陳婷 任潔 楊杭莉

針對揚(yáng)州老城節(jié)能改建中的被動式技術(shù)運(yùn)用

陳婷 任潔 楊杭莉

為了提高老城建筑舒適度，本文針對揚(yáng)州特殊的冬冷夏熱的氣候條件，提出了改善建筑設(shè)計(jì)形態(tài)，采用被動式措施和相關(guān)技術(shù)，加強(qiáng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫功能、巧妙利用太陽輻射等建筑設(shè)計(jì)改良方案，既保證居住的健康和舒適，又節(jié)約建筑能耗。

一、揚(yáng)州老城建筑被動式改建背景分析

揚(yáng)州地處我國東南沿海地區(qū)，城市緊靠長江、大量運(yùn)河支流貫穿城市內(nèi)部，雨水量相對豐沛，空氣濕潤。大量的濕氣使夏天更加悶熱，冬季更加濕冷，屬于典型的冬冷夏熱地區(qū)。近年來隨著人們經(jīng)濟(jì)收入普遍增加，文化水平的不斷提高，人們不再滿足于溫飽條件下可以忍受的環(huán)境條件，追求舒適的生活環(huán)境成了現(xiàn)在人的迫切需要。但是長期以來，揚(yáng)州老城區(qū)環(huán)境遠(yuǎn)達(dá)不到舒適的要求。于是在陰冷的冬天，加熱設(shè)備興起，各種取暖設(shè)備的普遍采用，使得能源消耗急劇上升。而炎熱的夏天，人們又為了給建筑空間內(nèi)部降溫除濕再一次大功率的損耗能源。能源的更多損耗帶來了空氣的嚴(yán)重污染，高科技設(shè)備來改善，如此往復(fù)，惡性循環(huán)。目前揚(yáng)州的南河下歷史文化街區(qū)已經(jīng)開始進(jìn)行低能耗建筑的試應(yīng)用研究，取得了較為良好的研究基礎(chǔ)。

江蘇省平均太陽總輻射量達(dá)到4749MJ/m2，根據(jù)氣象站日照分析圖不難看出江蘇省太陽能資源分布呈現(xiàn)出西南到東北遞升的規(guī)律。由此可見，江蘇省北部地區(qū)太陽能資源開發(fā)利用優(yōu)勢極為顯著。而揚(yáng)州作為蘇北地區(qū)的城市之一，全年日照時(shí)數(shù)大約為2100小時(shí)~2800小時(shí)，太陽每平方米輻射所產(chǎn)生的能量等同于190公斤的標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒產(chǎn)生的熱量。具備這樣的優(yōu)勢，應(yīng)得以很好的開發(fā)與運(yùn)用。另外揚(yáng)州的氣候特點(diǎn)是典型的晝夜氣溫變化幅度較大，被動式太陽能建筑在這樣的氣候條件下能夠發(fā)揮非常顯著的作用。

二、被動式改建具體的實(shí)施措施

屋頂、墻體和外門窗是建筑物與外界實(shí)現(xiàn)熱交換與熱傳導(dǎo)最活躍最敏感的部位。尤其在寒冷的冬季，其保溫性能和氣密性能對采暖能耗有重大影響，通過屋頂、墻體和外門窗等構(gòu)建損失的能量占到80%；夏季，大量的熱輻射直接進(jìn)入室內(nèi)，大大提高了制冷能耗。因此，屋頂、墻體和外門窗設(shè)計(jì)應(yīng)該是被動式節(jié)能建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部位。

（一）改善屋頂形態(tài)

考慮到老城建筑大都以坡面屋頂為主、大都單門獨(dú)戶的自享屋頂和院落，所以在冬季考慮到的被動式取暖措施可以利用豐富的太陽能輻射來實(shí)現(xiàn)，在屋頂安裝太陽能集熱器和相當(dāng)于屋內(nèi)體積1/50大小的蓄水箱。太陽能集熱器內(nèi)設(shè)有一個(gè)太陽能預(yù)熱腔，白天將通過預(yù)熱腔預(yù)熱過的溫暖氣體通過屋頂上方的進(jìn)風(fēng)口導(dǎo)入室內(nèi)，在送入熱風(fēng)的同時(shí)，集熱器將多余的熱氣收集并蓄存起來，通過蓄水箱蓄積熱氣，在夜間或陰雨天氣里，將蓄積好的熱水通過室內(nèi)安裝的循環(huán)管道系統(tǒng)對室內(nèi)實(shí)現(xiàn)加熱。

（二）改善墻體的材質(zhì)與構(gòu)造

房屋的舒適度直接由墻體的構(gòu)造方式來決定，老城的原始墻體均為紅磚砌筑而成，保溫隔熱效果不是很理想，屬于明顯的高能耗圍護(hù)構(gòu)件。

如何通過改造墻體的構(gòu)造形式，選擇合適厚度的墻體保溫材料，實(shí)現(xiàn)最大程度的保溫隔熱效果，即為被動式改造的研究目標(biāo)。在我國的北方寒冷地區(qū)，氣候嚴(yán)寒空氣干燥，冬天寒冷，夏季較為涼爽，設(shè)計(jì)外墻時(shí)多考慮保溫的情況就可以了。而蘇北地區(qū)屬于典型的夏熱冬冷地區(qū)，外墻設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮夏季的隔熱，兼顧冬季的保溫。要使建筑達(dá)到冬暖夏涼的保溫效果，應(yīng)選擇合適的外墻保溫構(gòu)造形式。

