北京市某既有居住建筑節(jié)能改造后的效果分析

陳 斌，鮑宇清，周 寧，代 云（北京建筑節(jié)能研究發(fā)展中心， 北京 100025）

2021 年 9 月和 10 月，中共中央和國務(wù)院先后兩次聯(lián)合發(fā)文，分別對我國碳達(dá)峰、碳中和工作和城鄉(xiāng)建設(shè)綠色發(fā)展提出意見，推動城鎮(zhèn)既有建筑的節(jié)能改造和綠色化改造成為了其中一項重要內(nèi)容。當(dāng)前我國城鎮(zhèn)既有居住建筑存量大，建筑能耗較高，而且受社會經(jīng)濟發(fā)展和氣候條件等因素的影響，不同地區(qū)的建筑能耗水平差異大，特別是受冬季采暖影響，北方采暖地區(qū)的能耗強度普遍比其他地區(qū)高。根據(jù)中國建筑節(jié)能協(xié)會測算[1]，2018 年全國建筑全壽命周期能耗總量為標(biāo)準(zhǔn)煤 21.47 億 t，占全國能源消費總量的 46.5%，建筑運行階段能耗占建筑全壽命周期能耗份額在 47% 左右，其中城鎮(zhèn)居住建筑面積 307 億 m2，運行階段能源消耗標(biāo)準(zhǔn)煤3.8 億 t，單位面積能耗為標(biāo)準(zhǔn)煤 12.38 kg/m2。

我國從 2007 年開始由北至南逐步開展既有居住建筑節(jié)能改造規(guī)?；七M(jìn)工作，取得了顯著成效。至 2018 年底，北方采暖地區(qū)已完成既有居住建筑節(jié)能改造 1.57 億 m2，夏熱冬冷地區(qū)已完成既有居住建筑節(jié)能改造 5 825 萬 m2[2]。國內(nèi)學(xué)者對既有居住建筑節(jié)能改造技術(shù)及效果開展了大量研究[3-6]，但研究內(nèi)容多側(cè)重改造技術(shù)，而對節(jié)能改造后的效果情況缺乏較全面的現(xiàn)場實測分析。因此，本文對北京市某小區(qū)的 2 棟建筑開展了多項現(xiàn)場檢測，分析節(jié)能改造后的效果。

1 工程基本情況

1.1 工程概況

改造的 2 棟建筑位于北京市海淀區(qū)某小區(qū)內(nèi)，分別為 4層的多層建筑和 20 層的高層建筑（以下簡稱為多層建筑和高層建筑），建筑的基本信息見表 1。由于建成年代早，小區(qū)的建筑未進(jìn)行節(jié)能設(shè)計，導(dǎo)致小區(qū)內(nèi)的建筑室內(nèi)熱舒適性差，且存在適老化設(shè)施不足、停車難等問題，因此在 2017年對小區(qū)實施了綜合整治并于 2018 年完工，節(jié)能改造設(shè)計執(zhí)行北京市地方標(biāo)準(zhǔn) DB 11/381—2016《既有居住建筑節(jié)能改造技術(shù)規(guī)程》。項目改造完成后在 2018 年底至 2019 年對 2 棟建筑開展相關(guān)的用能檢測工作。

表 1 建筑基本信息

1.2 節(jié)能改造技術(shù)

多層建筑和高層建筑的節(jié)能改造主要涉及外圍護(hù)結(jié)構(gòu)、供暖系統(tǒng)和公共區(qū)域照明，各部位和系統(tǒng)的節(jié)能改造技術(shù)具體見表 2。供暖系統(tǒng)改造除樓本體外還涉及小區(qū)換熱站改造。

表 2 節(jié)能改造技術(shù)

2 外墻節(jié)能性能測試與分析

2.1 外墻主斷面?zhèn)鳠嵯禂?shù)

綜合考慮測試方法和居民意愿，2019 年 1 月采用熱箱法對多層建筑的東側(cè)外墻進(jìn)行了主斷面?zhèn)鳠嵯禂?shù)現(xiàn)場測試，測試期間門窗處于關(guān)閉狀態(tài)，室內(nèi)電暖器處于持續(xù)加熱狀態(tài)，以保證室內(nèi)外溫差在 15 K 以上。經(jīng)分析，實際測試結(jié)果為 0.24 W/(m2·K)，滿足設(shè)計值 0.25 W/(m2·K)要求。通過增設(shè)外墻外保溫，圍護(hù)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了良好的保溫節(jié)能效果。

