城中村建筑物集中供热改造后节能措施的研究

周 浩，刘彩霞

(包头市热力(集团)有限责任公司,内蒙古 包头 041030)

1 背景

近年来,我国北方很多城市大力清洁供热改造,对于治理雾霾和空气质量持续好转起到了积极的作用。为实现碳达峰、碳中和的环保目标,2023年根据住建部整体规划,全国各地陆续推进城中村改造工作,今后城中村的宜居改造将成为我国城市建设管理的重点。

但是,原来采用城中村多数为居民自建房屋普遍存在建设年代较为久远,没有节能措施,在集中供热运行过程中,实际耗用热量远远超过正常城市集中供热用能标准。本文结合包头市昆都仑区北沙梁城中村改造项目的实际运行情况,对比围护结构进行节能改造后可能取得的效果预测,来分析城中村清洁取暖项目的节能空间。

2 项目概况

包头市昆都仑区北沙梁南排村位于包头市北部,2019年按照昆都仑区散煤燃烧综合治理整体安排,包头市热力集团对该区域近60万m2村民建筑进行了集中供热系统改造。建设集中热力站4座,设置换热机组12套,每套换热机组按照3万m2～5万m2规模进行设计。

经过三个采暖期的运行,通过对该区域热力站运行能耗数据进行观测和统计,与城区内同一热源负责的居民用户供热的换热站能耗对比,南排村供热系统的实际运行能源消耗量远远大于其他热力站。表1为2022/2023采暖期部分热力站数据对比表。

表1 2022/2023采暖期热指标数据对比

由表1可以看出,由于南排村房屋围护结构保温性能差,门窗的严密性、保温性都比较差,布局分散,体型系数大,因此,南排村4座热力站的耗热量普遍偏大,是普通用户热力站耗热量的3倍～4倍。同时,因其建筑物蓄热能力差,且停供面积较大,在冬季室外气温和热源温度出现波动时,用户室内供热温度仍然很难达到供热要求,严重影响了热用户的供热质量,也增加了供热企业的供热服务压力,大大增加能源的消耗量。村民自建房的建筑物的外围护结构热工性能差是影响能耗的主要因素,如果将外围护结构进行节能改造,必然会实现可观的节能效果[1]。为此,我们选择典型建筑通过模拟对建筑物实施节能改造对建筑物耗热量大影响进行了测算和研究。

3 南排村居民建筑外围护结构节能改造测算方法及节能效果分析结果

南排村居民建筑,建设年代比较久远,早期的房舍多为砖混结构,多层住宅,居住用房采用370 mm黏土多孔砖制外墙,双层钢窗,外跨楼体结构;生活辅助用房采用240 mm黏土多孔砖制外墙,入户门基本采用单层木框木门。经过近30年的发展,村民的生活方式已完全改变,村民基本由务农转变为通过房屋租赁取得生活所需收入,因此,村民自建房、临建房情况普遍存在,且后期自建、续建房屋均采用240 mm黏土多孔砖制外墙,屋面仅考虑防水和简易保温措施,外窗多数居民已自行改为单框双玻塑钢窗,除房东居住的正房,其他入户门基本采用单层木框木门,房屋的热工性能更差,能耗更大[2]。

本文选取南排村目前居民典型居住用房,模拟外墙、屋面加装保温后的采暖用能消耗量,对比节能改造的效果。

3.1 保温材料特点及施工流程

目前市场上的外围护结构保温材料各有特点,主要有以下几种,详见表2。

表2 保温材料性能对比表

根据表2可以看出,保温材料各有优势和缺点。一款合适保温材料,对围护结构的节能效果、安全性、经济性都有着较大的影响。考虑到城中村房屋建设密度大、消防设施配套有限,为了保证安全,本文节能改造方案采用具有阻燃特性的憎水岩棉保温板作为节能改造测算的保温材料。

3.2 计算参考的气象资料

包头市每年10月15日至次年4月15日为采暖期,共计183 d(正常年)。

主要气象依据:采暖期室外计算平均温度:-1.9 ℃;冬季室外风速:2.3 m/s;室外采暖计算温度:-16.6 ℃;室内采暖设计温度:18 ℃。

3.3 围护结构热工性能参考数据

围护结构热工性能参考数据见表3。

表3 围护结构热工性能数据表

3.4 典型居住用房能效果测算

3.4.1 改造前用能效果测算

1)建筑围护结构条件。本文选取的典型居住用房为正房,坐北向南,建筑物大小长14.5 m,宽9.5 m,单层高度2.6 m～2.8 m,计算建筑面积551 m2,建筑物平面和立面见图1,图2。

改造前的建筑外墙结构:

