项目简介

项目位于天津市南开区长实道南侧，为凯祥花园48，49号楼，建筑总面积578.12m²，高7.62m，主要功能为办公，1996年设计，1998年建成，2010年进行了节能改造，外墙（36砖墙）增加了4cm的聚苯板外保温，外窗为塑钢单玻推拉窗，如图1所示。

 

图1   凯祥花园48、49号楼改造前后的实景图

 

改造目标：以德国被动房的指标为依据，基于“被动优先、主动优化”的原则进行综合性能提升改造，改造前后的指标，如表1所示：

 

表1 部分指标的现状值及目标值

 

针对项目的既有建筑改造特点，项目伊始进行了节能诊断，根据检测结果，结合模拟分析，进行了建筑布局、窗墙比、外墙外保温、外窗及能源系统形式等的优化设计；施工阶段遵循被动式建筑无热桥、较高气密性的原则，项目建成后，经检测，大部分指标未达到预期值，但能耗的降低幅度巨大，到了被动式超低能耗改造的初衷。

节能诊断

1 室内机电系统概况

项目采暖系统为散热器采暖，采暖热源为2台燃气热水炉，单台供热量42kW，热效率88%，空调为分体式空调；常规照明系统，开关形式为手动开关控制。年耗气总量为4800Nm3，单位面积耗气量为16.6Nm3/（m²·a），其中年采暖耗气量约为2463Nm3，年炊事耗气量为2337Nm3。年总耗电量为8942kWh，单位面积耗电量为30.9kWh/（m²·a）。冬季12月~次年3月耗电量大，经分析，主要是因为冬季室内温度不足，各房间开启空调制热，如图2所示。

 

图2  逐月耗电消耗

2  建筑性能检测

对室内温度、湿度、CO2浓度、外墙内表面温度、围护结构的热工性能、气密性进行了检测，检测发现，外墙的传热系数为0.72W/(m²·K)，传热系数为4.2W/(m²·K)，整个建筑物的每小时换气次数大于17次，室内存在明显的冷热桥，如图3所示。

 

图3   热工性能检测

 

经检测分析，目前该栋建筑存在下述问题：

1）建筑室内温度及湿度无法满足舒适要求，冬季部分空间温度偏低，湿度较低。

2）热桥现象明显，冬季存在较强的冷辐射。

3）室内CO2浓度在办公时间内，明显过高，大于1000ppm。

4）围护结构热工性能较差，外窗传热系数达到4.2（W/m²·K），外墙传热系数0.72（W/m²•K）。

5）建筑气密性非常差，大于17次/h，导致过多能源消耗与室内舒适度降低。

 

改造方案

基于“被动优先、主动优化”的原则进行综合性能提升改造，在现状调研、性能检测以及被动房指标的基础上，通过被动式、主动式改造方案，经计算机模拟辅助设计判断建筑是否达到了被动房绩效指标，全年提升建筑的性能，技术路线如图4所示。

图4 改造技术路线

1 被动式改造

1）使用功能改造

因建筑建成时为满足居住建筑的需要布置室内空间，别墅空间分散、狭小，不利于办公使用，因此通过调整建筑布局，保证使用功能满足20人的办公及小型会议要求。主要通过调整楼梯间的位置和48号楼车库，形成了会议室和餐厅、接待室空间。

 

2）外墙/屋顶，49#，STP真空保温板，20+20mm；48#，EPS挤塑保温板，240mm，Kwall=0.15W/m²·K；屋顶，300mm混凝土+330mmEPS挤塑保温板，K=0.1。

 

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

 

4）气密性，房屋的气密性必须满足N50≤0.6，即在室内外压差为50Pa的条件下，每小时换气次数不得超过0.6次。

 

5）无热桥设计，保证外保温系统的连续性，避免结构、构造性热桥的出现，小构件处也通过绝热垫层进行阻隔。

 

6）采光优化，设计原则为控制各房间的采光系数≥3%的面积在75%左右，在尽量利用自然采光的前提下不过度采光，目的是在最优自然采光的基础上，减少因外窗过大产生的建筑能耗。

 

8）通风优化，建筑室内流线明显、通畅，无明显的气流死区，建筑室内具备良好的空气质量，其中48#和49#连接处存在涡流，改造将连廊缩至污水井处，故能够较好的避免涡流问题。

 

2 主动式改造

 

1）暖通空调系统

48号楼——温湿度独立分控的变频多联机系统，提高室内机蒸发温度，制冷能效较常规变频多联机系统高约15%，减少制冷能耗，同时溶液调湿机组具备杀菌功能，可提高室内空气品质。49号楼——常规变频多联机+高效新风热回收系统，控制灵活，减少供热、供冷能耗约14%。新风机组采用采用直膨式，减少用能需求，热回收效率≥70%。

 

2）照明系统

采用高效光源+照明控制，办公区域采用高效照明光源，手动控制开关；卫生间采用高效照明光源，声控。

 

3）自控及配电系统

设置供热、制冷自动控制，根据室内温湿度，控制冷热源及末端设备启停。原有配电箱设置位于公共区。缺点是影响室内视觉效果，远离大用电负荷，改造中将总配电箱移至监控室，将办公、会议区原有荧光灯改造为LED灯盘，降低建筑照明能耗，减小热负荷，降低空调能耗延长使用寿命，减少维护量。

 