2.2 外墻熱工缺陷

建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)由于設(shè)計保溫缺失、保溫施工質(zhì)量不合格或熱橋等原因會形成局部的熱工缺陷，不僅會影響建筑節(jié)能效果和室內(nèi)熱舒適性，而且還可能給建筑帶來局部結(jié)露發(fā)霉的風(fēng)險，因此在 2019 年 1 月采用紅外熱成像儀對多層建筑和高層建筑進(jìn)行了熱工缺陷檢查。部分立面檢查結(jié)果見圖1～圖 4。由圖 1～圖 4可以看出，外墻保溫沒有明顯的熱工缺陷，但是外窗四周與洞口交接部位的熱量流失較為普遍和明顯，經(jīng)分析，可能是外窗安裝時與墻體之間的保溫和密封處理不到位，形成了較大的安裝熱橋和空氣滲透。

圖 1 多層建筑東側(cè)立面紅外熱像圖

圖 2 多層建筑北側(cè)立面紅外熱像圖

圖 3 高層建筑東側(cè)立面紅外熱像圖

圖 4 高層建筑北側(cè)立面紅外熱像圖

3 室內(nèi)溫度測試與分析

為了解改造后的室內(nèi)溫度，選取了多層建筑的甲、乙戶和高層建筑的丙戶共 3 戶 9 個不同朝向的房間進(jìn)行溫度測試，測試期間 3 戶均未入住。測試周期為 2019 年 1 月 14—15 日。測試時溫度采集儀遠(yuǎn)離采暖散熱器等熱源并避免受陽光直射。多層建筑兩戶的室內(nèi)外溫度隨時間變化的監(jiān)測結(jié)果如圖 5 所示，測試期間室外平均溫度 －0.78 ℃。從圖 5可以看出，兩戶的室內(nèi)溫度均高于 18 ℃，滿足設(shè)計要求。甲戶 3 個房間的溫度曲線基本重合，室內(nèi)溫度分布一致且波動小，且室溫總體上隨室外平均溫度的上升而逐漸升高。乙戶 3 個房間的溫度曲線則差異明顯，均比甲戶的溫度高且波動較大，其中北側(cè)臥室的平均溫度達(dá)到了 25.3 ℃，出現(xiàn)了一定的過熱現(xiàn)象，分析可能是散熱器的散熱面積與房間的供暖負(fù)荷不匹配造成。

圖 5 多層建筑溫度監(jiān)測結(jié)果

高層建筑的丙戶位于頂層，3 個房間的室內(nèi)外溫度隨時間變化的監(jiān)測結(jié)果如圖 6 所示，測試期間室外平均溫度－0.94 ℃。從圖 6 中可以看出，測試期間室外溫度變化較大，特別是 22 日之后室外日平均溫度均在 0 ℃ 以下，而室內(nèi)溫度始終在 22 ℃ 以上，說明改造后室內(nèi)具有良好的熱舒適性。丙戶臥室和餐廳的溫度較為接近且波動較小，而東南側(cè)起居室的室溫偏高，一直維持在 24 ℃ 以上，最高溫度達(dá)到了 28.75 ℃，出現(xiàn)了明顯的過熱現(xiàn)象，而且溫度呈現(xiàn)出一定的周期性波動，峰值出現(xiàn)的時間基本在下午 2 點左右，分析可能是該房間的溫度采集儀靠近外窗，受太陽輻射得熱影響較大。

圖 6 高層建筑溫度監(jiān)測結(jié)果

4 建筑能耗分析

4.1 建筑耗熱量

本小區(qū)采用集中供暖系統(tǒng)，在 2018—2019 年供暖期間測得多層建筑的 3 個單元和高層建筑高區(qū)和低區(qū)的樓前熱表數(shù)據(jù)，并在這期間采用流量計及溫度采集記錄儀進(jìn)行現(xiàn)場測量，對熱量表的數(shù)據(jù)進(jìn)行校核。由于當(dāng)年的建筑耗熱量大小受供暖氣候條件、供暖過熱的影響，不便于分析，因此對實測的建筑耗熱量按照 GB 51161—2016《民用建筑能耗標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行折算。2 棟建筑的單位面積耗熱量實測值和折算值見表 3。從表 3 可以看出，折算后 2 棟建筑的單位面積耗熱量均小于GB 51161—2016中北京市的建筑折算耗熱量指標(biāo)引導(dǎo)值 0.19 GJ/(㎡?a)，達(dá)到了 65% 節(jié)能建筑的耗熱量水平，特別是高層建筑，較引導(dǎo)值降低了 25.26%，說明改造后的節(jié)能效果明顯。

