针对扬州老城节能改建中的被动式技术运用

陈婷 任洁 杨杭莉

针对扬州老城节能改建中的被动式技术运用

陈婷 任洁 杨杭莉

为了提高老城建筑舒适度，本文针对扬州特殊的冬冷夏热的气候条件，提出了改善建筑设计形态，采用被动式措施和相关技术，加强围护结构的保温功能、巧妙利用太阳辐射等建筑设计改良方案，既保证居住的健康和舒适，又节约建筑能耗。

一、扬州老城建筑被动式改建背景分析

扬州地处我国东南沿海地区，城市紧靠长江、大量运河支流贯穿城市内部，雨水量相对丰沛，空气湿润。大量的湿气使夏天更加闷热，冬季更加湿冷，属于典型的冬冷夏热地区。近年来随着人们经济收入普遍增加，文化水平的不断提高，人们不再满足于温饱条件下可以忍受的环境条件，追求舒适的生活环境成了现在人的迫切需要。但是长期以来，扬州老城区环境远达不到舒适的要求。于是在阴冷的冬天，加热设备兴起，各种取暖设备的普遍采用，使得能源消耗急剧上升。而炎热的夏天，人们又为了给建筑空间内部降温除湿再一次大功率的损耗能源。能源的更多损耗带来了空气的严重污染，高科技设备来改善，如此往复，恶性循环。目前扬州的南河下历史文化街区已经开始进行低能耗建筑的试应用研究，取得了较为良好的研究基础。

江苏省平均太阳总辐射量达到4749MJ/m2，根据气象站日照分析图不难看出江苏省太阳能资源分布呈现出西南到东北递升的规律。由此可见，江苏省北部地区太阳能资源开发利用优势极为显著。而扬州作为苏北地区的城市之一，全年日照时数大约为2100小时~2800小时，太阳每平方米辐射所产生的能量等同于190公斤的标准煤燃烧产生的热量。具备这样的优势，应得以很好的开发与运用。另外扬州的气候特点是典型的昼夜气温变化幅度较大，被动式太阳能建筑在这样的气候条件下能够发挥非常显著的作用。

二、被动式改建具体的实施措施

屋顶、墙体和外门窗是建筑物与外界实现热交换与热传导最活跃最敏感的部位。尤其在寒冷的冬季，其保温性能和气密性能对采暖能耗有重大影响，通过屋顶、墙体和外门窗等构建损失的能量占到80%；夏季，大量的热辐射直接进入室内，大大提高了制冷能耗。因此，屋顶、墙体和外门窗设计应该是被动式节能建筑围护结构设计的关键部位。

（一）改善屋顶形态

考虑到老城建筑大都以坡面屋顶为主、大都单门独户的自享屋顶和院落，所以在冬季考虑到的被动式取暖措施可以利用丰富的太阳能辐射来实现，在屋顶安装太阳能集热器和相当于屋内体积1/50大小的蓄水箱。太阳能集热器内设有一个太阳能预热腔，白天将通过预热腔预热过的温暖气体通过屋顶上方的进风口导入室内，在送入热风的同时，集热器将多余的热气收集并蓄存起来，通过蓄水箱蓄积热气，在夜间或阴雨天气里，将蓄积好的热水通过室内安装的循环管道系统对室内实现加热。

（二）改善墙体的材质与构造

房屋的舒适度直接由墙体的构造方式来决定，老城的原始墙体均为红砖砌筑而成，保温隔热效果不是很理想，属于明显的高能耗围护构件。

如何通过改造墙体的构造形式，选择合适厚度的墙体保温材料，实现最大程度的保温隔热效果，即为被动式改造的研究目标。在我国的北方寒冷地区，气候严寒空气干燥，冬天寒冷，夏季较为凉爽，设计外墙时多考虑保温的情况就可以了。而苏北地区属于典型的夏热冬冷地区，外墙设计应充分考虑夏季的隔热，兼顾冬季的保温。要使建筑达到冬暖夏凉的保温效果，应选择合适的外墙保温构造形式。

冬天的冷空气一般来源于西北方向，建筑北墙承受着冬季主导风向的迎风面，是最容易被冷空气侵蚀的表面，冷空气流速大，单位面积散热量明显高于其他几个方向的外墙面设计。我们在实施外墙保温隔热层的构造改造时，需首先强化北墙的保温性能，提高传热阻。提高热阻的最好方法为改变墙体的厚度，设计多厚的墙体在被动式改造过程中显得尤为关键。

我们用计算机对不同厚度的墙体维护条件下，利用主动式调温方式对产生的能耗指标实施了模拟。得出了以下曲线分析图：

从图中不难发现，随着墙体保温层的不断加厚，外墙的传热途径被阻隔，传热系数降低，供暖热负荷指标与供暖制热需求指标逐渐减小，而空调冷负荷指标几乎跟墙体的厚度无直接的关系。这是因为夏季室内显冷负荷会占到比较大的比重的缘故。在空调制冷负荷指标上，从100mm厚的聚苯板到160mm的聚苯板厚度区间中随着墙体的加厚，空调制冷负荷指标有稍微的下降，从160mm的厚度再往上则空调制冷负荷指标则再次上升。所以选择160mm厚的保温外墙比较合理。在该种墙体构造方式的设计下，供暖热负荷指标为6.6W/m2。完全符合我国住建部所规定的能耗需求指标。在选择了160mm厚度的石墨聚苯板材进行外墙改造后，各项温度指标将达到下表所示，基本满足人体舒适度需求。

（三）改善门窗的材质与构造

在采暖建筑传热热损失中，门窗与空气渗透的热损失所占比例高达48%左右，门窗传热和空气渗透大约各占50%，所以门窗的保温隔热性能和气密性对采暖能耗具有重大的影响。被动式改造过程中，选用采光高效隔热和保温性能的门窗系统显得尤为重要。通过热工模拟分析计算，选用气密性等级不低于8级、水密性等级不低于6级、抗风压性能不低于9级的外门窗，可以取得较好的保温效果。由于许多老城建筑群落的组合方式为四面房屋围合中间院落的布局方式，故可以在东南西北立面外窗上设置可以调节的升降百叶窗、使得百叶角度、高度均可以随着天气的变化进行自动的调节，配合院落植被共同减少夏季太阳辐射对室内温度产生的变化和影响。

三、改建后即将实现的效果

通过对各大主要围护构建实施了材料性能和构造方式的分析，提出了较有利的改造方案，预计实施被动式改造后将，建筑将会获得以下的温度指标，满足人们的人体自然舒适度的需求。

室内环境参数 冬季 夏季温度（℃） >18 <29相对湿度% >30 <60新风量（m2/h.人） >30噪声dB（A） 昼间<40；夜间<30温度不保证率 <10% <10%

（作者单位：扬州市职业大学土木建筑学院）

江苏省2016大学生创新项目计划《被动式建筑设计在扬州地区运用趋势研究》；项目编号：201611462021H。扬州市2016科协软科学课题项目《扬州老城改造中的建筑低能耗措施研究》；项目编号：201655。2015年扬州科技计划项目《建筑节能新技术在扬州老城区改造中的应用研究》；项目编号：YZ2015189。