城镇老旧小区能耗优化研究及冬季舒适度分析

邹亚蕾,江昔平

(安徽理工大学 土木建筑学院,安徽 淮南 232000)

2020年7月,住建部发布了《国务院办公厅关于全面推进城镇老旧小区改造工作的指导意见》[1](简称“旧改”),致力于城镇老旧小区的改造;2021年3月,《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》提出“加快推进城市更新,改造提升老旧小区、老旧厂区、老旧街区和城中村等存量片区功能”[2],足见旧改工作在“十四五”时期的重要性。

城镇老旧小区是指城市或县城建成年代较早、失养失修失管、市政配套设施不完善、社区服务设施不健全的住宅小区(含单栋住宅楼)[1],2000年底前建成的老旧小区为重点改造对象。这些小区大多为4～6层砖混结构的单元楼,且无电梯,受限于当时设计标准、经济及施工技术,围护结构保温隔热性能极差,门窗等密封性及隔热性不佳,导致能耗浪费、室内热环境差、人体舒适指数低等一系列问题。全国目前共有老旧小区近16万个,涉及居民超4 200万户,建筑面积约40亿m2[3]。随着时间的推移,老旧小区数量将持续增加,与此同时,旧改规模逐步扩大,2023年,我国将新开工改造城镇老旧小区5.3万个以上[4]。

对既有建筑的节能改造集中体现在对围护结构的改造方面[5-7],陈玢晶等[8]对照明、节水及热水系统进行了改造及经济效益分析。在老旧小区改造方面也有广泛的研究。赵万民等[9]对重庆市老旧小区公共空间进行规划改造;齐锡晶等[10]对旧改构建了仿真模型,对各个改造项目进行效益分析并提出促进综合效益提升的对策;王丹阳[11]基于碳排放标准对老旧小区进行了电梯、绿化、照明、水电等改造。本文在对老旧小区进行围护结构改造及研究的基础上,增加了改造后的热舒适度比较分析。

1 建筑概况

1.1 模型建立

选择郑州市某老旧小区单元楼进行模拟改造,该小区建于二十世纪九十年代。建筑共6层,层高2.8 m,无电梯,建筑占地面积274.96 m2,总面积1 649.76 m2,体形系数0.408,南向窗墙比为0.30,北向窗墙比为0.22,综合窗墙比0.21。在DeST-H软件中建立模型。建筑南向、北向模型图和平面图如图1、图2所示。围护结构热工参数如表1所示。

表1 建筑围护结构热工参数表

图1 建筑模型图

图2 建筑一层平面图(单位:mm)

1.2 能耗分析

建筑地点位于郑州市,建筑南向角度为180°。设定室内人员数3 人,其中客厅2人、卧室1人,供暖方式选择分体式独立空调。通过调研本栋单元楼发现:65%的家庭客厅设1台空调、主卧设1台空调,共2台空调;20%的家庭客厅只有1台空调;10%的家庭客厅、主卧、次卧各1台空调,共3台空调;5%家庭无空调。此模型将客厅和主卧设置为有空调,其余房间均无空调。冬季采暖季设为当年11月15日～次年3月15日。换气次数对寒冷地区热负荷影响较小,对冷负荷影响较大[12],此次模拟换气次数夏季设置为1次/h,冬季为0.5次/h。通风均采用房间与外界通风及阳台与客厅间通风。其余设备热扰、人员热扰、人员作息等使用DeST软件中默认设置。设置好参数后,不考虑阳光遮挡和天空背景辐射,进行全年365 d的住宅负荷分析和建筑室温计算,改造前建筑模拟负荷统计如表2所示。

表2 改造前全年负荷模拟结果数据表

GB 50176—2016《民用建筑热工设计规范》[13]将我国划分为5个热工分区:严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区和温和地区。郑州地区属于寒冷B区(2B区),根据《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》[14](简称《节能标准》)指出,该地区新建居住建筑设计供暖年累计热负荷为10.3 kW·h·m-2。该老旧单元楼的全年累计热负荷指标为53.75 kW·h·m-2,远高于参考值,造成能源浪费,因此有必要进行能耗优化。

