倪海峰， 張卓奮， 張宇峰， 周志華

(1.天津生態(tài)城公屋建設(shè)有限公司， 天津 300480； 2.天津大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300350； 3.中國建筑科學(xué)研究院有限公司， 北京 100013)

1 概述

自1991年第一座被動(dòng)房在德國建成并投入使用，到目前被動(dòng)房在全球各地得到了快速發(fā)展。實(shí)踐證明，與傳統(tǒng)建筑相比，被動(dòng)房可以節(jié)約80%～90%的供暖與制冷能耗[1]。

我國既有建筑體量大，節(jié)能水平整體落后，大量既有建筑面臨節(jié)能改造。為更好地推廣被動(dòng)房在我國本土化應(yīng)用，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部于2015年頒布了《被動(dòng)式超低能耗綠色建筑技術(shù)導(dǎo)則(試行)》，為推動(dòng)被動(dòng)房在我國的發(fā)展提供了技術(shù)指導(dǎo)。

本文依據(jù)德國被動(dòng)房研究所(PHI)提出的被動(dòng)式節(jié)能改造(EnerPHit)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)天津地區(qū)某既有居住建筑的被動(dòng)式節(jié)能改造效果進(jìn)行計(jì)算分析。

2 被動(dòng)式改造標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)劃設(shè)計(jì)軟件

2.1 被動(dòng)式改造標(biāo)準(zhǔn)

被動(dòng)房是將自然通風(fēng)、自然采光、太陽能輻射、室內(nèi)非供暖熱源等被動(dòng)式節(jié)能手段與圍護(hù)結(jié)構(gòu)高效節(jié)能技術(shù)相結(jié)合的低能耗建筑。最大限度降低對(duì)主動(dòng)式機(jī)械供暖和制冷系統(tǒng)的依賴，并提高室內(nèi)環(huán)境的舒適性。被動(dòng)房技術(shù)主要包括高保溫外圍護(hù)結(jié)構(gòu)、氣密性構(gòu)造、被動(dòng)式門窗及高效新風(fēng)系統(tǒng)。

對(duì)于既有建筑，受條件限制，節(jié)能改造(特別是被動(dòng)式節(jié)能改造)難度比較大。為此，德國被動(dòng)房研究所(PHI)提出被動(dòng)式節(jié)能改造(EnerPHit)標(biāo)準(zhǔn)，盡可能改善既有建筑的舒適性，提高經(jīng)濟(jì)性，節(jié)約能源。既有建筑被動(dòng)式節(jié)能改造是否符合要求的判定標(biāo)準(zhǔn)為能源需求標(biāo)準(zhǔn)(見表1)或建筑部件標(biāo)準(zhǔn)(見表2、3)，滿足其中一組標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)即可。表1中的氣候區(qū)是由被動(dòng)房規(guī)劃設(shè)計(jì)軟件(Passive House Planning Package，PHPP)根據(jù)改造對(duì)象所在地氣候數(shù)據(jù)所確定的。N50換氣次數(shù)指室內(nèi)外壓差為50 Pa條件下的換氣次數(shù)。

表3中，Kg為玻璃的傳熱系數(shù)，單位為W/(m2·K)。制冷期最大太陽能得熱量限值適用于顯熱制冷需求大于15 kW·h/(m2·a)的主動(dòng)制冷的建筑，是在考慮了所有遮陽因素(例如陰影等)后通過單位面積玻璃進(jìn)入建筑內(nèi)的太陽能得熱量。若超出了該限值，必須采取合適的措施降低太陽能得熱量，包括活動(dòng)遮陽件、遮陽挑檐、遮陽型玻璃(遮陽型玻璃僅適用于炎熱、非常炎熱這樣的純制冷氣候區(qū))。新風(fēng)系統(tǒng)最小熱回收效率既包括供暖期回收室內(nèi)回風(fēng)的余熱，也包括制冷期回收室內(nèi)回風(fēng)的余冷。溫?zé)帷⒀谉?、非常炎熱氣候區(qū)更難實(shí)現(xiàn)被動(dòng)房，因此未設(shè)定具體的新風(fēng)系統(tǒng)最小熱回收效率，僅對(duì)炎熱、非常炎熱氣候區(qū)規(guī)定了最小濕回收率。

表1 能源需求標(biāo)準(zhǔn)

表2 建筑部件標(biāo)準(zhǔn)(不透明圍護(hù)結(jié)構(gòu))

2.2 被動(dòng)房規(guī)劃設(shè)計(jì)軟件

被動(dòng)房規(guī)劃設(shè)計(jì)軟件PHPP由德國被動(dòng)房研究所開發(fā)，貫穿整個(gè)設(shè)計(jì)過程。PHPP計(jì)算表中有驗(yàn)證工作表、氣候工作表、傳熱系數(shù)工作表、面積工作表、地下工作表、組件工作表、窗戶工作表、遮陽工作表、通風(fēng)工作表、附加通風(fēng)工作表、制冷期通風(fēng)工作表及制冷機(jī)組工作表等。將所有相關(guān)信息輸入工作表后，可查看計(jì)算結(jié)果。建筑物供暖、制冷需求以月為計(jì)算單位，采用能量平衡法進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算。

表3 建筑部件標(biāo)準(zhǔn)(外窗、新風(fēng)系統(tǒng))

3 既有居住建筑被動(dòng)式節(jié)能改造

3.1 項(xiàng)目概況

天津(屬于PHPP確定的寒溫地區(qū))某既有建筑總建筑面積為1 803.48 m2，層高3 m，共6層，典型層平面布置見圖1。被動(dòng)式節(jié)能改造涉及改善圍護(hù)結(jié)構(gòu)絕熱性能、加強(qiáng)建筑氣密性、新增新風(fēng)機(jī)組。

