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承德市冬季清潔取暖項目農(nóng)村既有居住建筑能效提升研究

2022-08-05 08:59中國建筑科學研究院有限公司建科環(huán)能科技有限公司王選馬驪李效禹袁靜
中國勘察設計 2022年7期
關(guān)鍵詞:能效屋面外墻

■ 中國建筑科學研究院有限公司 建科環(huán)能科技有限公司 王選 馬驪 李效禹 袁靜

冬季清潔取暖項目是重要的民生工程,為推進北方地區(qū)冬季清潔取暖,2017年,財政部、住房和城鄉(xiāng)建設部、生態(tài)環(huán)境部、國家能源局決定開展中央財政支持北方地方冬季清潔取暖試點工作。近年來,清潔取暖試點城市不斷擴大,各地方清潔取暖工作取得了有效進展?!笆奈濉逼陂g,中央財政進一步擴大了北方地區(qū)冬季清潔取暖支撐范圍,持續(xù)推進綠色發(fā)展,支持有關(guān)城市開展多種方式清潔取暖改造,同時開展既有建筑能效提升工作。

用戶側(cè)既有建筑能效提升可以有效降低供暖負荷需求,是提高室內(nèi)舒適性、助力達成“雙碳”目標的有效技術(shù)路徑。隨著中央財政清潔取暖支撐范圍的進一步擴大,部分嚴寒地區(qū)的城市于2021年被納入清潔取暖支撐范圍,如何在嚴寒及寒冷地區(qū)實施既有建筑節(jié)能改造,需要進一步探索與實踐。本文基于對承德市農(nóng)村既有居住建筑能效提升項目的研究與分析,提出可適用于嚴寒及寒冷地區(qū)農(nóng)村既有居住建筑的能效提升方案。

1.承德市農(nóng)村既有建筑與取暖現(xiàn)狀

1.1 氣候特點

承德市位于寒溫帶向暖溫帶過渡地帶,全市年均氣溫8.9℃ (壩上地區(qū)0.5℃、南部地區(qū)9℃),一月份平均氣溫-9.1℃,極端最低氣溫-42.9℃?;诔械率袣夂蛱攸c,全市取暖期長達5個月,壩上地區(qū)取暖期更是長達近6個月,全年供暖需求量大。

1.2 建筑特點

承德市農(nóng)村居住建筑多是獨棟獨院的農(nóng)宅,建筑多為單層,少數(shù)為2層建筑,每棟農(nóng)宅建筑面積約為50m2—120m2。建筑圍護結(jié)構(gòu)方面,外墻主要分為磚墻和石墻兩種類型,保溫性能較差;屋頂多為塊瓦坡屋頂,無保溫層,極少有建筑采用平屋頂加裝保溫層的結(jié)構(gòu)形式;南向窗墻比較大,且多數(shù)外窗保溫性能及氣密性較差。

1.3 取暖現(xiàn)狀

截至2020年底,承德市農(nóng)村既有建筑總面積6386.06萬m2,建筑取暖面積5147.33萬m2,清潔取暖面積815.70萬m2,農(nóng)村建筑取暖率80.60%,清潔取暖率15.85%。規(guī)劃經(jīng)過3年清潔取暖熱源側(cè)改造,農(nóng)村地區(qū)清潔取暖率將達到45.47%,共改造19.06萬戶。

由于承德市農(nóng)村主要分散在山區(qū),清潔取暖熱源側(cè)改造主要技術(shù)路線為分散式電取暖及生物質(zhì)取暖,同時積極推廣二氧化碳熱泵和生物質(zhì)鍋爐等分布式集中供熱改造。在推廣過程中,清潔取暖的運行費用直接關(guān)乎百姓對清潔取暖改造的接受程度。因此,熱源側(cè)改造同步推廣用戶側(cè)建筑能效提升,既可以進一步節(jié)能減排,也能助力清潔取暖工作的推行。

2.承德市農(nóng)村既有居住建筑能效提升案例

2.1 項目概況

按照《承德市人民政府關(guān)于印發(fā)承德市冬季清潔取暖項目總體實施方案(2021—2023)的通知》(承市政辦字〔2021〕58號)要求,承德市將在3年實施期內(nèi)完成農(nóng)村既有居住建筑能效提升改造12.17萬m2,其中2021年規(guī)劃完成3.97萬m2,分別為灤平縣0.4萬m2、隆化縣1.38萬m2、豐寧縣1.23萬m2以及圍場縣0.96萬m2,改造后建筑能效水平較改造前提升30%及以上。

