項(xiàng)目簡(jiǎn)介

項(xiàng)目位于天津市南開(kāi)區(qū)長(zhǎng)實(shí)道南側(cè)，為凱祥花園48，49號(hào)樓，建筑總面積578.12m2，高7.62m，主要功能為辦公，1996年設(shè)計(jì)，1998年建成，2010年進(jìn)行了節(jié)能改造，外墻（36磚墻）增加了4cm的聚苯板外保溫，外窗為塑鋼單玻推拉窗，如圖1所示。

圖1   凱祥花園48、49號(hào)樓改造前后的實(shí)景圖

改造目標(biāo)：以德國(guó)被動(dòng)房的指標(biāo)為依據(jù)，基于“被動(dòng)優(yōu)先、主動(dòng)優(yōu)化”的原則進(jìn)行綜合性能提升改造，改造前后的指標(biāo)，如表1所示：

表1 部分指標(biāo)的現(xiàn)狀值及目標(biāo)值

針對(duì)項(xiàng)目的既有建筑改造特點(diǎn)，項(xiàng)目伊始進(jìn)行了節(jié)能診斷，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，結(jié)合模擬分析，進(jìn)行了建筑布局、窗墻比、外墻外保溫、外窗及能源系統(tǒng)形式等的優(yōu)化設(shè)計(jì)；施工階段遵循被動(dòng)式建筑無(wú)熱橋、較高氣密性的原則，項(xiàng)目建成后，經(jīng)檢測(cè)，大部分指標(biāo)未達(dá)到預(yù)期值，但能耗的降低幅度巨大，到了被動(dòng)式超低能耗改造的初衷。

節(jié)能診斷

1 室內(nèi)機(jī)電系統(tǒng)概況

項(xiàng)目采暖系統(tǒng)為散熱器采暖，采暖熱源為2臺(tái)燃?xì)鉄崴疇t，單臺(tái)供熱量42kW，熱效率88%，空調(diào)為分體式空調(diào)；常規(guī)照明系統(tǒng)，開(kāi)關(guān)形式為手動(dòng)開(kāi)關(guān)控制。年耗氣總量為4800Nm³，單位面積耗氣量為16.6Nm³/（m2·a），其中年采暖耗氣量約為2463Nm³，年炊事耗氣量為2337Nm³。年總耗電量為8942kWh，單位面積耗電量為30.9kWh/（m2·a）。冬季12月~次年3月耗電量大，經(jīng)分析，主要是因?yàn)槎臼覂?nèi)溫度不足，各房間開(kāi)啟空調(diào)制熱，如圖2所示。

圖2  逐月耗電消耗

2  建筑性能檢測(cè)

對(duì)室內(nèi)溫度、濕度、CO2濃度、外墻內(nèi)表面溫度、圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能、氣密性進(jìn)行了檢測(cè)，檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，外墻的傳熱系數(shù)為0.72W/(m2·K)，傳熱系數(shù)為4.2W/(m2·K)，整個(gè)建筑物的每小時(shí)換氣次數(shù)大于17次，室內(nèi)存在明顯的冷熱橋，如圖3所示。

圖3   熱工性能檢測(cè)

經(jīng)檢測(cè)分析，目前該棟建筑存在下述問(wèn)題：

1）建筑室內(nèi)溫度及濕度無(wú)法滿(mǎn)足舒適要求，冬季部分空間溫度偏低，濕度較低。

2）熱橋現(xiàn)象明顯，冬季存在較強(qiáng)的冷輻射。

3）室內(nèi)CO2濃度在辦公時(shí)間內(nèi)，明顯過(guò)高，大于1000ppm。

4）圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能較差，外窗傳熱系數(shù)達(dá)到4.2（W/m2·K），外墻傳熱系數(shù)0.72（W/m2?K）。

