后，節能效果最好的是小區A，節能率為64.3%，其次是小區B，節能率為63.9%，小區D改造后節能率為62.1%，小區C改造后節能率為58.2%，四個小區的平均節能率為62.1%。由此可見，本項目圍護結構節能改造工作，取得了比較可觀的節能效果。根據各小區典型建筑模擬結果，節能改造實施后，小區D每個供暖季可實現節能1 073.07 t標準煤，小區C可實現節能843.75 t標準煤，小區B可實現節能2 238.84 t標準煤，小區A可實現節標準煤2 199.78 t標準煤。經改造后，四個小區每個供暖季共可實現節標準煤6 355.43 t標準煤。根據國家標準《可再生能源建筑應用工程評價標準》GB/T 50801-2013中規定的節能減排環境效益評價方法，經過本次節能改造后，每個供暖季，小區D等四個小區可實現減排CO215 697.92 t，減排SO2127.11 t，減排粉塵63.55 t，減排效果顯著。

圖2 各小區節能改造效果對比圖

表5 各小區改造前和改造后的負荷及能耗計算結果統計表

續表5

項目名稱峰值負荷W/m2累積負荷kJ/m2累積耗熱量kJ/m2折標煤量kgce/m2節能率小區C211改造前76.84453132.00615636.0021.01改造后36.76189540.00257508.008.7958.2%小區B205改造前76.64452412.00614664.0020.97改造后32.89163188.00221724.007.5763.9%小區A205改造前76.95450540.00612144.0020.89改造后33.29160992.00218736.007.4664.3%

4 結束語

本項目成功對北方某城市4個小區共計33萬m2住宅供暖面積進行了節能改造。改造后，各小區建筑圍護結構熱工性能得到顯著提升，冬季累積耗熱量為218 736.00 ～257 508.00 kJ/m2，折算為標煤耗量為7.46～8.79 kgce/m2，平均節能率為62.1%，每個供暖季可實現節約標準煤6 355.43 t，減排CO215 697.92 t，減排SO2127.11 t，減排粉塵63.55 t，取得了良好的節能減排效果顯著，在北方地區具有積極的示范和推廣意義。