2 围护结构节能改造

2.1 外墙节能改造模拟分析

传统的抹灰保温层保温效果差,且长期暴露在外,容易造成空鼓、脱落,对人民生命造成威胁[15]。本次研究采用外墙保温板,国内目前常用的外墙外保温材料有模塑聚苯板(EPS)、挤塑聚苯板(XPS)、硬泡聚氨酯板(PUR)、岩棉板。常见的屋面外保温材料除了上述4种材料外,还有膨胀珍珠岩、陶粒混凝土等。但由于膨胀珍珠岩、陶粒混凝土等材料传热系数高,要想达到较好的保温隔热能力往往需要20 cm以上的厚度,故本次屋面保温依旧选择EPS、XPS、PUR、岩棉板等4种材料。

本建筑高度小于24 m,其保温材料的燃烧性能不应低于B2级。所选4种保温板材中,岩棉板是A级防火保温材料,属于无机不易燃烧材料;市面上常见的EPS板、XPS板、PUR板防火等级为B2级,加入大量的阻燃剂后可达到B1级。

保持模型其他参数不变,现将4种材料分别以30～70 mm(步长为10 mm)不同厚度作为外墙保温层改造;以80～140 mm(步长为20 mm)不同厚度作为屋面保温层进行改造,模拟全年累计冷、热负荷指标如图3所示。

a 热负荷指标随外墙厚度及材料变化图

由图3可以看出,对老旧单元楼进行外墙外保温改造,显著降低冬季热负荷,可有效减少热量散失。外墙材料保温性能:PUR>XPS>岩棉板>EPS。随着外墙厚度的增加及传热系数的降低,热负荷也逐步降低;但是冷负荷却随着外墙传热系数的减小而小幅度增长(增长范围在1 kW·h·m-2之内)。说明在只进行外墙改造的情况下,虽然冬季节能效果良好,但夏季却有了反节能效果。屋面作为建筑最顶部的围护结构,接触太阳辐射面积最大,因此屋顶的热流失也较大。因为用于屋面的岩棉板传热系数大于外墙的岩棉板,故屋面材料保温性能:PUR>XPS>EPS>岩棉板。与外墙相比,屋面增设外保温板可同时降低冷、热负荷。

围护结构改造节能率定义为改造节省的供热、制冷能耗与改造前的供热制冷总能耗之比[16]。外墙、屋面分别进行加装保温板后的节能率如图4所示。外墙加装保温层后,其节能率范围为16%～25%,在EPS板和岩棉板厚度达到50 mm,XPS板和PUR板厚度达到60 mm,保温层每增加10 mm,节能率增长不到1%。屋面加装保温层后,其节能率范围在18%～22%,可见这4种保温材料及不同厚度对屋面进行改造后对节能率影响差别不大,各方案节能率差值在4%之内。与外墙保温层相同,持续增加保温层厚度,节能率增加趋势也逐渐减弱,所以外墙、屋面改造时不应该盲目增加保温层厚度。

a 节能率随外墙厚度及材料变化关系图

目前大部分城镇老旧小区住宅楼的建筑外窗基本使用单层玻璃窗,这类窗户的传热系数较大,造成大量热量损失。由于空气渗透引起的热量损失占建筑累计热负荷的25%～50%[17],因此外窗改造对于能耗优化十分重要。在外窗的节能改造中,选用充惰性气体+镀low-e膜中空玻璃(C1方案)、中空玻璃(C2方案)、真空+镀low-e膜玻璃(C3方案)进行分析,暂不设置内、外遮阳。外窗改造后建筑的冷、热负荷指标及节能率如图5所示。

图5 冷、热负荷指标随外窗类型变化关系图

当只对外窗进行改造时,建筑冷、热负荷均随着外窗传热系数的减小而减小。当选用C1方案时,单项节能率达到了27.76%。C2、C3方案节能率分别为12.98%、22.75%。可见外窗的节能改造对建筑负荷影响较大。建筑中单因素改造措施节能减排有效程度:外窗>外墙>屋面。

2.2 多因素围护结构综合改造模拟结果分析

《节能标准》[14]指出,位于寒冷B 区(2B区)且建筑层数≥4层的建筑,其外围护结构热工性能参数限值:外墙为0.45W/(m2·K),屋面为0.3 W/(m2·K),外窗(窗墙面积比≤0.3)为2.2 W/(m2·K)。