1层、2层:一砖半厚(370 mm),内面抹灰砖墙。

2层、3层、4层:用户加盖房舍,采用一砖厚(240 mm),内面抹灰砖墙。

外窗:采用双玻塑料钢窗,尺寸(宽×高)为1.2 m×1.8 m。窗型为带上梁(高0.5 m)三扇两开窗。可开启部分的缝隙总长为3.9 m。

外门:单层实体木质门,尺寸(宽×高)为0.7 m×2.0 m。门型为无上梁的单扇门。可开启部分的缝隙总长为9.0 m。

顶棚:厚300 mm混凝土板,采用炉渣保温,并作沥青防水。

地面:不保温地面。K值按划分地带计算。

2)房间供暖热负荷的计算。

(1)

整个房间的围护结构传热耗热量=围护结构各部分基本耗热量的总和,采用式(2):

(2)

根据建筑物围护结构各元件尺寸和表3对应的传热系数,分别代入式(1)和式(2),得到改造前各房间围护结构传热耗热量。

在冬季室外平均风速v0=2.8 m/s下,单框双玻塑钢窗的每米缝隙的冷风渗透量L=2.88 m2/(m·h)。

西向两个窗的缝隙总长度为2×3.9=7.8 m。总的冷风渗透量V=Lln=2.88×7.8×0.4=8.99 m3/h。

1.34×1×[(18-(-19)]=123.9 W。

其中,V为冷风渗透体积流量,m3/h;Cp为空气比热,取1.005 6;ρw为空气密度,kg/m3。

南向窗修正系数为零,不考虑冷风渗透耗热量。

各房间计算热负荷=各房间围护结构传热耗热量+冷风渗透耗热量+外门冷风侵入耗热量。

3)改造前房间热负荷测算见表4。

表4 改造前典型建筑计算热负荷测算

折算成单位面积的供热计算负荷为111.4 W/m2,采暖期平均耗热量为0.985 GJ/(m2·a)。

3.4.2 改造后用能效果测算

1)改造后的建筑围护结构条件:外墙:1层、2层:一砖半厚(370 mm),内面抹灰砖墙。外挂憎水保温岩棉,厚150 mm。3层、4层:一砖厚(240 mm),内面抹灰砖墙。外挂憎水保温岩棉,厚150 mm。外窗:同改造前。外门:同改造前。顶棚:厚150 mm混凝土板。铺设憎水保温岩棉厚150 mm。地面:同改造前。

改造后,计算围护结构综合热阻R综:

保温材料本文选用憎水岩棉保温板,其传热系数0.04 W/(m2·℃),热阻为R岩棉=3.75 m2·℃/W。

a.370 mm厚度外墙改造:

R综合1=R岩棉+R墙1=3.75+0.63=4.38 m2·℃/W。

改造后墙体综合传热系数K综合1=1/R综合1=0.228 W/(m2·℃)。

b.240 mm厚度外墙改造:

R综合2=R岩棉+R墙2=3.75+0.48=4.23 m2·℃/W。

改造后墙体综合传热系数K综合2=1/R综合2=0.237 W/(m2·℃)。

c.150 mm厚度顶棚改造:

R综合3=R岩棉+R顶棚=3.75+0.26=4.01 m2·℃/W。

改造后墙体综合传热系数K综合3=1/R综合3=0.249 W/(m2·℃)。

2)改造前房间热负荷测算见表5。

表5 改造后典型建筑计算热负荷测算

折算成单位面积的供热计算负荷为31.4 W/m2,采暖期平均耗热量为0.278 GJ/(m2·a)。

3.4.3 改造后节能效果分析

经过对比测算,节能改造后建筑耗热量大幅下降,总的节热率为72%,每个房间根据位置不同节热效果存在很大差别,最低的节热率47%,3层、4层自建房由于原来的围护结构墙体较为单薄,耗热量巨大,增加外墙和屋顶保温后,耗热量效果显著降低,节热率为60%～80%,见表6[3-4]。

4 南排村建筑外围护结构节能改造经济性分析

经过对南排村典型户型节能改造前后耗热量的测算,改造后建筑物每平方米可减少供热消耗量0.707 GJ。南排村4座热力站实际供热加权面积为21.13万m2,每个采暖期可减少耗热量为14.94万GJ,按照热价为25元/GJ,折合一个采暖期可节约373.5万元,建筑每平方米采暖期可节约17.5元[5]。根据既有建筑节能改造经验,建筑物外保温改造投资造价,一般为150元/m2左右,节能改造的境内太回收期约为8.5 a。

表6 改造后房间耗热量节约量对比表

5 结论

1)随着国家“双碳战略”的实施,我国城市规划建设逐渐向控制增量、消化存量转变,城中村的宜居建设和改造将成为未来城市建设的重点。但是由于城中村居民自建房舍普遍存在建筑节能标准低、能耗高的问题,因此城中村的宜居建设对于建筑物围护结构的改造应当予以高度重视。这个问题解决不好会对我国“碳达峰”目标的实现产生影响。

2)通过测算对城中村进行节能改造可以收到十分可观的节能效果,不仅能够降低供热企业的生产成本,更能提高用户的供热质量,充分体现“以人民为中心”的思想。

3)城中村房屋建设密度大,消防设施配套有限,为了保证安全,城中村建筑节能应采用具有阻燃特性的憎水岩棉保温材料。