2021年承德市農(nóng)村既有居住建筑能效提升項目分布在環(huán)京地區(qū)(灤平縣、豐寧縣)、接壩地區(qū)(隆化縣)以及壩上地區(qū)(圍場縣)。在河北省氣候子區(qū)的劃分中,隆化縣、豐寧縣和圍場縣屬于嚴寒C區(qū)(1C),灤平縣屬于寒冷A區(qū)(2A)。四縣區(qū)的月平均溫度按灤平縣、隆化縣、豐寧縣、圍場縣依次降低,其中,圍場縣2月最低平均溫度達到了-18℃。

通過對四縣區(qū)的現(xiàn)場走訪與調(diào)研,綜合建筑圍護結(jié)構(gòu)類型、層高、樓層數(shù)量等總結(jié)提煉了11種農(nóng)宅類型,并選取了具有代表性的建筑進行能耗分析,詳細建筑參數(shù)如表1所示。

表1 典型農(nóng)村既有居住建筑參數(shù)

圖1 承德市基本概況及2021年度項目所在地室外月平均溫度

典型農(nóng)村既有居住建筑圍護結(jié)構(gòu)類型如表2所示。

表2 典型農(nóng)村既有居住建筑改造前圍護結(jié)構(gòu)類型

2.2 改造前能耗情況

根據(jù)《河北省居住建筑節(jié)能設計標準》(DB 13(J)185-2020)要求,針對不同類型的農(nóng)村居住建筑進行能耗分析,圖2為典型農(nóng)村既有居住建筑模型圖。

圖2 典型農(nóng)村既有居住建筑模型圖

能耗分析主要計算參數(shù)設置如表3所示。

表3 主要參數(shù)設置表

各典型農(nóng)宅單位建筑面積能耗值按照單位面積的建筑圍護結(jié)構(gòu)傳熱量、建筑物空氣滲透耗熱量、建筑物內(nèi)部得熱量分類表示,具體數(shù)值如表4所示。

表4 典型農(nóng)村既有居住建筑改造前能耗(W/m2)

通過能耗分析,農(nóng)村既有居住建筑單位建筑面積總能耗為60.78W/m2—181.12W/m2,不同典型建筑之間能耗差距較大。主要原因有3個:一是石墻的保溫性能遠低于磚墻,從傳熱系數(shù)看,500mm厚的石墻傳熱系數(shù)為3.058W/(m2·K),而500mm厚的磚墻傳熱系數(shù)為1.189 W/(m2·K)遠低于同等厚度石墻的傳熱系數(shù);從能耗值看,外墻為石墻的典型農(nóng)宅通過外墻傳熱的單位面積能耗值為115.67W/m2(隆化縣類型一)和68.00W/m2(豐寧縣類型一),遠高于其他磚墻建筑的外墻能耗值,因此外墻為石墻的農(nóng)宅能耗值現(xiàn)狀明顯高于其他外墻為磚墻的農(nóng)宅能耗值。二是典型樓中的2個平屋面農(nóng)宅,原有平屋面已安裝了100mm厚擠塑聚苯板,使得通過屋面?zhèn)鳠岬膯挝幻娣e能耗值較低,分別為2.78W/m2(灤平縣類型三)和6.81W/m2(豐寧縣類型四),與坡屋面農(nóng)宅相比較,平屋面農(nóng)宅能耗現(xiàn)狀值較低。三是外門窗保溫性能存在差異。隆化縣和圍場縣此次改造的農(nóng)宅在改造前外門窗已經(jīng)更換成了保溫性能更好的雙層玻璃門窗,單位建筑面積通過外門窗傳熱的能耗值分別為4.78W/m2—7.45 W/m2(隆化縣)和2.75W/m2(圍場縣),而未進行外門窗改造仍為單層玻璃外門窗的灤平縣和豐寧縣,單位建筑面積通過外門窗傳熱的能耗值分別為15.38W/m2—20.53W/m2(灤平縣)和11.86W/m2—20.62 W/m2(豐寧縣)。

