严寒地区既有居住建筑被动式节能改造探究
吉林建筑大学市政与环境工程学院 黄文瀚 杨金钢 李鑫福 赵洪宇 马宏达
摘 要：本文通过对吉林建筑大学通风实验室改造为被动房性能实验室的建设过程的总结和技术参数的汇总，并结合对实验室投入使用后的冬季初步监测数据分析，总结出严寒地区既有建筑被动式节能改造技术关键点并根据冬季初步监测结果对其居住环境进行评价分析。
关键词：被动房；建筑节能；舒适度；温度场
基金项目：大学生创新创业训练项目“严寒地区被动式超低能耗居住建筑评价体系研究”。
0 引言
随着人民生活水平的提高，建筑能耗将呈现持续迅速增长的趋势，这我国能源资源供应与经济社会发展的矛盾。降低建筑能耗，实施建筑节能，对于促进能源资源节约和合理利用，缓解我国的能源供应与经济社会发展的矛盾，有着举足轻重的作用。目前我国城乡既有建筑面积达420亿m2，这些建筑中的95%以上普遍存在耗能大、效率低、围护结构的保温隔热性能差等问题，并具有夏季空调用电量大、冬季采暖能耗高的特点。因此，如何降低既有建筑能源消耗，提高能源利用效率，实施建筑节能，是我国可持续发展待研究解决的重大课题。
被动式房屋的概念由德国提出，是国际认可的全新节能建筑概念，也是我国发展节能建筑的契机。它集“高舒适度、超低能耗、超微排放”为一体，成为现代建筑走进自然的代表，将是未来居住建筑的潮流。其原理是应用高性能的围护结构、高效的新风热回收系统以及可再生能源的利用，使建筑物的热量损失达到最小，最大限度地降低对主动式采暖系统的依赖。对于采暖能耗巨大的严寒地区，既有建筑的被动式节能改造也许是最好的解决途径。
本文以既有建筑被动房改造案例—吉林建筑大学被动房性能实验室为研究对象，总结其建设过程中节能关键技术和施工手段，并对交付使用后，冬季初步性能监测数据分析，探索严寒地区既有居住建筑节能改造的有效途径。
1 被动房性能实验室改造工程
被动房性能实验室建筑面积为48m2，地点位于吉林建筑大学土木教学馆一楼，原为通风实验室，后将朝南的实验室隔出一个空间（7.7m×6.2m×4m）进行被动房改造。
图1 实验室改造前 图2 实验室改造后
该被动房性能实验室为模拟居住建筑所改造，内置洗手盆、抽油烟机、分体式空调等居住建筑常用物件，可以很好的模拟严寒地区居住建筑的使用情况。
经过初步分析，要完成被动式超低能耗的目标，项目的主要技术参数初步控制如表1。
表1 主要技术参数
被动房实验室具体改造建设的关键技术要点主要如下：
1.1 围护结构
根据围护结构所处的温度环境不同，将保温做法分为五部分，分别进行设计。以下所有保温厚度的确定，均根据PHPP 计算，满足能耗指标情况下最终得出。
主要实施途径如下：
（a）外墙直接接触室外，在冬季时室内外温差大，此处采用49墙体+300mm 石墨聚乙烯保温（内保温）；
（b）地面直接接触土壤，在冬季时室内外温差相对外墙较小，由于此项目，地面面积相比外墙面积大，故此处热损失也比较大，此处的保温厚度为250mm；
（c）室内隔墙和天花板相比以上两处，均为室内环境，温差比较小，但面积相对来说比较大，此处的热量损失也不可忽视，由于温差较小此处的保温选择采用内墙加+200mm石墨聚乙烯保温（内保温）；
（d）被动房的门窗对整个建筑能耗非常重要，此项目门所处位置为室内，无太阳辐射，只需考虑热损失，窗户为南向，且面积较大，选择被动房窗户，冬季可以保证得热大于热损失。本项目窗户和门的参数要求如下：
窗户：采用实心铝合金三玻，low-e玻璃。（窗户面积8.8m2）传热系数 U 值≤0.8W/m2·K ；门：采用高性能保温门 U值≤0.8W/m2·K ；
（e）在被动房的窗户外使用活动外遮阳，降低夏季能耗，减少太阳得热，其升降由室内控制器控制。
1.2 新风系统
本项目新风系统参数如下：
（a）新风换气热回收系统全热回收主机1台：回收效率大于75%，主机具有防结露结霜功能，可在-30℃以上，正常进行新风交换；
（b）高效管道过滤箱1个：五层净化效率有效去除空气中的异味、颗粒及分解VOC 等有害菌；对空气中PM2.5（0.3~0.5μm）的过滤效率为98.4%；
（c）新风与排风系统气流组织合理设计，有效排除室内污染物。
1.3 采暖系统
本项目能源系统采用电采暖，电采暖技术参数如下：（a）加厚型金属屏蔽，通过美国电磁辐射检验及美国UL 认证；（b）有安全接地措施以及XLPE绝缘工艺；（c）温型液晶温度控制器，可实现自动、手动开启或关闭加热设备，多时段定时开启、关闭加热设备。
1.4 无热桥和防潮处理
在被动房设计中热桥的损失不可忽略，此项目为只有一个空间，采用内保温做法时可以做到保温连续，产生的热桥的影响较少，但仍然需要注意以下部位的热桥：（a）内遮阳窗帘安装预埋件；（b）建筑内的管道与墙连接部位；（c）插座开关电箱等部位；（d）其他破坏保温连续性的部位。
对于改造建筑内保温做法来说，必须考虑由于内外温差和湿度差引起的墙体可能结露的风险，热桥处以及冷水管道处都可能产生结露。对于建筑外墙来说由于冬季温差和湿度差较大，室内高温湿空气向室外转移，会在温度较低的墙体部位发生冷凝，破坏墙体结构和室内卫生环境，因此需要在内部设置防水隔汽膜，避免此种情况发生，同时对于热桥和冷水管道部位，也要做相应的防结露处理。
