北方某城市住宅小区既有建筑节能改造实例与节能量计算分析

蒋汶岐，杨 涛，李 闯，杨飞帆

(1.唐山曹妃甸热力有限公司，唐山 063210；2.工大科雅(唐山)能源科技有限公司，唐山 063021；3.华北理工大学冶金与能源学院，唐山 063210；4.河北工业大学能源与环境工程学院，天津 300401)

0 引 言

随着城市化进程的加快，建筑能耗已经成为社会总能耗的重要组成部分，约占社会商品总能耗的30%左右，尤其是在控制气候变化、改善生态环境、实现可持续发展的今天，建筑节能已经成为非常重要的工作任务之一[1-3]。对于北方地区，采暖能耗占据建筑能耗相当大的比例，是建筑节能减排的主要努力方向。以北方某城市为例，大地震后的老旧建筑仍有相当存量，采暖效果极差。2006年，唐山被选为中德技术合作“既有建筑节能改造”示范城市，经过五年既改，累计完成节能改造项目1741万m2，起到了良好的示范与推动效果[4-6]。2014年，唐山成为河北省率先实施75%住宅建筑节能标准(四步节能)的城市之一，开始步入住宅建筑节能的新时代。

基于上述背景，文中在新一轮中德合作项目支持下，对北方某城市A小区、B小区、C小区、D小区居住建筑进行了综合节能改造，供暖面积共计33万m2，并对改造前后节能效果进行了测试与计算分析，旨在为进一步规模化既有居住建筑综合节能改造工作提供有益的参考指导作用。

1 既有居住建筑节能改造

1.1 改造前建筑概况

本次改造既有居住建筑项目涉及北方某城市小区A、小区B、小区C、小区D，共4个居住小区119栋建筑，这些建筑均建于1993～2002年之间，采暖室内外设计参数分别见表1-2。四个小区总建筑面积47.87万m2，总供暖面积33.05万m2，见表3示。所述小区建筑均，建筑围护结构普遍存保温效果差、气密性差等问题。例如，多数建筑外墙和屋面无保温或者保温效果差；外窗主要为单层窗，气密性和保温效果差；供暖系统普遍未安装温控阀，尚未按照计量收费甚至未实施分户热计量改造。

表1 寒冷地区采暖室内设计主要参数

表2 寒冷地区采暖室外设计主要参数

表3 改造小区情况列表

表4汇总了改造前住宅建筑的围护结构主要做法和存在问题。其中，370 mm砖混结构和内浇外挂框轻结构的外墙传热系数分别为1.99 W/(m2·K)和2.01 W/(m2·K)，钢筋混凝土预制板屋面传热系数为1.7 W/(m2·K)，外窗传热系数为5.73 W/(m2·K)。很显然，这些住宅建筑围护结构参数早已经无法满足当前建筑节能标准的相关技术要求。

表4 改造前建筑状况和问题总结一览表

续表4

序号围护结构改造前建筑状况和存在的问题2屋顶结构形式:预制混凝土板、和现浇混凝土板2种;做法:结构层+SBS防水层,小区D和小区A的建筑有保温层;破损程度:防水层基本完好,部分建筑后期维修过;存在的问题:大部分无保温层,有保温层的保温效果较差。3外窗窗框形式:铁窗、木窗、铝合金、塑钢四种,住户的窗户多更换成塑钢窗,楼梯间以铁窗为主;窗玻形式:99%为普通单层玻璃;窗户层数:部分卧室为双层窗户;存在问题:窗户更换时施工不规范,且窗户气密性和保温效果较差。4单元入户门和楼梯间存在问题:除小区D外,其它小区均没有安装入户门,楼梯间全部未做外保温。5阳台部分建筑的阳台和室内打通,原来的开敞式阳台变成封闭式阳台;存在问题:改造时施工不规范,阳台窗的气密性和保温效果较差。6供暖系统系统形式:小区B,小区C,小区D 3个小区和草场街1#楼为双管系统,已做分户热计量改造,其余建筑为垂直单管系统,未做分户热计量;散热器:铸铁散热器、钢串片散热器和钢制柱形散热器;阀门:除小区D外,其它小区供暖系统未安装温控阀;存在问题:供暖管道外保温存在破损和缺失的情况,除小区D外,已做热计量改造的小区未按照热计量收费。