4）生活热水系统

增设太阳能生活热水系统，太阳能热水系统保证率≥60%。

 

5）能耗分项计量

设置能耗分项计量，单独计量供热、供冷、插座、生活热水、末端设备、燃气、照明能源消耗量。

 

改造后的效果评估

 

1 被动式改造效果

1）建筑物热工缺陷检测

于2016年1月13日早晨6～7点钟无太阳光和路灯影响时间段，采用红外热像仪对48、49号楼建筑物热工缺陷进行相关检测，如图5所示，依旧有一些热桥，但较不明显。

 

图5  49 号楼室内二层走廊南墙热工可见光及红外对照图

 

2）围护结构（外墙）传热系数检测

2015年12月30日～2016年01月04日现场检测及后期数据计算处理，48号楼建筑外墙的传热系数为0.19W/(m²·K)；49号楼建筑外墙的传热系数为0.25W/(m²·K)。

 

3）48、49号楼外墙内表面温度、室内温湿度，CO2检测

在室外最低温度为-2.4℃的情况下，室内外墙最不利点的温度依旧超过10℃；

室内房间温湿度达到设计要求，办公时间室内温度在20℃左右，湿度在40%以上；

CO2浓度，低于800ppm，达到设计要求。

 

4）建筑物整体气密性检测

建筑物整体气密性能主要测量的是整栋建筑物每小时的换气次数，测试部位选择了48号楼与连廊连接的入户门位置以及49号楼入户门的位置。检测的两栋建筑物均采取了关闭供暖和空调新风系统的措施，由于现场条件所致，对空调通风口、地漏口未采取进一步密封措施，建筑物内部的部分房间房门未开启。经测试，48号楼整栋建筑物在减压测试时，房间的换气次数为3.09次/h；增压测试时，房间的换气次数为1.66次/h。49号楼整栋建筑物在减压测试时，房间的换气次数为2.02次/h；增压测试时，房间的换气次数为3.09次/h。

 

2 建筑总能耗分析

 

天津的冬季采暖期室外温度的平均值-0.6℃，如要满足“被动式房屋”标准，对建筑外围护结构性能的要求会高于西欧国家而低于北欧国家，所以在同样的围护结构条件下，天津的热指标要比德国的高。经能耗模拟分析，房间的能耗情况，如图6所示。

 

经模拟计算可知，项目供热耗能指标为11.54 kWh/m²，小于15 kWh/m²，供冷耗能指标为16.88kWh/m²，略大于15 kWh/m²，如图7所示。建筑能耗（折合一次能源消耗）为107.06 kWh/m²，小于德国被动房120kWh/m²，需要注意的是，德国能耗是含着炊事和热水的，目前本项目的能耗模拟不含炊事用能，厨房的热回收，如表2所示。

 

建筑电耗为42.63kWh/m²，改造前为54.28kWh/m²，降低22.6%，一次能源消耗改造后为107.06kWh/m²，改造前为320.9kWh/m²，降低235%，相对于80年代初的非节能建筑，改造后的建筑节能率为71.6%，能源费节约指标为45.59元/m²，年节约能源费总量2.64万元。

 

图6  房间耗冷耗热量、新风及总耗冷耗热量指标

 

图7  用能比例  

 

表2  现状和改造后的节能评价、能源费用

注：上表数据未包含炊事能耗。

 

比较改造前、改造后、模拟值的差异如表3所示：

表3   现状、模拟及运行指标对比表

注：上表数据未包含炊事能耗。

 

从表中可以看出，很多指标并未达到设计值，与德国被动房指标也仍有差距，这也再一次说明精细实施的施工工法的重要性，以及实际运营方式的重要性，都直接决定了数据能不能达到设计值的要求。

 

单位建筑面积年供热耗热量运行值为18.97kWh/（m²•a），是改造前的13%，仅此一项年供热量节约87%，节能潜力巨大。

 

单位建筑面积年供热耗热量运行值为5.27kWh/（m²•a），是改造前的97%，远地低于被动房标准15 kWh/（m²•a）的要求，这同样与实际运行有关，被动房由于气密性较好，只要室内能够保持在26-28℃，使用者都可以接受，使得空调开启时间较少，这也说明，实际的运行情况能耗数据的影响是巨大的，作为公共建筑，我们有条件通过物业人员来专业的、统一的管理设备的高效运行，来尽可能的降低运行能耗。

 

单位建筑面积全年一次能源消耗改造后为85.9kWh/（m²•a），小于被动房指标120 kWh/（m²•a），改造前为320.9kWh/（m²•a），节约比例达到73%，节能巨大，这也说明改造确实起到了很大的作用，加强外围护结构的保温性能、气密性、断热桥、遮阳以及高效的机电设备对于能耗的节约是非常重要的。

 

结语

 

基于被动房目标的改造，首先是基于建筑本体的改造，将功能空间分区，同时减少了建筑的热损失，通过提高建筑热工性能，调整外窗大小，更换采暖空调系统等方式，实现了较低的能耗，但也发现部分问题，如依旧存在冷热桥，实测热工性能与设计指标还存在一定的差距，这也说明，对于既有建筑的改造，设计是一个层面，施工质量的监管也是关乎改造性能的重要指标。

 

本文作者：天津市建筑设计院 尹宝泉，张津奕，伍小亭，芦岩，董璐璐

来源：绿色建筑研习社