既有公共建筑采暖节能改造研究

沈虹秀等

摘 要：本项目以构建节约型绿色社会为背景，从人们日益改善的生活需求出发，通过对杭州地区较典型的公共建筑采暖方式调研，深入了解其建筑维护结构采暖效果的作用以及采暖技术。以典型既有建筑围护结构及各采暖方式为例进行技术经济分析，结合杭州独特的地理、气候环境，对杭州市既有建筑的采暖节能改造提出科学可行的建议。

关键词：公共建筑；采暖方式；经济技术分析；节能

1 研究背景

长三角地区是否集中供暖已成为社会的焦点话题，处于夏热冬冷地的长三角地区民众冬季采暖需求实际是迫切的。上海南京等地区目前是建筑采暖研究的热点城市，而同处长三角地区的杭州相关研究工作偏少。曹斌等在对北京和上海两个城市的住宅建筑冬季室内热环境及人体热适应性研究中发现，在相同室内温度下，上海住户对室内温度的期望值较北京住户低，对室内偏冷环境具有更强的适应能力；余娟等在同样的研究中发现在北京使受试者达到同一热感觉的室内环境温度要比在上海高2.5℃左右。可见，不同地区的居民对室内的热感觉不同，杭州居民也会有不同于其他地区住户的热感觉，但杭州地区目前的采暖现状、现有采暖方式的经济性、杭州地区采暖可利用的特有自然条件、哪些新型采暖方式值得推广等研究都是缺乏的。因此，我们小组提出课题，结合杭州实际情况，对杭州地区现采暖的必要性，已有采暖的可行性，经济性进行全方面研究。

2 杭州既有公共建筑采暖现状调研及分析

2.1 调研设计与数据采集

城市公共建筑基本为以下几种：商务办公楼、行政办公楼、金融保险中心、酒店宾馆、公共活动中心、商业中心。

实地采集信息包括：公共建筑的名称、位置、所辖城区、功能类型、建筑面积、建筑年代、窗墙比、窗是否双层、墙材质、屋顶绿化情况、采暖方式等。其中，所辖城区是指杭州主城区范围内的6区，即上城、下城、西湖、江干、拱墅和滨江（不包括萧山和余杭），这6区是分析研究的区域范围。

2.2 数据整理和分析

2.2.1 有效数据整理

对所采集的数据录入到Excel表格，筛选有效数据。6个区分别在7大类中选择5种类型，时间跨越1963到2013年，共30个样本（在统计学中一般地，样本数量大于30个的样本成为大样本）。使我们的数据样本具有在年代以及地域类型上具有一定代表性。

2.2.2 数据处理分析

2.2.2.1 建筑年代久，窗墙比值小

从采集的数据信息统计结果显示，随着建筑建设年代的临近，墙窗比基本呈现上升趋势，即越来越多公共建筑的窗体使用率在提高（与玻璃幕墙的大量使用有一定关系），在2005年之后的样本里甚至窗墙比都大于等于1：1，这可能跟我们样本选取有一定关系，但是也不难看出玻璃在建筑外墙的应用中越来越频繁，尤其是新建建筑，部分高端酒店写字楼等为了美观时尚，大量采用玻璃幕墙如杭州滨江建于2012年的中南国际大厦，为建筑的有效节能提出了巨大挑战。可见针对建筑年代较近的建筑，在冬季如何有效保持室内热能量是一个值得研究的问题，而年代久远的建筑就应该把眼光投放在墙体保温上。

2.2.2.2 屋顶绿化少

屋顶是建筑围护结构的重要组成部分，它的热工性能对建筑的温度环境有一定影响，同时屋顶是建筑的“第五立面”，它的立面效果也值得关注。屋顶绿化是一种新型的节能环保、绿色建筑屋面处理形式，不仅可提高屋面保温性能，更能有效提高城市绿化率，改善城市环境。从实地调研情况来看，杭州市公共建筑整理绿化率较小，但是仍可发现一些公共建筑有采用，包括2012年新建的下沙东东城；2000年前后建成的浙江省地质勘查局及浙江省老年活动中心等年代较久的建筑。据了解，屋顶绿化虽然在外国较为普遍，但是在中国仍存在技术和施工问题。