1.2 建筑节能改造做法

鉴于上述问题，本项目于2017年完成了4个小区住宅建筑围护结构和供暖系统的节能改造，具体包括以下内容：

(1)屋面保温及防水改造：采用140 mm厚挤塑板保温，防水层选用4 mm SBS防水层；其中挤塑板容重为30 kg/m2，导热系数为0.03 W/(m·K)。

(2)外墙加保温：外墙采用120 mm厚聚苯板薄抹灰外墙保温系统；其中聚苯板容重为20 kg/m2，导热系数为0.0423 W/(m·K)。

(3)外窗更换：将原有窗户更换为双玻塑钢窗(6中透光LOW-E+12空气+6透明)，综合传热系数2.0 W/(m·K)，门窗气密性≥6级。

(4)外门改造：单元楼宇门采用防盗保温门(夹芯板填充60厚聚苯板)。

(5)供暖系统改造：对未设置分户计量的建筑，原有供暖系统的散热器数量及尺寸不变，把原有的垂直单管系统改造为双管系统，并加装分户热计量和温控装置。

2 建筑节能改造效果分析

2.1 围护结构热工性能测试结果

表5给出了各小区典型楼栋围护结构的平均传热系数测试结果，其中在连续测试期间，房间内供暖阀门保持开启状态，确保室内外的空气温差始终保持在15℃以上，各个测点室内外壁面温度之差的平均值均高于15℃。结果表明，在当前测试条件下，改造后的建筑外墙的平均传热系数分布在0.46～0.81 W/(m2·K)之间，屋面的平均传热系数分布在0.15～0.39 W/(m2·K)之间，热工性能得到了较为显著的提升。此外，还以小区D为例，对建筑围护结构的整体气密性能进行了测试，结果见表6。可以看出，正压测试和负压测试结果所计算出的常压下平均换气次数分布在0.42 h-1～0.73 h-1。

表5 各小区典型楼栋围护结构的平均传热系数

表6 小区D测试楼栋常压下的换气次数

2.2 室内采暖温度测试结果

研究工作于2018年2月6日-7日分别对改造后四个小区的室内温度效果进行了监测，在各小区随机抽测至少3户，分别分布在高中低不同楼层，至少连续监测24小时。图1给出了各个小区住宅建筑不同区域的实测温度统计数据。可以看出，测试时段内，在室外平均温度-4.8 ℃～-3.8 ℃工况下，4个小区典型住户室内客厅和卧室的温度分布在20～28.6 ℃之间，平均温度分布在23.1～25.6 ℃。就整体而言，抽测的住户室内温度主要分布在21～26 ℃之间，相对于改造之前的室内平均温度14 ℃左右，显著改善了住户的冬季供暖室内舒适度。

图1 测试时间段内各小区不同区域温度统计值

3 建筑节能量计算评估

本项目住宅建筑节能改造主要涉及围护结构节能改造和供热系统热计量改造，不涉及热源和输送系统，改造前的能耗数据和运行情况相关数据无法获得，且围护结构的改造不存在关停问题。因此，文中在前述围护结构参数测试基础上，采用TRNSYS软件模拟改造前后的建筑节能量，并进行后续对比分析。

为保证改造前后模拟计算工况的一致性，改造前和改造后室内温度均设为20 ℃，建筑物内部得热按3.8 W/m2计算。供热热源方面，各小区供暖热源由唐山热电公司提供，热源为热电联产，热源效率为0.8，热网效率为0.92，默认改造前和改造后热网和热源的效率暂时不变。外界气象参数选取北方某城市典型年逐时数据(8 760 h)，其中冬季采暖计算温度为-9.2 ℃，采暖期为120 d，冬季日照百分率为60%。