5）建筑氣密性非常差，大于17次/h，導(dǎo)致過(guò)多能源消耗與室內(nèi)舒適度降低。

改造方案

基于“被動(dòng)優(yōu)先、主動(dòng)優(yōu)化”的原則進(jìn)行綜合性能提升改造，在現(xiàn)狀調(diào)研、性能檢測(cè)以及被動(dòng)房指標(biāo)的基礎(chǔ)上，通過(guò)被動(dòng)式、主動(dòng)式改造方案，經(jīng)計(jì)算機(jī)模擬輔助設(shè)計(jì)判斷建筑是否達(dá)到了被動(dòng)房績(jī)效指標(biāo)，全年提升建筑的性能，技術(shù)路線(xiàn)如圖4所示。

圖4 改造技術(shù)路線(xiàn)

1 被動(dòng)式改造

1）使用功能改造

因建筑建成時(shí)為滿(mǎn)足居住建筑的需要布置室內(nèi)空間，別墅空間分散、狹小，不利于辦公使用，因此通過(guò)調(diào)整建筑布局，保證使用功能滿(mǎn)足20人的辦公及小型會(huì)議要求。主要通過(guò)調(diào)整樓梯間的位置和48號(hào)樓車(chē)庫(kù)，形成了會(huì)議室和餐廳、接待室空間。

2）外墻/屋頂，49#，STP真空保溫板，20+20mm；48#，EPS擠塑保溫板，240mm，Kwall=0.15W/m2·K；屋頂，300mm混凝土+330mmEPS擠塑保溫板，K=0.1。

3）外窗，玻璃采用5透明+0.2V+5透明+12A+5透明low-e，窗框采用玻璃鋼（三腔56B)（20%）（K=1.8）。

4）氣密性，房屋的氣密性必須滿(mǎn)足N50≤0.6，即在室內(nèi)外壓差為50Pa的條件下，每小時(shí)換氣次數(shù)不得超過(guò)0.6次。

5）無(wú)熱橋設(shè)計(jì)，保證外保溫系統(tǒng)的連續(xù)性，避免結(jié)構(gòu)、構(gòu)造性熱橋的出現(xiàn)，小構(gòu)件處也通過(guò)絕熱墊層進(jìn)行阻隔。

6）采光優(yōu)化，設(shè)計(jì)原則為控制各房間的采光系數(shù)≥3%的面積在75%左右，在盡量利用自然采光的前提下不過(guò)度采光，目的是在最優(yōu)自然采光的基礎(chǔ)上，減少因外窗過(guò)大產(chǎn)生的建筑能耗。

8）通風(fēng)優(yōu)化，建筑室內(nèi)流線(xiàn)明顯、通暢，無(wú)明顯的氣流死區(qū)，建筑室內(nèi)具備良好的空氣質(zhì)量，其中48#和49#連接處存在渦流，改造將連廊縮至污水井處，故能夠較好的避免渦流問(wèn)題。

2 主動(dòng)式改造

1）暖通空調(diào)系統(tǒng)

48號(hào)樓——溫濕度獨(dú)立分控的變頻多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)，提高室內(nèi)機(jī)蒸發(fā)溫度，制冷能效較常規(guī)變頻多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)高約15%，減少制冷能耗，同時(shí)溶液調(diào)濕機(jī)組具備殺菌功能，可提高室內(nèi)空氣品質(zhì)。49號(hào)樓——常規(guī)變頻多聯(lián)機(jī)+高效新風(fēng)熱回收系統(tǒng)，控制靈活，減少供熱、供冷能耗約14%。新風(fēng)機(jī)組采用采用直膨式，減少用能需求，熱回收效率≥70%。

2）照明系統(tǒng)

采用高效光源+照明控制，辦公區(qū)域采用高效照明光源，手動(dòng)控制開(kāi)關(guān)；衛(wèi)生間采用高效照明光源，聲控。

3）自控及配電系統(tǒng)

設(shè)置供熱、制冷自動(dòng)控制，根據(jù)室內(nèi)溫濕度，控制冷熱源及末端設(shè)備啟停。原有配電箱設(shè)置位于公共區(qū)。缺點(diǎn)是影響室內(nèi)視覺(jué)效果，遠(yuǎn)離大用電負(fù)荷，改造中將總配電箱移至監(jiān)控室，將辦公、會(huì)議區(qū)原有熒光燈改造為L(zhǎng)ED燈盤(pán)，降低建筑照明能耗，減小熱負(fù)荷，降低空調(diào)能耗延長(zhǎng)使用壽命，減少維護(hù)量。