農(nóng)村既有居住建筑圍護結(jié)構(gòu)能耗是整體能耗的主要組成部分,也是節(jié)能改造的重點。圍護結(jié)構(gòu)能耗各部分占比中,占比最大為外墻,在36%—67%之間;其次是屋面,在5%—47%之間;再其次為外窗,在3%—34%之間。從可靠性、可操作性和經(jīng)濟性等角度考慮,應優(yōu)先改造外墻部位。改造前外墻能耗占比最大,對外墻加裝保溫層帶來的節(jié)能潛力也最大??紤]到部分農(nóng)宅的南向外墻貼有瓷磚裝飾,對其進行節(jié)能改造需拆除瓷磚后加裝保溫層再重新裝飾,會增加額外改造成本和與農(nóng)戶溝通協(xié)商成本,可統(tǒng)籌考慮對屋面與外窗進行節(jié)能改造的方案,確定南向外墻是否必須進行節(jié)能改造。

考慮屋面改造。改造前具有100mm厚擠塑聚苯板保溫層的平屋頂農(nóng)宅通過屋面?zhèn)鳠崮芎恼急葹?%—11%,而其他無保溫層的坡屋頂農(nóng)宅通過屋面?zhèn)鳠崮芎恼急葹?1%—47%,對坡屋面進行節(jié)能改造具有較大的節(jié)能潛力。但考慮到絕大多數(shù)農(nóng)房為塊瓦坡屋面,對屋面改造需要入室拆動吊頂進行保溫層的安裝,且安裝過程中會給農(nóng)戶生活上帶來較大的不便利性,因此在可操作性上具有較大的難度,需針對農(nóng)戶具體情況制定屋面改造方案。

圖3 典型農(nóng)村既有居住建筑改造前圍護結(jié)構(gòu)能耗各部分占比

關(guān)注外門窗保溫性能的提升。四個縣區(qū)中隆化縣和圍場縣農(nóng)房的外窗已具有較好的保溫性能,其外門窗傳熱能耗占比為3%—5%,進一步更換保溫性能更好的外窗經(jīng)濟性不高,且可帶來的節(jié)能效果較弱。外門窗保溫性能較差的灤平縣和豐寧縣,其外門窗能耗占比為15%—34%,考慮到這兩個縣區(qū)由于南面外墻不便做保溫改造,僅通過三面外墻節(jié)能改造難以滿足改造后較改造前能效提升30%以上的要求,建議將外門窗更換成保溫性能更好的雙層玻璃外門窗。

2.3 改造方案

農(nóng)村既有居住建筑能效提升技術(shù)路線應以“節(jié)約用、清潔供”為原則,因房而宜,科學選擇改造技術(shù)路線,對建筑物能耗影響大、改造工程量小的部位優(yōu)先進行改造。在綜合考慮實際建筑可實施條件和改造方案評估的能效提升率,為各縣區(qū)擬定了以下改造方案。

灤平縣:針對灤平縣既有農(nóng)村居住建筑具體情況,鑒于大多數(shù)農(nóng)戶已自費更換外窗,同時南向外墻貼有瓷磚不便于改造,入戶實施屋面保溫改造存在一定的實施困難,因此能效提升改造以農(nóng)戶長期使用房間(臥室、起居室/客廳)為主要改造對象,對建筑東、西、北三面外墻做外保溫,外墻外保溫采用80mm厚擠塑聚苯板。

圖4 典型農(nóng)村既有居住建筑改造后圍護結(jié)構(gòu)能耗各部分占比

隆化縣:針對隆化縣農(nóng)村居住建筑具體情況,鑒于大多數(shù)農(nóng)戶現(xiàn)有外窗具有較好的保溫性能,更換新窗經(jīng)濟性不高,同時入戶實施屋面保溫改造存在一定的實施困難,因此能效提升改造以農(nóng)戶長期使用房間(臥室、起居室/客廳)外墻為主要改造對象,采取對建筑四面外墻或東、西、北三面外墻做外保溫,外墻外保溫層采用80mm厚擠塑聚苯板。

豐寧縣:針對豐寧縣既有農(nóng)村居住建筑具體情況,鑒于大多數(shù)農(nóng)戶已自費更換外窗,同時南向外墻貼有瓷磚不便于改造,入戶實施屋面保溫改造存在一定的實施困難,因此能效提升改造以農(nóng)戶長期使用房間(臥室、起居室/客廳)為主要改造對象,對建筑東、西、北三面外墻做外保溫,外墻外保溫采用60mm厚擠塑聚苯板。對少部分外門窗仍為老舊單層玻璃木門窗的農(nóng)戶更換外門窗。