图2和表5给出了改造前后各小区的建筑节能量对比情况。可以看出，改造前各小区供暖峰值负荷在76.64～81.73 W/m2之间，供暖累积负荷在450 540.00 ～472 896.00 kJ/m2，累积耗热量为612 144.00 ～642 492.00 kJ/m2，折算为标煤耗量为20.89～21.92 kgce/m2，改造前各小区供热负荷及能耗均相近，最大峰值负荷与最小峰值负荷相差6%，最大耗煤量与最小耗煤量相差5%。主要是因为改造前各小区围护结构热工性能相近，负荷差别主要由建筑户型和构造差别导致。

经过本项目围护结构节能改造后，各小区供暖峰值负荷在32.89～36.76 W/m2之间，供暖累积负荷在160 992.00～189 540.00 kJ/m2，累积耗热量为218 736.00 ～257 508.00 kJ/m2，折算为标煤耗量为7.46～8.79 kgce/m2。由于改造后各小区外墙和屋面的热工性能存在一定的差异，各小区节能改造后的负荷和能耗差别也更显著，最大峰值负荷与最小峰值负荷相差11%，最大耗煤量与最小耗煤量相差15%。此外，赵灵[7]等对北方某城市25所小区住宅建筑的通断时间面积法热计量采暖能耗进行了统计分析。结果表明，建筑建造年代越近，单位面积采暖能耗越低，节能效果越好，其中砖混结构的采暖能耗最低，框架结构次之，框剪结构最高，其中一步、二步、三步和四步节能建筑平均采暖能耗分别为112、103、77和49 kWh/m2。对比可知，本项目改造后的采暖能耗指标基本可以达到三步节能水平，但是距离四步节能水平尚有一定距离[8]。

本项目围护结构节能改造后，节能效果最好的是小区A，节能率为64.3%，其次是小区B，节能率为63.9%，小区D改造后节能率为62.1%，小区C改造后节能率为58.2%，四个小区的平均节能率为62.1%。由此可见，本项目围护结构节能改造工作，取得了比较可观的节能效果。根据各小区典型建筑模拟结果，节能改造实施后，小区D每个供暖季可实现节能1 073.07 t标准煤，小区C可实现节能843.75 t标准煤，小区B可实现节能2 238.84 t标准煤，小区A可实现节标准煤2 199.78 t标准煤。经改造后，四个小区每个供暖季共可实现节标准煤6 355.43 t标准煤。根据国家标准《可再生能源建筑应用工程评价标准》GB/T 50801-2013中规定的节能减排环境效益评价方法，经过本次节能改造后，每个供暖季，小区D等四个小区可实现减排CO215 697.92 t，减排SO2127.11 t，减排粉尘63.55 t，减排效果显著。

图2 各小区节能改造效果对比图

表5 各小区改造前和改造后的负荷及能耗计算结果统计表

续表5

项目名称峰值负荷W/m2累积负荷kJ/m2累积耗热量kJ/m2折标煤量kgce/m2节能率小区C211改造前76.84453132.00615636.0021.01改造后36.76189540.00257508.008.7958.2%小区B205改造前76.64452412.00614664.0020.97改造后32.89163188.00221724.007.5763.9%小区A205改造前76.95450540.00612144.0020.89改造后33.29160992.00218736.007.4664.3%

4 结束语

本项目成功对北方某城市4个小区共计33万m2住宅供暖面积进行了节能改造。改造后，各小区建筑围护结构热工性能得到显著提升，冬季累积耗热量为218 736.00 ～257 508.00 kJ/m2，折算为标煤耗量为7.46～8.79 kgce/m2，平均节能率为62.1%，每个供暖季可实现节约标准煤6 355.43 t，减排CO215 697.92 t，减排SO2127.11 t，减排粉尘63.55 t，取得了良好的节能减排效果显著，在北方地区具有积极的示范和推广意义。