項目簡介

項目位于天津市南開區(qū)長實道南側(cè)，為凱祥花園48，49號樓，建筑總面積578.12m2，高7.62m，主要功能為辦公，1996年設(shè)計，1998年建成，2010年進行了節(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號樓改造前后的實景圖

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

表1 部分指標的現(xiàn)狀值及目標值

針對項目的既有建筑改造特點，項目伊始進行了節(jié)能診斷，根據(jù)檢測結(jié)果，結(jié)合模擬分析，進行了建筑布局、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；施工階段遵循被動式建筑無熱橋、較高氣密性的原則，項目建成后，經(jīng)檢測，大部分指標未達到預(yù)期值，但能耗的降低幅度巨大，到了被動式超低能耗改造的初衷。

節(jié)能診斷

1 室內(nèi)機電系統(tǒng)概況

項目采暖系統(tǒng)為散熱器采暖，采暖熱源為2臺燃氣熱水爐，單臺供熱量42kW，熱效率88%，空調(diào)為分體式空調(diào)；常規(guī)照明系統(tǒng)，開關(guān)形式為手動開關(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，主要是因為冬季室內(nèi)溫度不足，各房間開啟空調(diào)制熱，如圖2所示。

圖2  逐月耗電消耗

2  建筑性能檢測

對室內(nèi)溫度、濕度、CO2濃度、外墻內(nèi)表面溫度、圍護結(jié)構(gòu)的熱工性能、氣密性進行了檢測，檢測發(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)，整個建筑物的每小時換氣次數(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

經(jīng)檢測分析，目前該棟建筑存在下述問題：

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

2）熱橋現(xiàn)象明顯，冬季存在較強的冷輻射。

3）室內(nèi)CO2濃度在辦公時間內(nèi)，明顯過高，大于1000ppm。

4）圍護結(jié)構(gòu)熱工性能較差，外窗傳熱系數(shù)達到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)致過多能源消耗與室內(nèi)舒適度降低。

改造方案

基于“被動優(yōu)先、主動優(yōu)化”的原則進行綜合性能提升改造，在現(xiàn)狀調(diào)研、性能檢測以及被動房指標的基礎(chǔ)上，通過被動式、主動式改造方案，經(jīng)計算機模擬輔助設(shè)計判斷建筑是否達到了被動房績效指標，全年提升建筑的性能，技術(shù)路線如圖4所示。

圖4 改造技術(shù)路線

1 被動式改造

1）使用功能改造

因建筑建成時為滿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，因此通過調(diào)整建筑布局，保證使用功能滿足20人的辦公及小型會議要求。主要通過調(diào)整樓梯間的位置和48號樓車庫，形成了會議室和餐廳、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足N50≤0.6，即在室內(nèi)外壓差為50Pa的條件下，每小時換氣次數(shù)不得超過0.6次。

5）無熱橋設(shè)計，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)件處也通過絕熱墊層進行阻隔。

6）采光優(yōu)化，設(shè)計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，減少因外窗過大產(chǎn)生的建筑能耗。

8）通風(fēng)優(yōu)化，建筑室內(nèi)流線明顯、通暢，無明顯的氣流死區(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題。

2 主動式改造

1）暖通空調(diào)系統(tǒng)

48號樓——溫濕度獨立分控的變頻多聯(lián)機系統(tǒng)，提高室內(nèi)機蒸發(fā)溫度，制冷能效較常規(guī)變頻多聯(lián)機系統(tǒng)高約15%，減少制冷能耗，同時溶液調(diào)濕機組具備殺菌功能，可提高室內(nèi)空氣品質(zhì)。49號樓——常規(guī)變頻多聯(lián)機+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，手動控制開關(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)。缺點是影響室內(nèi)視覺效果，遠離大用電負荷，改造中將總配電箱移至監(jiān)控室，將辦公、會議區(qū)原有熒光燈改造為LED燈盤，降低建筑照明能耗，減小熱負荷，降低空調(diào)能耗延長使用壽命，減少維護量。

4）生活熱水系統(tǒng)