2.2.2.3 空调采暖多，新技术使用少

从采暖方式来看，80%的建筑仅使用或结合使用了中央空调，23.3%的建筑仅使用或结合使用了柜式（独立）空调，极少数的建筑采用新节能技术采暖如地暖、地源热泵、太阳能等，不同的采暖方式对建筑环境、天气情况、地质等有要求，也通常结合建筑需要已经相应的预算来决定。

总的来说，杭州既有的公共建筑的节能措施有待改进，可以从维护结构和采暖方式上着手，以下既有建筑的改进就从以上两个方面进行分析。

3 公共建筑维护结构改造技术

3.1 外墙节能改造技术

外墙的保温系统主要包括内保温系统和外保温系统。内保温系统在欧洲的一些国家应用较多，它作法简单，造价较低，且技术成熟。但也存在明显缺陷：建筑物使用面积减少；对既有建筑的改造需拆除内部装修，增加拆除及重装成本；内保温结构会导致内外墙出现两个温度场，建筑物结构不稳定，保温层易出现裂缝。

外保温系统则可以规避内保温系统的缺点，但是容易引起火灾，对保温材料的防火性能要求极高，通过时我国颁布的各种政策对外保温的使用有限制。

结合内外保温系统的优缺点，国家对外保温系统的推广，现在公共建筑的保温系统的使用情况以及内外保温系统在既有建筑改造的适用性等方面来考虑。选择外墙的外保温改造能获得更大的经济效益。

3.2 窗体节能改造技术

在杭州地区公共建筑普遍使用的节能改造方法是将玻璃改成双层中空玻璃窗（前面数据显示公共建筑中使用双层中空玻璃的比例为14：15）。更改窗体后的节能效果明显，但是更改窗体初始投资大，应在计算能耗节省和改造成本的评估后进行。

在不能大面积更改窗体的基础上修缮窗体，窗主体传热系数不能大幅改善，可通过修缮增加窗体气密性，减少不必要的冷风渗入，如在窗框与窗扇之间加上高效保温气密性材料（矿棉、玻璃棉、橡胶条）。但是该方法影响因素较多，产生影响较多，且保温效果不是很好。结合杭州地区公共建筑窗体节能改造的常用手法以及节能改造后能耗节省的效果的考虑，更换双层中空玻璃具有更好的效益以及适用性。

3.3 屋顶的节能改造

屋面节能技术是指改善屋面的热工性能阻止热量传递，有加贴绝热反射膜、架空通风屋面、蓄水屋面、坡屋面、绿化屋面等类型。

杭州地区公共建筑的屋顶主要为平屋顶，可采用绿化屋面的形式。绿化屋面节能环保能改善城市景观，存在隐性效益，需考虑屋顶承重能力，屋面防水方面技术性强，其他部分的施工技术较成熟，但仍鼓励屋顶绿化进行节能改造。

4 公共建筑采暖方式

4.1 几类采暖设备比较分析

我们下文具体分析对比中央空调、地暖、地源热泵三类采暖方式的采暖原理和优缺点比较。

4.1.1 中央空调采暖

4.1.1.1 工作原理

中央空调系统制热通过电动四通阀的转换，将经过压缩机压缩的高温高压液体直接进入室内机冷凝器（室内机由制冷转为制热，功能由蒸发器转为冷凝器）、释放出大量的热量由风扇排放到室内，吸收室内的冷空气；系统制冷剂经膨胀阀节流后通过室外机蒸发器由液体转换为气体，将在室内机吸收的冷空气经室外机蒸发器和风扇将冷空气排到室外，制冷剂通过管道回到压缩机吸气端。通过循环达到制热目的。