4）生活熱水系統(tǒng)

增設(shè)太陽(yáng)能生活熱水系統(tǒng)，太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)保證率≥60%。

5）能耗分項(xiàng)計(jì)量

設(shè)置能耗分項(xiàng)計(jì)量，單獨(dú)計(jì)量供熱、供冷、插座、生活熱水、末端設(shè)備、燃?xì)狻⒄彰髂茉聪牧俊?/span>

改造后的效果評(píng)估

1 被動(dòng)式改造效果

1）建筑物熱工缺陷檢測(cè)

于2016年1月13日早晨6～7點(diǎn)鐘無(wú)太陽(yáng)光和路燈影響時(shí)間段，采用紅外熱像儀對(duì)48、49號(hào)樓建筑物熱工缺陷進(jìn)行相關(guān)檢測(cè)，如圖5所示，依舊有一些熱橋，但較不明顯。

圖5  49 號(hào)樓室內(nèi)二層走廊南墻熱工可見(jiàn)光及

紅外對(duì)照?qǐng)D

2）圍護(hù)結(jié)構(gòu)（外墻）傳熱系數(shù)檢測(cè)

2015年12月30日～2016年01月04日現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)及后期數(shù)據(jù)計(jì)算處理，48號(hào)樓建筑外墻的傳熱系數(shù)為0.19W/(m2·K)；49號(hào)樓建筑外墻的傳熱系數(shù)為0.25W/(m2·K)。

3）48、49號(hào)樓外墻內(nèi)表面溫度、室內(nèi)溫濕度，CO2檢測(cè)

在室外最低溫度為-2.4℃的情況下，室內(nèi)外墻最不利點(diǎn)的溫度依舊超過(guò)10℃；

室內(nèi)房間溫濕度達(dá)到設(shè)計(jì)要求，辦公時(shí)間室內(nèi)溫度在20℃左右，濕度在40%以上；

CO2濃度，低于800ppm，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4）建筑物整體氣密性檢測(cè)

建筑物整體氣密性能主要測(cè)量的是整棟建筑物每小時(shí)的換氣次數(shù)，測(cè)試部位選擇了48號(hào)樓與連廊連接的入戶(hù)門(mén)位置以及49號(hào)樓入戶(hù)門(mén)的位置。檢測(cè)的兩棟建筑物均采取了關(guān)閉供暖和空調(diào)新風(fēng)系統(tǒng)的措施，由于現(xiàn)場(chǎng)條件所致，對(duì)空調(diào)通風(fēng)口、地漏口未采取進(jìn)一步密封措施，建筑物內(nèi)部的部分房間房門(mén)未開(kāi)啟。經(jīng)測(cè)試，48號(hào)樓整棟建筑物在減壓測(cè)試時(shí)，房間的換氣次數(shù)為3.09次/h；增壓測(cè)試時(shí)，房間的換氣次數(shù)為1.66次/h。49號(hào)樓整棟建筑物在減壓測(cè)試時(shí)，房間的換氣次數(shù)為2.02次/h；增壓測(cè)試時(shí)，房間的換氣次數(shù)為3.09次/h。

2 建筑總能耗分析

天津的冬季采暖期室外溫度的平均值-0.6℃，如要滿(mǎn)足“被動(dòng)式房屋”標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能的要求會(huì)高于西歐國(guó)家而低于北歐國(guó)家，所以在同樣的圍護(hù)結(jié)構(gòu)條件下，天津的熱指標(biāo)要比德國(guó)的高。經(jīng)能耗模擬分析，房間的能耗情況，如圖6所示。

經(jīng)模擬計(jì)算可知，項(xiàng)目供熱耗能指標(biāo)為11.54 kWh/m2，小于15 kWh/m2，供冷耗能指標(biāo)為16.88kWh/m2，略大于15 kWh/m2，如圖7所示。建筑能耗（折合一次能源消耗）為107.06 kWh/m2，小于德國(guó)被動(dòng)房120kWh/m2，需要注意的是，德國(guó)能耗是含著炊事和熱水的，目前本項(xiàng)目的能耗模擬不含炊事用能，廚房的熱回收，如表2所示。