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

5）能耗分項計量

設(shè)置能耗分項計量，單獨計量供熱、供冷、插座、生活熱水、末端設(shè)備、燃氣、照明能源消耗量。

改造后的效果評估

1 被動式改造效果

1）建筑物熱工缺陷檢測

于2016年1月13日早晨6～7點鐘無太陽光和路燈影響時間段，采用紅外熱像儀對48、49號樓建筑物熱工缺陷進行相關(guān)檢測，如圖5所示，依舊有一些熱橋，但較不明顯。

圖5  49 號樓室內(nèi)二層走廊南墻熱工可見光及

紅外對照圖

2）圍護結(jié)構(gòu)（外墻）傳熱系數(shù)檢測

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

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

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

室內(nèi)房間溫濕度達到設(shè)計要求，辦公時間室內(nèi)溫度在20℃左右，濕度在40%以上；

CO2濃度，低于800ppm，達到設(shè)計要求。

4）建筑物整體氣密性檢測

建筑物整體氣密性能主要測量的是整棟建筑物每小時的換氣次數(shù)，測試部位選擇了48號樓與連廊連接的入戶門位置以及49號樓入戶門的位置。檢測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)場條件所致，對空調(diào)通風(fēng)口、地漏口未采取進一步密封措施，建筑物內(nèi)部的部分房間房門未開啟。經(jīng)測試，48號樓整棟建筑物在減壓測試時，房間的換氣次數(shù)為3.09次/h；增壓測試時，房間的換氣次數(shù)為1.66次/h。49號樓整棟建筑物在減壓測試時，房間的換氣次數(shù)為2.02次/h；增壓測試時，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℃，如要滿足“被動式房屋”標準，對建筑外圍護結(jié)構(gòu)性能的要求會高于西歐國家而低于北歐國家，所以在同樣的圍護結(jié)構(gòu)條件下，天津的熱指標要比德國的高。經(jīng)能耗模擬分析，房間的能耗情況，如圖6所示。

經(jīng)模擬計算可知，項目供熱耗能指標為11.54 kWh/m2，小于15 kWh/m2，供冷耗能指標為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，小于德國被動房120kWh/m2，需要注意的是，德國能耗是含著炊事和熱水的，目前本項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%，能源費節(jié)約指標為45.59元/m2，年節(jié)約能源費總量2.64萬元。

圖6  房間耗冷耗熱量、新風(fēng)及

總耗冷耗熱量指標

圖7  用能比例  

表2  現(xiàn)狀和改造后的節(jié)能評價、能源費用

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、模擬及運行指標對比表

注：上表數(shù)據(jù)未包含炊事能耗。

從表中可以看出，很多指標并未達到設(shè)計值，與德國被動房指標也仍有差距，這也再一次說明精細實施的施工工法的重要性，以及實際運營方式的重要性，都直接決定了數(shù)據(jù)能不能達到設(shè)計值的要求。

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

單位建筑面積年供熱耗熱量運行值為5.27kWh/（m2?a），是改造前的97%，遠地低于被動房標準15 kWh/（m2?a）的要求，這同樣與實際運行有關(guān)，被動房由于氣密性較好，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)開啟時間較少，這也說明，實際的運行情況能耗數(shù)據(jù)的影響是巨大的，作為公共建筑，我們有條件通過物業(yè)人員來專業(yè)的、統(tǒng)一的管理設(shè)備的高效運行，來盡可能的降低運行能耗。

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

結(jié)語

基于被動房目標的改造，首先是基于建筑本體的改造，將功能空間分區(qū)，同時減少了建筑的熱損失，通過提高建筑熱工性能，調(diào)整外窗大小，更換采暖空調(diào)系統(tǒng)等方式，實現(xiàn)了較低的能耗，但也發(fā)現(xiàn)部分問題，如依舊存在冷熱橋，實測熱工性能與設(shè)計指標還存在一定的差距，這也說明，對于既有建筑的改造，設(shè)計是一個層面，施工質(zhì)量的監(jiān)管也是關(guān)乎改造性能的重要指標。

作者單位：天津市建筑設(shè)計院