夏热冬冷地区住宅建筑节能改造技术研究

石心刚 温 旺 潘志信 贾玉贵 邓大鹏 冀卫兴

1.河北建筑工程学院;2.唐山市政府投资工程建设管理中心

1 夏热冬冷地区既有气候特征

按照我国建筑热工分区,地处我国中部的长江流域及其周围广大地区,属“夏热冬冷”地区.又由于其处于我国北方寒冷地区与南方炎热地区之间,也称为“过渡地区”.

夏热冬冷地区最显著的气候特征是冬冷夏热,四季分明,但冬夏时间长、湿度大,夏季闷热,冬季湿冷,气温的日差较小,年降水量大,日照偏少.春末夏初多阴雨天气,常有大雨和暴雨出现,夏热冬冷地区春秋两季各约2个月,冬、夏各约4个月.多数地方高于35℃的酷热天气有半个月至一个月之多,最热月14时的平均温度达32℃～33℃,最低气温也超过28℃.白天炎热;夜间静风率高,白天积蓄的热量难以散发,气温仍然居高不下.冬季强大的寒潮到此地区后,受到南岭和东南丘陵的阻挡,使冷空气滞留,因而寒冷时间较长特别是1月份平均气温比世界上同纬度其他地区一般要低8℃～10℃,是世界上同纬度冬季最寒冷的地区.夏热冬冷地区又是一个水网地带,冬夏季节空气相对湿度大,多在70%左右,夏季湿热,冬季湿冷,极不舒适.

2 夏热冬冷地区建筑热工特性及能耗状况

2.1 建筑热工特性

夏热冬冷地区的多层建筑外墙多年一直沿用240 mm厚实心粘土砖,其传热系数K值为2.0 W/ (m2·K),即使采用其他墙体材料,也以240 mm厚砖墙作为参照对象,不作任何保温隔热措施.有些地方采用空心粘土砖,其保温隔热性能稍好;有的地方采用页岩砖、灰砂砖等非粘土砖,其强度比粘土砖高,但保温隔热性能较差.

在窗户方面,普遍采用单层玻璃金属窗,建筑外遮阳措施较少.单层玻璃金属窗的保温隔热性能很差,夏季在无遮阳措施的情况下,大量太阳热辐射经窗户进入室内;冬季冷空气渗透严重.随着商品房进入市场,有些住宅设计为了建筑立面效果,窗墙比还有增大的趋势,这无疑会使室内热环境更差.在屋面方面,以平屋顶为主,其保温隔热性能比墙体还差,架空屋顶采用较多,但只对夏季隔热有一定效果.近年来,随着我国经济的高速增长,该地区的城镇居民纷纷采取措施,自行解决住宅冬夏季的室内热环境问题,夏季空调冬季采暖成了一种很普遍的现象.

2.2 建筑能耗状况

多年以来,夏热冬冷地区大多数建筑普遍没有采暖和降温措施,随着生活水平的提高,居民普遍采用空调降温,电暖器采暖,能效比极低,能源浪费很大,造成建筑能耗急剧增长.然而,由于建筑物本身的保温隔热性能没有改变,居住环境改善的程度很有限.另一方面,长期以来由于经济和历史原因,夏热冬冷地区既有建筑绝大多数未按建筑节能要求设计建造,属高能耗建筑,室内环境质量达不到最低的舒适度要求.在冬夏季供热和空调使用高峰期其用电量可达到总用电量的40%左右.据有关资料预测,若不采取有效的节能措施,未来中国夏热冬冷地区住宅为了达到热舒适要求,空调用电负荷夏季为0.8亿kW,冬季为2亿kW,全年耗电量为2240亿kWh,三峡电厂的年发电量为847亿kWh.因此,为了满足长江流域地区住宅热环境的要求,需约3座三峡电厂的年发电量.

3 外墙节能的改造

在我国夏热冬冷地区,夏季高温持续时间长,太阳辐射照度大,国家标准对该地区建筑物的热工设计要求是“必须满足夏季防热要求,适当兼顾冬季保温”.外墙外保温技术体系把保温层放在墙体外侧,由于保温材料热阻很大,可有效阻止夏季室外热流进入墙体,从而有效的降低墙体的内表面温度,达到改善室内热环境并节约空调或取暖耗能的目的.因此,夏热冬冷地区应积极采用并推广墙体外保温技术.

3.1 选择外墙外保温改造方案

减少外墙传热有两种方法:其一是严格控制体型系数,减少传热面积.其二是增强外墙体的保温、隔热性能.对于夏热冬冷地区既有住宅建筑,宜采用第二种方法.工程实践证明,外墙的外保温隔热与外墙内保温隔热相比,在保温隔热性能、减少冷桥、减少结露及施工干扰方面有着较大优势.因此夏热冬冷地区既有住宅建筑节能改造,选用外墙外保温为最佳方案.

膨胀聚苯板薄抹灰外墙外保温系统,胶粉聚苯颗粒外墙外保温系统和聚合物保温砂浆外墙外保温系统是当前我国夏热冬冷地区建筑节能所广泛使用的主流外墙外保温系统.