3.2 被動(dòng)式節(jié)能改造

① 改善圍護(hù)結(jié)構(gòu)絕熱性能

既有居住建筑按DB 29—1—2013《天津市居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》設(shè)計(jì)。拆除建筑物原有保溫材料、外窗、外門等，并按照建筑部件標(biāo)準(zhǔn)限值進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，使用垂直百葉對(duì)建筑物南向、西向及東向窗戶進(jìn)行遮陽。既有居住建筑改造前后圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造分別見表4、5。改造前后圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)及外窗遮陽系數(shù)見表6。

圖1 典型層平面布置

表5 改造后圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造

表6 改造前后圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)及外窗遮陽系數(shù)

對(duì)于不供暖地下室，其樓板與墻體接觸部位為熱橋。不僅會(huì)耗費(fèi)大量能源，而且冬季有發(fā)霉的可能，因此需要進(jìn)行保溫處理。不供暖地下室樓板與墻體接觸部分處理方案見圖2。使用240 mm厚XPS板對(duì)不供暖地下室樓板進(jìn)行保溫，外墻保溫層延伸至樓板以下600 mm。采用熱橋線傳熱系數(shù)計(jì)算軟件Ptemp，在室外溫度-5 ℃，供暖房間室內(nèi)溫度20 ℃，非供暖地下室室內(nèi)溫度0 ℃條件下，對(duì)熱橋部分的溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬。模擬結(jié)果顯示，首層墻角位置的溫度可達(dá)到16.4 ℃，可以消除熱橋。

圖2 不供暖地下室樓板與墻體接觸部分處理方案

② 加強(qiáng)建筑氣密性

既有居住建筑N50換氣次數(shù)為2.26 h-1，為使改造后N50換氣次數(shù)降至0.6 h-1，氣密性改造主要針對(duì)以下3方面進(jìn)行。

a.改造時(shí)使用的外門、外窗均使用經(jīng)過PHI認(rèn)證滿足氣密性要求的節(jié)能門窗，并在外墻與窗框間使用防水隔氣膜與防水透氣膜組成的密封系統(tǒng)[2-3]。

b.為保證穿墻管線位置嚴(yán)密，兼顧建筑整體保溫效果，使用巖棉板對(duì)管道與墻體間縫隙進(jìn)行封堵，并在墻體兩側(cè)采用防水雨布進(jìn)行防水處理。

c.外墻上的插座盒使用石膏填充并用密封膠封堵，這樣可以保證插座盒位置延續(xù)主體抹灰層連續(xù)性，防止抹灰層的中斷。

③ 新增新風(fēng)機(jī)組

為防止用戶在供暖期及制冷期由于無控開窗通風(fēng)導(dǎo)致的額外能耗，通過新增新風(fēng)機(jī)組滿足室內(nèi)人員新風(fēng)需求。改造后，每戶采用1臺(tái)經(jīng)過PHI認(rèn)證的家用全熱回收新風(fēng)機(jī)組，機(jī)組熱回收效率75%。

4 改造效果

① 能源需求標(biāo)準(zhǔn)

由于PHPP沒有針對(duì)天津地區(qū)的氣象參數(shù)，因此選取軟件自帶的北京地區(qū)的氣象數(shù)據(jù)(包括逐月室外溫度、地溫、太陽輻射照度等計(jì)算參數(shù))，生活熱水用量、照明裝置功率、室內(nèi)設(shè)備發(fā)熱量、人體散濕散熱量等也均來自PHPP自帶的數(shù)據(jù)庫。供暖期、制冷期室內(nèi)溫度分別設(shè)定為20、25 ℃。將既有建筑功能(住宅、教育、辦公等)、結(jié)構(gòu)參數(shù)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)等輸入PHPP，即可計(jì)算得到供暖需求、制冷+除濕需求、一次能源需求。一次能源需求包括制冷、除濕、熱水制備裝置、照明裝置、用電設(shè)備等的能源需求。

由PHPP計(jì)算得到的被動(dòng)式節(jié)能改造后的供暖需求、制冷需求+除濕需求、一次能源需求與限值見表7。由表7可知，被動(dòng)式節(jié)能改造后的供暖需求、一次能源需求滿足限值要求，但制冷需求比較高，主要原因?yàn)槟舷虼懊娣e過大，這也是供暖需求比較低的主要原因之一。改進(jìn)方向?yàn)樵鰪?qiáng)夏季遮陽措施，適當(dāng)減小南向外窗面積。

表7 被動(dòng)式改造后的供暖需求、制冷+除濕需求、一次能源需求

② 建筑部件標(biāo)準(zhǔn)

由于地下室為不供暖地下室，因此該算例不涉及與土壤連接部分不透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)的判定。在計(jì)算玻璃太陽能總透射比時(shí)，玻璃傳熱系數(shù)取0.8 W/(m2·K)。建筑部件標(biāo)準(zhǔn)的判定結(jié)果見表8。

表8 建筑部件標(biāo)準(zhǔn)的判定結(jié)果

根據(jù)建筑部件標(biāo)準(zhǔn)的判定結(jié)果可知，該既有居住建筑經(jīng)被動(dòng)式節(jié)能改造后，符合建筑部件標(biāo)準(zhǔn)被動(dòng)房標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 結(jié)論

改造效果不滿足能源需求標(biāo)準(zhǔn)，被動(dòng)式節(jié)能改造后的供暖需求、一次能源需求滿足限值要求，制冷需求超標(biāo)；改造效果滿足建筑部件標(biāo)準(zhǔn)。被動(dòng)式節(jié)能改造后該既有居住建筑符合被動(dòng)房節(jié)能要求。