寒冷地区既有建筑被动式节能改造技术研究

徐双军 吕 华 白岩磊 王宣元 闫丽颖 辛全英

（1.河北科技师范学院，河北 秦皇岛 066004；2.秦皇岛市建设工程质量监督站，河北 秦皇岛 066004；3.秦皇岛经济技术开发区建设工程质量监督站，河北 秦皇岛 066004；4.秦皇岛经济技术开发区人力资源和社会保障局，河北 秦皇岛 066004）

寒冷地区既有建筑被动式节能的改造工作，不仅需要掌握相应的技术要领，还要结合其他国家的改造经验以及我国寒冷地区的实际情况。想要以现有被动式低能耗建筑节能技术为基础，进一步开展优化研究工作，就必须制定相应的改造设计策略、做出经济型分析。由于我国科学技术的快速发展，许多建筑的采暖系统已经无法满足人们的节能需求，因此改造工作的已经呈现出势在必行的趋势。除此之外，国家也在加大对既有建筑节能改造工作的扶持；在不断出台相关标准的同时，还提供了资金帮助。

1 寒冷地区既有建筑的耗能现状

1.1 寒冷地区的特征

地理特征：中国坐落于北半球，不仅拥有辽阔的幅员，还包含了各种复杂地形。由于经纬度的跨度较大，因此各个省市之间的地理风貌存在差距；在这种背景下，为了管理方面的便捷，我国建筑热工设计分区包括五种：温和地区、夏热冬暖地区。夏热冬冷地区、寒冷地区、严寒地区。其中，寒冷地区的最冷平均温度保持在0～-10 ℃之间，且一年内约有90～145 d的平均温度不超过5 ℃。

气候特征：寒冷地区不仅拥有分明的四季，还拥有大量光热资源，其年日均差位于7～14 ℃之间。除此之外，寒冷地区的冬季表现出干燥、时期长的特点；而夏季则表现出35～42 ℃的高温。

1.2 既有居住建筑耗能现状的分析

第一，既有居住建筑耗能。采暖作为北方必不可少的过冬需求，其能源消耗是十分惊人的。根据相关资料可知，我国大部分建筑已经被列入高能耗建筑的行列；虽然温度不足18 ℃的房屋只占总数的2%，但是它的采暖消耗却十分巨大。换句话说，采暖耗能与屋内温度之间不存在固定比例关系。笔者在整理资料的过程中发现，我国建筑的外围护结构存在严重的热量流失现象，无法让供热管网完成预期效能。

第二，既有居住建筑围护结构。传热系数以及门窗洞口气密性的优化，是解决建筑总能小号偏高的主要方法；前者所造成的热损失可达2/3～4/5，后者所导致的热损失约为1/5～1/3。除此之外，单框玻璃的使用、保温层的缺失等同样能够产生大量的热散失。

第三，既有居住建筑供暖系统。部分建筑仍然使用单管系统进行采暖。这种采暖系统不具备可调性，在系统散热器近端的建筑会拥有较高的温度，较远的则相反。想要改善这种不合理的供热负荷分配，首先要优化室内外的管网，然后通过分户调节的方式强化用户的节约意识。

1.3 既有建筑群的改造

围护结构的改造涉及外墙、屋面、门窗等众多内容。无论是哪一项，工作人员在设计改造内容的时候都要提高对建造年代的重视，避免其防火措施、承载力等方面出现问题。

首先，利用保暖措施优化既有居住建筑；通过主体材料与保温材料相结合的方法落实外墙的保温，降低了热量从墙体中的流失。其次，外墙保温措施，符合外墙改造需求的有外保温与内保温。虽然屋面所占比例较小，但它会对整个保温系统造成大量影响。工作人员在选择保温材料时，不仅要考虑保温效果，还要综合蓄热系数以及容重等性质。

2 被动式节能改造的方法

2.1 工作原理

我国寒冷地区的冬季室外温度一般处于18～26 ℃之间，设计方法的合理性与科学性，能够在被动式技术（太阳采暖、被动式通风等）的应用中得到体现。换句话说，建筑被动式设计原理，旨在耗能的进一步减少。

热回收的使用是指：在向室内提供新鲜空气的过程中，利用室内的高温空气与新鲜冷空气进行换热。被动式低能消耗建筑具备优秀的气密性，如果能够和热回收同步使用，能够大大地减少采暖所消耗的成本。

部分建筑仍然存在建设初期的保温问题或者传热系数问题，这些问题都会加大建筑整体的热负荷。在被动式超低能耗建筑的改造过程中，门窗与保温系统的热工性是决定建筑负荷的重点。以20 ℃的室内空气为例，既有建筑的热负荷远远大于100 W/m2且墙体的表面积只有8 ℃；而使用了被动式的低能耗建筑，其热负荷为10 W/m2且表面温度超过17 ℃。除此之外，既有建筑在加热冷空气时不仅依赖采暖设备，还会出现结露；被动式低能耗建筑无须主动采暖设备即可保持舒适的室温。

