寒冷地區(qū)既有建筑被動式節(jié)能改造技術研究

徐雙軍 呂 華 白巖磊 王宣元 閆麗穎 辛全英

（1.河北科技師范學院，河北 秦皇島 066004；2.秦皇島市建設工程質量監(jiān)督站，河北 秦皇島 066004；3.秦皇島經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)建設工程質量監(jiān)督站，河北 秦皇島 066004；4.秦皇島經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)人力資源和社會保障局，河北 秦皇島 066004）

寒冷地區(qū)既有建筑被動式節(jié)能的改造工作，不僅需要掌握相應的技術要領，還要結合其他國家的改造經(jīng)驗以及我國寒冷地區(qū)的實際情況。想要以現(xiàn)有被動式低能耗建筑節(jié)能技術為基礎，進一步開展優(yōu)化研究工作，就必須制定相應的改造設計策略、做出經(jīng)濟型分析。由于我國科學技術的快速發(fā)展，許多建筑的采暖系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足人們的節(jié)能需求，因此改造工作的已經(jīng)呈現(xiàn)出勢在必行的趨勢。除此之外，國家也在加大對既有建筑節(jié)能改造工作的扶持；在不斷出臺相關標準的同時，還提供了資金幫助。

1 寒冷地區(qū)既有建筑的耗能現(xiàn)狀

1.1 寒冷地區(qū)的特征

地理特征：中國坐落于北半球，不僅擁有遼闊的幅員，還包含了各種復雜地形。由于經(jīng)緯度的跨度較大，因此各個省市之間的地理風貌存在差距；在這種背景下，為了管理方面的便捷，我國建筑熱工設計分區(qū)包括五種：溫和地區(qū)、夏熱冬暖地區(qū)。夏熱冬冷地區(qū)、寒冷地區(qū)、嚴寒地區(qū)。其中，寒冷地區(qū)的最冷平均溫度保持在0～-10 ℃之間，且一年內約有90～145 d的平均溫度不超過5 ℃。

氣候特征：寒冷地區(qū)不僅擁有分明的四季，還擁有大量光熱資源，其年日均差位于7～14 ℃之間。除此之外，寒冷地區(qū)的冬季表現(xiàn)出干燥、時期長的特點；而夏季則表現(xiàn)出35～42 ℃的高溫。

1.2 既有居住建筑耗能現(xiàn)狀的分析

第一，既有居住建筑耗能。采暖作為北方必不可少的過冬需求，其能源消耗是十分驚人的。根據(jù)相關資料可知，我國大部分建筑已經(jīng)被列入高能耗建筑的行列；雖然溫度不足18 ℃的房屋只占總數(shù)的2%，但是它的采暖消耗卻十分巨大。換句話說，采暖耗能與屋內溫度之間不存在固定比例關系。筆者在整理資料的過程中發(fā)現(xiàn)，我國建筑的外圍護結構存在嚴重的熱量流失現(xiàn)象，無法讓供熱管網(wǎng)完成預期效能。

第二，既有居住建筑圍護結構。傳熱系數(shù)以及門窗洞口氣密性的優(yōu)化，是解決建筑總能小號偏高的主要方法；前者所造成的熱損失可達2/3～4/5，后者所導致的熱損失約為1/5～1/3。除此之外，單框玻璃的使用、保溫層的缺失等同樣能夠產(chǎn)生大量的熱散失。

第三，既有居住建筑供暖系統(tǒng)。部分建筑仍然使用單管系統(tǒng)進行采暖。這種采暖系統(tǒng)不具備可調性，在系統(tǒng)散熱器近端的建筑會擁有較高的溫度，較遠的則相反。想要改善這種不合理的供熱負荷分配，首先要優(yōu)化室內外的管網(wǎng)，然后通過分戶調節(jié)的方式強化用戶的節(jié)約意識。

1.3 既有建筑群的改造

圍護結構的改造涉及外墻、屋面、門窗等眾多內容。無論是哪一項，工作人員在設計改造內容的時候都要提高對建造年代的重視，避免其防火措施、承載力等方面出現(xiàn)問題。

首先，利用保暖措施優(yōu)化既有居住建筑；通過主體材料與保溫材料相結合的方法落實外墻的保溫，降低了熱量從墻體中的流失。其次，外墻保溫措施，符合外墻改造需求的有外保溫與內保溫。雖然屋面所占比例較小，但它會對整個保溫系統(tǒng)造成大量影響。工作人員在選擇保溫材料時，不僅要考慮保溫效果，還要綜合蓄熱系數(shù)以及容重等性質。

2 被動式節(jié)能改造的方法

2.1 工作原理

我國寒冷地區(qū)的冬季室外溫度一般處于18～26 ℃之間，設計方法的合理性與科學性，能夠在被動式技術（太陽采暖、被動式通風等）的應用中得到體現(xiàn)。換句話說，建筑被動式設計原理，旨在耗能的進一步減少。

熱回收的使用是指：在向室內提供新鮮空氣的過程中，利用室內的高溫空氣與新鮮冷空氣進行換熱。被動式低能消耗建筑具備優(yōu)秀的氣密性，如果能夠和熱回收同步使用，能夠大大地減少采暖所消耗的成本。