当外墙保温选用70 mm的EPS板或岩棉板、50 mm以上的XPS板或PUR板,屋面选用120 mm以上的XPS板或100 mm以上的PUR板,外窗选用充惰性气体+镀low-e膜中空玻璃或真空+镀low-e膜玻璃时,满足热工设计规范[13]。

综合考虑其是否满足标准传热系数限制、节能率与经济性,选用方案:外墙采用60 mm厚XPS板,屋面采用120 mm厚XPS板,外窗为充惰性气体+镀low-e膜中空玻璃。住户的外门也从单层木门改为双层木门。同时,由于单元楼楼栋入口无围护结构,楼梯间为开敞式楼梯,热量传递大,将楼梯间入口处加以改造,加装2 000 mm×2 200 mm的单元楼入口门。

改造后的建筑模拟负荷统计如表3所示。围护结构进行改造之后,全年累计热负荷指标降至5.98 kW·h·m-2,满足节能设计标准中的规定。相比于改造前(见表2),热负荷降低了88.87%,冷负荷降低了15.8%。可见围护结构的改造对热负荷的降低有显著效果,对夏季冷负荷的降低效果不如热负荷明显。改造后总体节能率达到了61.47%。

表3 改造后全年负荷模拟结果数据表

3 房间热舒适分析

3.1 房间舒适温度区间的确定

de Dear等[18]根据多年调研结果,提出适应性模型,并建立室外平均温度与室内最优温度的回归方程

Tcomf=0.31Ta,out+17.8

(1)

式中:Tcomf为室内舒适温度,℃;Ta,out为室外月平均温度,℃。根据DeST-H软件自带气象参数表可查得郑州地区室外月平均温度,代入上式得出室内最优温度如表4所示。

表4 室内最优温度表

选取冬季最冷的3个月份(12月、1月、2月)进行改造前后自然室温对比,结果表明,室内温度达到80%可接受舒适度时可用以表征室内温度的热舒适区,寒冷地区80%居民满意的空气温度范围为16.61～25.53 ℃[19],以此温度区间为评价标准来评析单元楼节能改造后房间的室内温度的舒适率。

3.2 改造前后冬季平均自然室温及提升率对比

自然室温指室内未使用采暖或空调系统的室温[16],仅受室外气象条件和室内各种发热物体热扰的影响。利用DeST-H软件中自然室温模拟计算单元,对改造后全年8 760 h的自然室温进行模拟。提取出当年12月～次年2月的2 160 h进行分析。选取客厅、南主卧、北次卧为代表房间,自西向东按户分类为A、B、C、D。一楼最西户为1-A(客厅为1-A1、南卧为1-A2、北卧为1-A3);一楼自西向东第二户为1-B(客厅为1-B1、南卧为1-B2、北卧为1-B3);一楼自西向东第三户为1-C(客厅为1-C1、南卧为1-C2、北卧为1-C3);最东户为1-D(客厅为1-D1、南卧为1-D2、北卧为1-D3)。房间类型划分如图6所示,2～6层以此类推。研究1～6层楼共72个房间改造前后的冬季自然室温变化规律。

图6 房间类型划分图

如图7所示,改造前,冬季客厅、南卧自然室温分布在8～14 ℃,其中6楼平均室温在8～10 ℃内,其余楼层平均室温在11～14 ℃内,可见在节能改造前6楼的保温隔热能力最差。同楼层同户型中,北卧室温比南卧、客厅低2～3 ℃。改造前各楼层平均室温排序为:3层>2层>4层>1层>5层>6层。高层(5层、6层)及北向房间的居住热环境不佳。

a 改造前后客厅冬季平均室温对比图

改造后,冬季客厅自然室温提升至16～20 ℃,南卧自然室温提升至15～19 ℃;北卧自然室温提升至13～17 ℃。改造后各楼层平均室温排序为:3层>4层>2层>5层>1层>6层。每个房间自然室温都提升了至少4 ℃,6楼提升温度最高,最多可提升8 ℃。