2.2 技术标准

（1）基本标准。第一，要了解室内环境的相关规定，如表1所示。第二，了解能耗负荷的规定。分析建筑能耗的组成可知，供暖约占总数的2/3。寒冷地区的冬季，其采暖需求需不超过15 kWh/（m2·a）、采暖热负荷不高于10 W/m2。除此之外，空调在夏季产生的制冷负荷同样十分关键，供暖需求的减少并不是能源节约的全部。被动方的夏季制冷需求同样不超过15 kWh/（m2·a），并且负荷需求能够保证在20 W/m2以下。第三，通风。为了提高通风换气系统的效率、进一步满足室内所需新风量的需求，可以进行高效率热回收通风系统的安装。配合高效过滤器的使用，还可以让空气质量得到保障。第四，照明遮阳。优秀的采光不仅可以降低因照明所产生的耗能，还可以让建筑在冬季获取额外的太阳热进而为减少供热消耗提供了帮助。自然采光作为被动式技术的亮点，拥有极强的灵活性，能够按照朝向的变化进行遮阳。

表1 室内环境规定

（2）设计策略。设计规划被动式房屋的过程中，一定要充分考虑各种客观因素，只有这样才能从根本上实现能源结构的完善。被动式房屋是通过自身能耗的减少实现能源利用率的增强。换句话说，想要更好地落实被动式节能改造技术，就要培养筹划与设计的大局观，保证被动式技术可以成为建筑的主线。第一，冬季保温。室内温度的提高与建筑物的散热量密不可分，而建筑物的散热量又取决于围护结构、气密性等方面。围护结构的传热系数与保温性能成正比，前者越小则后者越好，意味着从高温流向低温的热量越少。第二，夏季隔热。第三，可再生能源。由于人们环保意识的提高，可再生资源（如地源热泵、太阳能等）的运用愈发广泛。目前，我国许多研究人员已经投入到可再生资源与被动房的研究当中，具有相当可观的未来发展空间。

2.3 被动式节能的实际改造

第一，屋顶的改造。倒置式屋面、平改坡屋面、保温防水屋面的重做，这三种是常见的屋顶改造方式。笔者在对比三者的施工简易程度后认为倒置式屋面的优势更大。通过防水保温材料的重新铺设替换曾经的架空层不仅能够降低结露现象的出现频率，还能够延长防水层的寿命。除此之外，分析近几年的被动式超低能耗建筑的屋顶保温材料可知，挤塑板的使用比例更高。

第二，外门窗的改造。虽然“三玻两中空”拥有优秀的性能，能够满足被动式节能建筑对窗户的需求，但由于其高昂的造价让人望而却步。为此，节能改造工作的目标转向了“外挂或内嵌式”，在提高工作效率的同时，还不会对人们的日常造成影响。

第三，阳台。部分老旧建筑物，其阳台属于悬挑结构。为了解决该问题，笔者整理了两种措施。方案一：拆除相应的悬挑部位，然后改变外包材料，这种方法虽然降低了热桥的出现概率，但是会缩小建筑内部空间。方案二：利用砌体墙将阳台封闭起来，既不会对建筑的内部空间造成影响，还能够实现施工效率的进一步提高。

第四，地下室与地平以下部位的改造。由于地下室很少作为采暖区域出现，因此时常受到人们的忽视。当地下室不属于采暖区域时，可以将其与上层的采暖区隔离；而地下室顶板的保温或隔热能够实现这一目的。以被动式为改造标准可知，地平以下部位的保温措施通常只需做到冻土层以下。寒冷地区的冻土层，其厚度为1 m左右。

第五，气密性的改造。既有建筑被动式节能改造会减少采暖耗能，减少了散热器采暖的应用。即便如此，也要做好孔洞的预留，为风机组与空调的后期安装提供帮助。防水隔膜以及防水透气膜作为密封系统的重要组成部分，能够减少开洞所造成的麻烦。

3 结语

由于我国社会经济高速发展，寒冷地区的建筑耗能呈现出了前所未有的上升趋势。在这种大背景下，为了落实可持续发展战略，高耗能建筑的改造已经成为了核心任务。目前，我国寒冷地区既有建筑的数量众多，拥有巨大的改造潜力。资源节约型社会的建立并不是一蹴而就的，需要研究者积极探索和不断努力；笔者希望，本篇文章能够为我国建筑行业的未来发展提供帮助。