表 3 多層建筑和高層建筑測得的建筑耗熱量

4.2 居民用電量

對既有居住建筑開展節(jié)能改造不僅能提高室內(nèi)熱舒適度和降低建筑耗熱量，也能降低建筑制冷需求。本小區(qū)生活熱水采用市政熱水，制冷采用分體空調(diào)，受入戶條件限制，無法對住戶空調(diào)用電進(jìn)行單獨計量，因此本文對多層建筑和高層建筑各戶的年用電量進(jìn)行了統(tǒng)計，以了解改造后的居民用電情況，統(tǒng)計時間為 2018 年 12 月—2019 年 12 月。由于部分房屋存在未入住等因素，因此分析時剔除了年用電量＜300 kWh 的數(shù)據(jù)，得到多層建筑有效數(shù)據(jù) 19 戶，高層建筑有效數(shù)據(jù) 56 戶。2 棟建筑各戶的年用電量及每戶年平均用電量分別見圖 7 和圖 8。從圖 7 和圖 8 中可以看出，除 1 戶年用電量稍有超出外其余戶的年用電量均＜2 700 kWh/a，但具體到各戶，其年用電量差異較大，特別是高層建筑，年用電量范圍為 500～2 700 kWh/a。高層建筑的每戶年平均用電量雖然較多層建筑的低，但高層建筑如考慮電梯及水泵系統(tǒng)等公共部分用電，分?jǐn)偟矫繎舻钠骄C合電耗會＞1 994.07 kWh/a。針對多層建筑，由于公共部分用電主要為照明用電，平均每戶均攤 4 kWh 左右，因此多層建筑的每戶平均綜合電耗約為 2 133 kWh/a，小于 GB 51161—2016 規(guī)定的寒冷地區(qū)居住建筑綜合電耗指標(biāo)約束值 2 700 kWh/a。

圖 7 多層建筑年各戶用電量及每戶年平均用電量

圖 8 高層建筑各戶年用電量及每戶年平均用電量

5 結(jié) 語

本文以北京市某小區(qū)的節(jié)能改造為背景，分別選取了具有代表性的 1 棟多層建筑和 1棟高層建筑，對外墻主斷面?zhèn)鳠嵯禂?shù)、外墻熱工缺陷、室內(nèi)溫度、建筑耗熱量和居民用電量開展了節(jié)能效果實測分析。

（1）多層建筑外墻主斷面?zhèn)鳠嵯禂?shù)現(xiàn)場實際測試結(jié)果滿足設(shè)計要求，具有良好的保溫節(jié)能效果。紅外熱成像檢測結(jié)果表明建筑外墻無明顯的熱工缺陷，但是外窗四周與洞口交接部位的熱量流失較為普遍和明顯，因此在外窗安裝施工時需要注重外窗與墻體之間的保溫和密封處理。

（2）所測試的 3 戶 9 個典型房間室內(nèi)溫度均＞18 ℃，表明改造后的室內(nèi)熱舒適性良好。但同時也發(fā)現(xiàn)部分房間出現(xiàn)了過熱現(xiàn)象，因此節(jié)能改造在大幅度提高外圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能的同時應(yīng)注重對樓內(nèi)各房間供暖負(fù)荷的重新計算和對供暖系統(tǒng)的調(diào)整，避免能源浪費。

（3）在建筑能耗方面，通過一個完整供暖期的建筑耗熱量測試，2 棟建筑的單位面積耗熱量均小于 GB51161—2016 中的引導(dǎo)值，達(dá)到了 65% 節(jié)能建筑的耗熱量水平，節(jié)能效果明顯。通過對 2 棟建筑居民的年用電量進(jìn)行統(tǒng)計，可知絕大部分住戶的年用電量＜2 700 kWh/a，其中多層建筑每戶的平均綜合電耗小于 GB51161—2016 的約束值。