建筑電耗為42.63kWh/m2，改造前為54.28kWh/m2，降低22.6%，一次能源消耗改造后為107.06kWh/m2，改造前為320.9kWh/m2，降低235%，相對(duì)于80年代初的非節(jié)能建筑，改造后的建筑節(jié)能率為71.6%，能源費(fèi)節(jié)約指標(biāo)為45.59元/m2，年節(jié)約能源費(fèi)總量2.64萬(wàn)元。

圖6  房間耗冷耗熱量、新風(fēng)及

總耗冷耗熱量指標(biāo)

圖7  用能比例  

表2  現(xiàn)狀和改造后的節(jié)能評(píng)價(jià)、能源費(fèi)用

注：上表數(shù)據(jù)未包含炊事能耗。

比較改造前、改造后、模擬值的差異如表3所示：

表3   現(xiàn)狀、模擬及運(yùn)行指標(biāo)對(duì)比表

注：上表數(shù)據(jù)未包含炊事能耗。

從表中可以看出，很多指標(biāo)并未達(dá)到設(shè)計(jì)值，與德國(guó)被動(dòng)房指標(biāo)也仍有差距，這也再一次說(shuō)明精細(xì)實(shí)施的施工工法的重要性，以及實(shí)際運(yùn)營(yíng)方式的重要性，都直接決定了數(shù)據(jù)能不能達(dá)到設(shè)計(jì)值的要求。

單位建筑面積年供熱耗熱量運(yùn)行值為18.97kWh/（m2?a），是改造前的13%，僅此一項(xiàng)年供熱量節(jié)約87%，節(jié)能潛力巨大。

單位建筑面積年供熱耗熱量運(yùn)行值為5.27kWh/（m2?a），是改造前的97%，遠(yuǎn)地低于被動(dòng)房標(biāo)準(zhǔn)15 kWh/（m2?a）的要求，這同樣與實(shí)際運(yùn)行有關(guān)，被動(dòng)房由于氣密性較好，只要室內(nèi)能夠保持在26-28℃，使用者都可以接受，使得空調(diào)開(kāi)啟時(shí)間較少，這也說(shuō)明，實(shí)際的運(yùn)行情況能耗數(shù)據(jù)的影響是巨大的，作為公共建筑，我們有條件通過(guò)物業(yè)人員來(lái)專(zhuān)業(yè)的、統(tǒng)一的管理設(shè)備的高效運(yùn)行，來(lái)盡可能的降低運(yùn)行能耗。

單位建筑面積全年一次能源消耗改造后為85.9kWh/（m2?a），小于被動(dòng)房指標(biāo)120 kWh/（m2?a），改造前為320.9kWh/（m2?a），節(jié)約比例達(dá)到73%，節(jié)能巨大，這也說(shuō)明改造確實(shí)起到了很大的作用，加強(qiáng)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫性能、氣密性、斷熱橋、遮陽(yáng)以及高效的機(jī)電設(shè)備對(duì)于能耗的節(jié)約是非常重要的。

結(jié)語(yǔ)

基于被動(dòng)房目標(biāo)的改造，首先是基于建筑本體的改造，將功能空間分區(qū)，同時(shí)減少了建筑的熱損失，通過(guò)提高建筑熱工性能，調(diào)整外窗大小，更換采暖空調(diào)系統(tǒng)等方式，實(shí)現(xiàn)了較低的能耗，但也發(fā)現(xiàn)部分問(wèn)題，如依舊存在冷熱橋，實(shí)測(cè)熱工性能與設(shè)計(jì)指標(biāo)還存在一定的差距，這也說(shuō)明，對(duì)于既有建筑的改造，設(shè)計(jì)是一個(gè)層面，施工質(zhì)量的監(jiān)管也是關(guān)乎改造性能的重要指標(biāo)。

作者單位：天津市建筑設(shè)計(jì)院