冬天的冷空氣一般來源于西北方向，建筑北墻承受著冬季主導(dǎo)風(fēng)向的迎風(fēng)面，是最容易被冷空氣侵蝕的表面，冷空氣流速大，單位面積散熱量明顯高于其他幾個(gè)方向的外墻面設(shè)計(jì)。我們在實(shí)施外墻保溫隔熱層的構(gòu)造改造時(shí)，需首先強(qiáng)化北墻的保溫性能，提高傳熱阻。提高熱阻的最好方法為改變墻體的厚度，設(shè)計(jì)多厚的墻體在被動式改造過程中顯得尤為關(guān)鍵。

我們用計(jì)算機(jī)對不同厚度的墻體維護(hù)條件下，利用主動式調(diào)溫方式對產(chǎn)生的能耗指標(biāo)實(shí)施了模擬。得出了以下曲線分析圖：

從圖中不難發(fā)現(xiàn)，隨著墻體保溫層的不斷加厚，外墻的傳熱途徑被阻隔，傳熱系數(shù)降低，供暖熱負(fù)荷指標(biāo)與供暖制熱需求指標(biāo)逐漸減小，而空調(diào)冷負(fù)荷指標(biāo)幾乎跟墻體的厚度無直接的關(guān)系。這是因?yàn)橄募臼覂?nèi)顯冷負(fù)荷會占到比較大的比重的緣故。在空調(diào)制冷負(fù)荷指標(biāo)上，從100mm厚的聚苯板到160mm的聚苯板厚度區(qū)間中隨著墻體的加厚，空調(diào)制冷負(fù)荷指標(biāo)有稍微的下降，從160mm的厚度再往上則空調(diào)制冷負(fù)荷指標(biāo)則再次上升。所以選擇160mm厚的保溫外墻比較合理。在該種墻體構(gòu)造方式的設(shè)計(jì)下，供暖熱負(fù)荷指標(biāo)為6.6W/m2。完全符合我國住建部所規(guī)定的能耗需求指標(biāo)。在選擇了160mm厚度的石墨聚苯板材進(jìn)行外墻改造后，各項(xiàng)溫度指標(biāo)將達(dá)到下表所示，基本滿足人體舒適度需求。

（三）改善門窗的材質(zhì)與構(gòu)造

在采暖建筑傳熱熱損失中，門窗與空氣滲透的熱損失所占比例高達(dá)48%左右，門窗傳熱和空氣滲透大約各占50%，所以門窗的保溫隔熱性能和氣密性對采暖能耗具有重大的影響。被動式改造過程中，選用采光高效隔熱和保溫性能的門窗系統(tǒng)顯得尤為重要。通過熱工模擬分析計(jì)算，選用氣密性等級不低于8級、水密性等級不低于6級、抗風(fēng)壓性能不低于9級的外門窗，可以取得較好的保溫效果。由于許多老城建筑群落的組合方式為四面房屋圍合中間院落的布局方式，故可以在東南西北立面外窗上設(shè)置可以調(diào)節(jié)的升降百葉窗、使得百葉角度、高度均可以隨著天氣的變化進(jìn)行自動的調(diào)節(jié)，配合院落植被共同減少夏季太陽輻射對室內(nèi)溫度產(chǎn)生的變化和影響。

三、改建后即將實(shí)現(xiàn)的效果

通過對各大主要圍護(hù)構(gòu)建實(shí)施了材料性能和構(gòu)造方式的分析，提出了較有利的改造方案，預(yù)計(jì)實(shí)施被動式改造后將，建筑將會獲得以下的溫度指標(biāo)，滿足人們的人體自然舒適度的需求。

室內(nèi)環(huán)境參數(shù) 冬季 夏季溫度（℃） >18 <29相對濕度% >30 <60新風(fēng)量（m2/h.人） >30噪聲dB（A） 晝間<40；夜間<30溫度不保證率 <10% <10%

（作者單位：揚(yáng)州市職業(yè)大學(xué)土木建筑學(xué)院）

江蘇省2016大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目計(jì)劃《被動式建筑設(shè)計(jì)在揚(yáng)州地區(qū)運(yùn)用趨勢研究》；項(xiàng)目編號：201611462021H。揚(yáng)州市2016科協(xié)軟科學(xué)課題項(xiàng)目《揚(yáng)州老城改造中的建筑低能耗措施研究》；項(xiàng)目編號：201655。2015年揚(yáng)州科技計(jì)劃項(xiàng)目《建筑節(jié)能新技術(shù)在揚(yáng)州老城區(qū)改造中的應(yīng)用研究》；項(xiàng)目編號：YZ2015189。