采用外墙外保温改造技术,应注意改造的施工保护、墙面基层清理、基层界面的处理,保温隔热层施工时要设置伸缩缝,最后做好面层的施工.

3.2 设置热流阻尼区

把过去的开敞式楼梯间改造为封闭式,楼梯间设窗,北向单元入口改设门斗,避免了冬季西北风灌入.夏热冬冷地区既有住宅建筑的住宅屋面上人孔一般设计在楼梯间顶部,由于上人孔设计不当,常形成似烟囱的通风口,造成冬季热量损失.需要对屋面上人孔进行密封处理,使整个楼梯间形成一个温度阻尼区,增强了住宅外围护结构保温、隔热性能.

4 屋面改造

夏热冬冷地区既有屋面热工性能普遍较差,特别是对顶层房间的影响较大.住宅建筑屋面情况较复杂,当传热系数明显超过规定限值时,则要对屋面进行改造.

4.1 平屋顶架设空保温层

此方法用于女儿墙高度较低且房间进深较小的建筑.采用保温材料,上设防水层,上铺预制混凝土架空板.

4.2 平屋顶改造成坡屋顶

坡屋顶应设通风换气口,一般换气口面积最好能占顶棚面积的1/300以上.将坡屋顶的通风口做成可启闭的,能够兼顾冬季保温和夏季隔热,夏季开窗,便于通风;冬季关闭,以利保温,适合夏热冬冷地区既有住宅建筑.

5 窗户节能改造

在建筑围护结构总能耗中,建筑门窗的能耗占到了总体能耗的49%,门窗作为建筑物保温性能最为薄弱的部分,作为建筑物的表面维护之一,直接影响到建筑物的节能性能.夏热冬冷地区的传统门窗材料是单层玻璃钢窗,传热系数K值分别为6.4 W/(m2·K),这种类型的门窗气密性较差,保温隔热性能普遍较差,造成室内热环境极差,节能门窗的推广使用是夏热冬冷地区建筑节能工作的重要内容.夏热冬冷各省市已在新型节能门窗成套应用技术,低辐射玻璃(又称LOW-e玻璃)、高性能中空玻璃和其它节能玻璃产品的开发与工程应用,窗玻璃性能数据库,窗户外遮阳产品的开发和工程应用等方面有了较快的发展.

6 采暖节能技术改造措施

对住宅建筑节能改造,必须同时对已经布置和实行了采暖的部分地区的采暖系统加以改造,否则会出现过热现象,采暖能耗没有得到节约.对供热系统的热源、热网和热用户同时进行技术改造,并实现热计量收费.

6.1 热源及室外供热管道系统改造

对夏热冬冷地区既有住宅建筑围护结构节能改造的同时,对采暖系统也加以改造.针对夏热冬冷地区既有住宅特点,对供热系统的热源、热网进行技术改造,并实现热计量收费.

(1)实行区域供热,其热源应为热电联产

对于小型分散、效率不高的锅炉,要进行连片改造,以克服对环境造成的污染,做到集中高效.

(2)对夏热冬冷地区既有住宅热源改造,包括高效锅炉、换热器及现代化控制设备的采用.如加装燃煤计量装置、分层给煤装置,采用有效的节煤燃烧措施;对鼓风机、引风机加装变频器,控制风煤比,尽量利用烟气剩余热量.采用变频调速的补水定压方式,对于锅炉、分水缸、集水缸、循环水泵进出口均设压力表、温度计,以实现量化管理和自动控制.

(3)对于各类循环水泵,要求高效、节能、低噪,同时加装变频器,实现自动调节.

对于一个系统,要保证水泵流量与系统负荷匹配,并考虑分阶段调节流量的因素.例如初寒期、末寒期的热负荷要低于寒冬期,相应的循环流量可以减小.

(4)对夏热冬冷地区要采用连续供暖,并根据室外温度变化实时调节

连续供暖一方面可以避免和减少对锅炉频繁的压火和挑火,以提高运行效率,降低能耗;另一方面散热面积可不考虑间歇因素的影响,从而减小管道流量,降低初期投资和日常运行费用;对热网进行改造,包括对管道保温、水力平衡设备及温度补偿器的应用.

6.2 室内采暖系统改造

(1)安装分户热表

按户分环、控制阀出户,分户计量,按量计费.室内采暖系统可采用单管水平串联式、双管并联式等能够实现分户控制、经济、可靠、节能、卫生、技术先进的系统形式.

(2)分室、分户温控

根据室温自动调节流量,在夜间、无人时使能耗处于最低状态.在散热器入口、出口安装恒温调节阀,实施感温器和程控器联动,以实现温度的控制.

(3)取消高点集气罐,采用自动排气阀,可以减少系统丢水现象.

在自动排气阀上游设关闭阀,以方便检修;并装设过滤器,以减少故障.

(4)对于干管、立管、支管进行详细的阻力计算,以使各并联环路达到水力平衡.

7 结 论

夏热冬冷地区要采用合理的建筑节能技术措施,保证建筑外维护结构的保温隔热等热工特性,夏热冬冷地区应积极采用并推广墙体外保温技术和节能门窗的推广使用,并且要根据夏热冬冷地区既有住宅特点,对供热系统的热源、热网进行技术改造,实现热计量收费.

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