1.5 气密性处理
被动房要求的气密性为n50＜0.6h-1(维持室内50pa正压，每小时换气次数不超过0.6次)，被动房改造项目为n50＜1h-1，对于体积较小的建筑来说，气密性比较难以达到，需要在门窗安装以及在保温施工之前对于气密性有影响的部位实现进行气密处理。以下是本项目可能的气密性薄弱环节：（a）门窗安装部位；（b）穿墙管道部位；（c）新建隔墙与原墙体连接部位；（d）原窗户封为墙的部位；（e）地下通风井口位置；（f）其他可能的贯穿部位。
2 冬季初测分析
在被动房性能实验室交付使用后，实验团队对其进行了冬季的初步监测，时间从1月17日到1月31日，在每天的监测时间段，热回收新风机正常运行，将外遮阳升起，电地暖开启并设置室内温度为18℃，同时测试人员在被动房内进行正常的工作和休息活动，本文选择其中1月21日的监测数据作为分析。
2.1 室外环境监测
该项监测的进行依靠设置在土木教学馆楼顶的气象监测站对室外进行24小时的气象监测，监测内容为室外温度和相对湿度。如图3、图4所示。通过监测数据观察可以看出，在夜晚期间温度最低接近-19℃，在白天温度最高-12℃。
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| 图3 室外温度变化图 | 图4 室外相对湿度变化图 |
2.2 室内温度场监测
利用被动房性能实验室内的温度场监测系统，该系统利用支架将80个温度探点均匀布置于被动房空间中，共分五层，由上到下分别是1~5层，监测结果分别如图5、图6、图7、图8、图9所示。
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| 图5 第一层温度探点平均温度与室内平均温度 | 图6 第二层温度探点平均温度与室内平均温度 | 图7 第三层温度探点平均温度与室内平均温度 |
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| 图8 第四层温度探点平均温度与室内平均温度 | 图9 第五层温度探点平均温度与室内平均温度 |
通过各层曲线与平均温度曲线对比得出，室内空间温度呈由下向上微弱递减的趋势，这种温度梯度可以带给人们很好的热舒适感，从曲线总体趋势来看，受日照和室外温度的影响，在19:00~11:00温度呈下降趋势，在11:00~19:00温度不断上升，室内温度在19:00左右达到最高值，温度达到16.5℃，在午间时段温度最低低至12.5℃。
2.3 室内环境监测
使用室内空气品质检测仪对室内CO2浓度、相对湿度、PM2.5浓度、PMV指数进行监测，监测结果分别如图10、图11、图12、图13所示。
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| 图10 室内CO2 浓度 | 图11 相对湿度 |
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| 图12 PM2.5浓度 | 图13 PMV指数 |
通过监测结果发现在监测时间段，PMV指数在-1左右波动，根据表2中的热感标尺划分，室内属于稍凉、PM2.5浓度值在15~55之间波动，根据表3判定属于优良等级，且大部分时间处于优秀等级，CO2浓度一直处于390~415之间，在这区间的人体感觉呼吸顺畅。
3 结论
通过被动房性能实验室改造过程的总结，概括出严寒地区既有居住建筑被动式超低能耗改造的技术关键点，可为严寒地区既有建筑节能改造提供参考，又通过对冬季被动房的初步监测，发现改造后的被动式居住建筑在保证超低能耗的同时，借助新风换热系统和地板低温辐射采暖系统足以保障室内空气品质的优良和热舒适程度。对于采暖能耗巨大的严寒地区，有着大量的高能耗居住建筑，不仅使得居民产生较大的能耗费用，也导致国家能源资源紧张，环境污染日趋严重，因此势必开展既有建筑被动式节能改造工作 。
参考文献
[1] 孔文憭, 龚延风,于昌勇等.被动房冬季运行室温响应实测分析[J].建筑科学，2016,32(4).
[2] 周洪涛, 张振,长春市居住建筑被动式墙体设计策略研究[J].四川建材，2017,43(3).
[3] 王杨养, 陶进, 任楠楠. 严寒地区被动式超低能耗居住建筑示范研究[J].山西建筑，2015,41(31).
[4] 李铌,李亮,赵明桥,等.城市既有建筑节能改造关键技术研究[J].湘潭大学自然科学学报，2009,31(3).
[5] 金虹, 邵腾, 金雨蒙, 等. 被动式技术在严寒地区农村住宅中的应用研究[J]. 西部人居环境学刊, 2016,31(01):115–118.
[6] 高贵芬. 浅谈被动式住宅[J]. 建筑科学, 2014, 2(01):214.
备注：本文收录于《建筑环境与能源》2017年3月刊总第3期。
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