4.1.1.2 优劣势

初始投资较小，施工难度较小，国内该项施工经验丰富，但是运行费用较高，对外部环境会造成一定的污染破坏，运行声音大，且体感干燥。

4.1.2 地板辐射采暖

4.1.2.1 工作原理

地暖以不高于60℃的低温水作为热媒，使其科学分布于地面层下的热水盘管，均匀辐射加热整个地面，并以整个地面为散热面，利用地面自身的蓄热量向房间各个角度辐射热量，来达到取暖的目的。

4.1.2.2 优势

地板辐射使人“温足凉顶”，体感良好。地面蓄热量大，室内温度变化缓慢，热稳定性好；热媒低温输送，输送过程热损失小，节能效果好；铺在地下，利于屋内装修和家具布置，节约室内使用面积同时隐藏在地下稳定性好、不腐蚀，免除挖开地面维修的烦恼，如正常使用无人为破坏，地暖系统使用寿命长达50年以上；由于地暖的热源设备是壁挂炉，可充分利用低温热水资源，运行费用低。

4.1.2.3 劣势

采用加热的方式有煤炭、太阳能、电等，煤炭会造成环境污染，太阳能来源不够持续稳定，电能消耗较大。由于地暖铺设占用3-8厘米层高，人会感到压抑。由于地暖采暖时，地面会达到一定的温度，所以地面铺设有限制。

4.1.3 地源热泵采暖

4.1.3.1 工作原理

地源热泵系统在制热状态下，地源热泵机组内的压缩机对冷媒做功，通过四通阀将冷媒流动方向换向。由室外地能换热系统吸收地下水或土壤里的热量，通过水源热泵机组系统内冷媒的蒸发，将水路循环中的热量吸收至冷媒中，在冷媒循环的同时再通过冷媒/空气热交换器内冷媒的冷凝，由空气循环将冷媒所携带的热量吸收。在地下的热量不断转移至室内的过程中，以室内采暖空调末端系统向室内供暖。

4.1.3.2 优点

（1）绿色环保，利用少量电能作为驱动力，汲取储存在大地的太阳能取暖。（2）寿命长，地下水或深层土壤温度恒定，地源热泵机组运行稳定。（3）安全性能高，系统机组无直接对外散热风扇，不会对人造成意外伤害。（4）占地面积小，约为传统空调的三分之一。（5）运行安静。

4.1.3.3 劣势

地源热泵对施工区域有要求如建筑周围是否有充足打井空间，地下土壤是否适合打井等，当地政府政策限制也会影响如上海地区禁止开采地下水之类。另外初投资较高，一般设备价格都占到整个工程的30%不到，大部分费用都用在了施工上面。最重要的是对工艺要求高，国内安装经验不够成熟，会影响使用效果。

综上分析，三者的前期投入从低到高依次是中央空调、地暖、地源热泵，但是在后期的运营上，单位建筑面积的花费顺序是颠倒的，所以仅从这两个方面来看，前者符合短期的以及初期预算较小的采暖，后者从长远来说是经济性强的，通过几年的运行可以将初期多投资的通过运营费用的减少来折算，并在后期一直维持经济节能环保的状态，以下将以中央空调和地源热泵做经济分析，用数据说明初期投入和运营费用的关系。同时在国家的绿色环保的口号下，节能环保无疑是以后的建筑趋势，政府也用政策积极引导（背景里有说明）另外不得不提的是，从体感上来说空调和后两者有明显的差距，后两者更符合人体需要。也值得指出的是，地暖只使用于采暖，但是其他两种是适用于夏冬，地源热泵甚至可以扮演提供热水的角色。所以这三种模式，需要根据具体项目的资金、需求、环境条件等详细分析得到最佳的方案。

4.2 采暖设备经济技术分析

假定地源热泵的初始投资（折合每平米）为A，空调为B，地源热泵年每平方米实际运行成本为a，空调为b，则地源热泵相对于空调的净现金流量首次净现金流量为地源热泵相对于空调的一个额外支出-A+B，其中A>B，每年地源热泵省下的能源费用b-a就相当于一个每年等额的净现金流量收入（b>a）。其中，i取6.55%为五年以上贷款利率。（1万m2建筑配置，总冷热负荷分别为100W/m2）