B、C类户型由于处于中部,室温比A、D类户型要高。其中靠近西侧的A、B房间分别要比靠近东侧的D、C房间平均室温稍高,不过差别很小,温差不足1 ℃,可忽略不计。

如图8所示,冬季室内自然室温的提升率随着楼层增高而增高,这说明围护结构的改造十分有利于高层住户室内自然室温的提升。不过随着楼层降低,室温提升率降低的趋势也缓慢下降,1层与2层、2层与3层室温提升率差值都在1%之内。其中客厅与北向房间每个楼层的不同户型的同类型房间之间室温提升率基本一致,但南向房间的1～4层A、D类房间均比B、C类房间高出10%左右。北向房间的室温提升最为明显,各房间室温提升率在54.96%～96.94%之间;其次是客厅室温提升率在40.02%～87.11%之间;南向房间室温提升率最低,在32.94%～80.8%之间。室温提升率:北向房间>客厅>南向房间。可以看出,南北朝向及楼层高低对冬季自然室温提升率有很大影响,东西朝向对冬季自然室温提升率的影响不大。

a 客厅室温提升率

3.3 改造前后冬季热舒适时间对比研究

满足16.61～25.53 ℃室内温度热舒适区的小时数与总小时数的比值即为舒适时间率。

统计得出,改造前72个房间自然室温在2 160 h中均不满足舒适区间,即舒适时间率为0%。改造后自然室温显著提高,总体舒适时间率大大提升,如图9所示。明显看出,3层处于中间楼层,其舒适时间率提升最大,接下来是4层、2层、5层、6层、1层。其中6层和1层分别处于单元楼最高层和最低层,其舒适时间率最小。B、C类房间处于中部,舒适率比A、D类房间舒适时间率要高。其中靠西的A、B类房间舒适时间率要比靠东的D、C类房间舒适时间率高1%～2%。

图9 改造后房间舒适时间率

北向房间虽然室温提升率很高,但由于原本室温较低,改造后室温依旧不如客厅和南向房间,导致其舒适时间率远不如客厅和南向房间。建筑边缘房间(最底层1层A、D户型房间与最高层6层A、D户型房间)舒适时间率相差不大,均在10%以下。6层的A、D房间舒适时间率最低;3层的B、C房间舒适时间率最高,可达92.18%。总体舒适时间率排序:客厅>南向房间>北向房间;3层>4层>2层>5层>6层>1层。

4 结论

(1)当仅对外墙进行外保温改造时,热负荷随着外墙传热系数的减小而减小,但冷负荷却会随之小幅度增加,起到夏季反节能的作用。并且当EPS板和岩棉板厚度达到50 mm、XPS板和PUR板在厚度达到60 mm后,保温层每增加10 mm,其节能率也只能增长不到1%。若持续增加保温层厚度,节能率增加趋势会逐渐减弱。屋面增设保温层或更换外窗改造可有效降低全年冷、热能耗。

(2)综合改造后的节能率达到61.47%,其中热负荷下降最明显为88.87%,冷负荷下降不明显,为15.8%。

(3)改造后的单元楼冬季平均自然室温可提高4～8 ℃,改造前冬季自然平均室温3层>2层>4层>1层>5层>6层;改造后变为3层>4层>2层>5层>1层>6层;改造前后自然室温大小:客厅>南向房间>北向房间。外围护结构改造对室温的提升率随着楼层增高而增高,即室温提升率6层>5层>4层>3层>2层>1层;北向房间>客厅>南向房间。B、C类房间由于处于中部,改造后室内平均自然温度均比边缘的A、D类房间要稍高。其中靠西的A、B类房间自然室温要比靠东的D、C类房间高1 ℃左右。南北朝向对自然室温及室温提升率起到很大的影响作用,东西朝向对自然室温及室温提升率的影响可忽略不计。

(4)改造前各房间的舒适时间率为0,改造后的舒适时间率得到很大提升,总体舒适时间率排序:客厅>南向房间>北向房间;3层>4层>2层>5层>6层>1层。即中间楼层和房间自然室温和舒适率最佳。在冬季,改造后6层平均室温虽然最低但室温提升率最高,1层满足舒适小时数最少。