部分建筑仍然存在建設初期的保溫問題或者傳熱系數(shù)問題，這些問題都會加大建筑整體的熱負荷。在被動式超低能耗建筑的改造過程中，門窗與保溫系統(tǒng)的熱工性是決定建筑負荷的重點。以20 ℃的室內空氣為例，既有建筑的熱負荷遠遠大于100 W/m2且墻體的表面積只有8 ℃；而使用了被動式的低能耗建筑，其熱負荷為10 W/m2且表面溫度超過17 ℃。除此之外，既有建筑在加熱冷空氣時不僅依賴采暖設備，還會出現(xiàn)結露；被動式低能耗建筑無須主動采暖設備即可保持舒適的室溫。

2.2 技術標準

（1）基本標準。第一，要了解室內環(huán)境的相關規(guī)定，如表1所示。第二，了解能耗負荷的規(guī)定。分析建筑能耗的組成可知，供暖約占總數(shù)的2/3。寒冷地區(qū)的冬季，其采暖需求需不超過15 kWh/（m2·a）、采暖熱負荷不高于10 W/m2。除此之外，空調在夏季產(chǎn)生的制冷負荷同樣十分關鍵，供暖需求的減少并不是能源節(jié)約的全部。被動方的夏季制冷需求同樣不超過15 kWh/（m2·a），并且負荷需求能夠保證在20 W/m2以下。第三，通風。為了提高通風換氣系統(tǒng)的效率、進一步滿足室內所需新風量的需求，可以進行高效率熱回收通風系統(tǒng)的安裝。配合高效過濾器的使用，還可以讓空氣質量得到保障。第四，照明遮陽。優(yōu)秀的采光不僅可以降低因照明所產(chǎn)生的耗能，還可以讓建筑在冬季獲取額外的太陽熱進而為減少供熱消耗提供了幫助。自然采光作為被動式技術的亮點，擁有極強的靈活性，能夠按照朝向的變化進行遮陽。

表1 室內環(huán)境規(guī)定

（2）設計策略。設計規(guī)劃被動式房屋的過程中，一定要充分考慮各種客觀因素，只有這樣才能從根本上實現(xiàn)能源結構的完善。被動式房屋是通過自身能耗的減少實現(xiàn)能源利用率的增強。換句話說，想要更好地落實被動式節(jié)能改造技術，就要培養(yǎng)籌劃與設計的大局觀，保證被動式技術可以成為建筑的主線。第一，冬季保溫。室內溫度的提高與建筑物的散熱量密不可分，而建筑物的散熱量又取決于圍護結構、氣密性等方面。圍護結構的傳熱系數(shù)與保溫性能成正比，前者越小則后者越好，意味著從高溫流向低溫的熱量越少。第二，夏季隔熱。第三，可再生能源。由于人們環(huán)保意識的提高，可再生資源（如地源熱泵、太陽能等）的運用愈發(fā)廣泛。目前，我國許多研究人員已經(jīng)投入到可再生資源與被動房的研究當中，具有相當可觀的未來發(fā)展空間。

2.3 被動式節(jié)能的實際改造

第一，屋頂?shù)母脑臁５怪檬轿菝?、平改坡屋面、保溫防水屋面的重做，這三種是常見的屋頂改造方式。筆者在對比三者的施工簡易程度后認為倒置式屋面的優(yōu)勢更大。通過防水保溫材料的重新鋪設替換曾經(jīng)的架空層不僅能夠降低結露現(xiàn)象的出現(xiàn)頻率，還能夠延長防水層的壽命。除此之外，分析近幾年的被動式超低能耗建筑的屋頂保溫材料可知，擠塑板的使用比例更高。

第二，外門窗的改造。雖然“三玻兩中空”擁有優(yōu)秀的性能，能夠滿足被動式節(jié)能建筑對窗戶的需求，但由于其高昂的造價讓人望而卻步。為此，節(jié)能改造工作的目標轉向了“外掛或內嵌式”，在提高工作效率的同時，還不會對人們的日常造成影響。

第三，陽臺。部分老舊建筑物，其陽臺屬于懸挑結構。為了解決該問題，筆者整理了兩種措施。方案一：拆除相應的懸挑部位，然后改變外包材料，這種方法雖然降低了熱橋的出現(xiàn)概率，但是會縮小建筑內部空間。方案二：利用砌體墻將陽臺封閉起來，既不會對建筑的內部空間造成影響，還能夠實現(xiàn)施工效率的進一步提高。

第四，地下室與地平以下部位的改造。由于地下室很少作為采暖區(qū)域出現(xiàn)，因此時常受到人們的忽視。當?shù)叵率也粚儆诓膳瘏^(qū)域時，可以將其與上層的采暖區(qū)隔離；而地下室頂板的保溫或隔熱能夠實現(xiàn)這一目的。以被動式為改造標準可知，地平以下部位的保溫措施通常只需做到凍土層以下。寒冷地區(qū)的凍土層，其厚度為1 m左右。

第五，氣密性的改造。既有建筑被動式節(jié)能改造會減少采暖耗能，減少了散熱器采暖的應用。即便如此，也要做好孔洞的預留，為風機組與空調的后期安裝提供幫助。防水隔膜以及防水透氣膜作為密封系統(tǒng)的重要組成部分，能夠減少開洞所造成的麻煩。

3 結語

由于我國社會經(jīng)濟高速發(fā)展，寒冷地區(qū)的建筑耗能呈現(xiàn)出了前所未有的上升趨勢。在這種大背景下，為了落實可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，高耗能建筑的改造已經(jīng)成為了核心任務。目前，我國寒冷地區(qū)既有建筑的數(shù)量眾多，擁有巨大的改造潛力。資源節(jié)約型社會的建立并不是一蹴而就的，需要研究者積極探索和不斷努力；筆者希望，本篇文章能夠為我國建筑行業(yè)的未來發(fā)展提供幫助。