动态投资回收期：在地源热泵空调和水冷机组+燃油热水锅炉比较中，在地源热泵空调和水冷机组+燃气热水锅炉比较中，在地源热泵空调和水冷机组+电热锅炉比较中，由此可知，在生活中，如果我们采取地源热泵替代水冷机组+燃油（气）热水锅炉空调，只需要4.91年（4.94年）就可以在能源消耗费用上填补初始投资的补差，在此之后，地源热泵就有耗能少的优势，使得每年的支出减少。除此之外，两者相比，地源热泵还有占地面积小、设备寿命长、年均维修维护成本少、水资源消耗少、所需管理人员少、无污染、运行安全指数高等优势。如果我们采取地源热泵替代水冷机组+电热锅炉空调，需要的时间更短，只需要2.93年就可以在能源消耗费用上填补初始投资的补差，水冷机组+电热锅炉空调的耗能费用相对是最高的，但是相对于燃油来说，无燃烧污染，电锅炉设备寿命也相对较长，所以水冷机组+电热锅炉空调和水冷机组+燃油（气）热水锅炉空调各有所长。但是地源热泵相对于水冷机组+燃油（气）热水锅炉空调的优势，在水冷机组+电热锅炉空调方面的体现，也是显而易见的。

5 结语

通过实地调研并在此基础上对几种节能改造技术以及采暖方式的可行性和经济性进行了讨论和研究。围绕建筑的围护结构和采暖方式两个方面对既有建筑采暖进行节能改造的研究，得到以下结论：

5.1 围护结构的热能消耗量占据采暖热负荷1/3以上，在同等条件下，发达国建的房屋单位面积采暖能耗不到我国的1/3，也就是说我们可以通过有效的改善围护结构的方法降低既有建筑能耗50%～65%。

5.2 围护结构的构件中，门窗对建筑节能的影响最大，在改造过程中，可对门窗进行重点设计。可从玻璃材质构造、门窗密闭性等角度进行改造并注意太阳辐射得热和保温性能两个指标。

5.3 地源热泵整体上表现出较节能环保，但是初始投资高，对施工技术、地质等有明显要求，需要对建筑进行全方位分析，结合实际情况综合考虑。

虽然地源热泵等新的技术应用有一定的限制，但是合理地分析应用也能起到预期节能效果。如浙江大学西溪校区东一教学楼即浙江大学建筑设计研究院新远楼的节能改造工程。该示范工程采用了大量的节能技术，如外保温墙体，窗户这样措施、地源热泵、太阳能热水器、光伏发电、智能照明系统、智能化控制平台等。该工程在2013年获得浙江省绿色建筑评价标识二星级。新的采暖节能方式的探索之路还应该不断继续前行，特别是对于既有建筑的节能改造具有较大潜能，本文只是初步的探索。

参考文献

[1] 曹彬，朱颖心，欧阳沁等.不同气候区住宅建筑冬季室内热环境及人体热适应性对比[J].清华大学学报（自然科学版），2012，52（4）.

[2] 余娟，欧阳沁，朱颖心，等.供暖地区与非供暖地区居民对室内偏冷环境热适应性研究：以北京与上海地区为例[J].暖通空调，2011，41（11）.

[3] 王蕾.地源热泵及辐射末端在夏热冬冷地区运行特性的实验分析研究[D].河北工程大学，2010.

[4] 王卫卫.既有居住建筑节能改造的技术经济研究[D].长安大学，2008.

[5] 阮帆.咸宁地区既有办公建筑节能改造技术措施研究[D].沈阳建筑大学，2012.

[6] 王阳.长沙地区农村住宅平屋顶节能改造综合评价研究[D].湖南大学，2013.

[7] 崔力强.邯郸市既有居住建筑窗体节能改造研究[D].河北工程大学，2007.

基金项目：该项目为浙江省新苗人才2014年立项项目、校级创新项目重点立项。