圍場縣:針對圍場縣既有農(nóng)村居住建筑具體情況,鑒于大多數(shù)農(nóng)戶現(xiàn)有外窗具有較好的保溫性能,更換新窗經(jīng)濟性不高,同時入戶實施屋面保溫改造存在一定的實施困難,因此能效提升改造以農(nóng)戶長期使用房間(臥室、起居室/客廳)外墻為主要改造對象,對建筑四面外墻做外保溫,外墻外保溫采用80mm厚擠塑聚苯板。

2.4 能效提升率的測評

在各縣區(qū)農(nóng)村既有居住建筑按照改造方案實施能效提升后,基于改造部位實際檢測結(jié)果,改造后的農(nóng)村既有居住建筑單位面積能耗值如表5所示。經(jīng)過能效提升,農(nóng)村既有居住建筑單位面積能耗從60.78W/m2—181.12W/m2降至33.08W/m2—93.40W/m2,能效提升率為30.37%—52.22%,滿足承德市冬季清潔取暖項目農(nóng)村既有居住建筑能效提升的要求。

表5 典型農(nóng)村居住建筑改造后能耗(W/m2)

能效提升率最高的農(nóng)宅為灤平縣類型三,能效提升率為52.22%。能效提升率高于其他典型農(nóng)宅的主要原因是該類型建筑原屋面帶有100mm厚擠塑聚苯板的保溫層,通過屋面的耗熱量極低,主要的圍護結(jié)構(gòu)耗熱量來自外墻與外門窗,占比91%,因此在實施外墻節(jié)能改造和更換外門窗后,能耗降低幅度明顯。具備同樣狀況的豐寧縣類型四農(nóng)宅也具有45.86%較高的能效提升率。

能效提升率次高的農(nóng)宅為豐寧縣類型一,能效提升率為51.51%。能效提升率高于其他農(nóng)宅的主要原因是該類型建筑外墻為傳熱系數(shù)較高的石墻,石墻加裝80mm厚擠塑聚苯板保溫層后比磚墻加裝同樣保溫層后傳熱系數(shù)降低幅度大,使得農(nóng)宅整體能耗在改造后有較大幅度地降低。豐寧縣類型一農(nóng)宅外墻能耗值從68.00W/m2降低至改造后的19.89W/m2,而具有同樣厚度磚墻的豐寧縣類型二及類型三農(nóng)宅,在外墻加裝80mm厚擠塑聚苯板后能耗值分別從23.97W/m2降至12.08W/m2和從23.67W/m2降至10.42W/m2,能耗降低幅度遠低于豐寧縣類型一農(nóng)宅。能效提升率為48.43%的隆化縣類型一農(nóng)宅,其較高的節(jié)能率也主要是受外墻結(jié)構(gòu)為石墻的因素影響。

承德市農(nóng)村既有居住建筑能效提升項目主要節(jié)能改造方案為外墻加裝外保溫系統(tǒng)和更換外門窗,因此,改造后圍護結(jié)構(gòu)各部分能耗占比情況有較大變化:外墻和外門窗的能耗占比降低,而未進行節(jié)能改造的屋面與地面能耗占比升高。坡屋面農(nóng)宅中,外墻能耗占比從36%—67%降低至13%—37%。改造外門窗的農(nóng)宅中,外門窗的能耗占比從15%—34%降低至8%—14%。

3.結(jié)論

通過對承德市典型農(nóng)村既有居住建筑能效提升項目分析可知:一是圍護結(jié)構(gòu)能耗是建筑能耗的主要來源,其中外墻的能耗占比最大,應為節(jié)能改造的重點。二是建議對嚴寒和寒冷地區(qū)農(nóng)村既有居住建筑外墻加裝80mm厚擠塑聚苯板的外保溫層,實際考慮到南向外墻已貼瓷磚不便于改造等因素,可綜合更換外窗等改造方案,以滿足改造后能效提升30%及以上的要求。三是由于對坡屋面進行節(jié)能改造涉及入戶施工,可操作性較低,建議根據(jù)農(nóng)戶實際情況并綜合考慮其他節(jié)能措施制定屋面的節(jié)能改造方案。四是老舊的單層玻璃外門窗不僅保溫性能差,而且漏風嚴重,制定節(jié)能改造方案時,應優(yōu)先選擇更換保溫性能更好的雙層玻璃外門窗,并做好外門窗氣密性措施。若原外窗保溫性能尚可,也可采用增加保溫窗簾、保溫門簾增加其保溫效果,以及鋪設塑料膜減少冷風滲透。

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