既有居住建筑被动式节能改造效果

倪海峰， 张卓奋， 张宇峰， 周志华

(1.天津生态城公屋建设有限公司， 天津 300480； 2.天津大学 环境科学与工程学院，天津 300350； 3.中国建筑科学研究院有限公司， 北京 100013)

1 概述

自1991年第一座被动房在德国建成并投入使用，到目前被动房在全球各地得到了快速发展。实践证明，与传统建筑相比，被动房可以节约80%～90%的供暖与制冷能耗[1]。

我国既有建筑体量大，节能水平整体落后，大量既有建筑面临节能改造。为更好地推广被动房在我国本土化应用，住房和城乡建设部于2015年颁布了《被动式超低能耗绿色建筑技术导则(试行)》，为推动被动房在我国的发展提供了技术指导。

本文依据德国被动房研究所(PHI)提出的被动式节能改造(EnerPHit)标准，对天津地区某既有居住建筑的被动式节能改造效果进行计算分析。

2 被动式改造标准及规划设计软件

2.1 被动式改造标准

被动房是将自然通风、自然采光、太阳能辐射、室内非供暖热源等被动式节能手段与围护结构高效节能技术相结合的低能耗建筑。最大限度降低对主动式机械供暖和制冷系统的依赖，并提高室内环境的舒适性。被动房技术主要包括高保温外围护结构、气密性构造、被动式门窗及高效新风系统。

对于既有建筑，受条件限制，节能改造(特别是被动式节能改造)难度比较大。为此，德国被动房研究所(PHI)提出被动式节能改造(EnerPHit)标准，尽可能改善既有建筑的舒适性，提高经济性，节约能源。既有建筑被动式节能改造是否符合要求的判定标准为能源需求标准(见表1)或建筑部件标准(见表2、3)，满足其中一组标准数据即可。表1中的气候区是由被动房规划设计软件(Passive House Planning Package，PHPP)根据改造对象所在地气候数据所确定的。N50换气次数指室内外压差为50 Pa条件下的换气次数。

表3中，Kg为玻璃的传热系数，单位为W/(m2·K)。制冷期最大太阳能得热量限值适用于显热制冷需求大于15 kW·h/(m2·a)的主动制冷的建筑，是在考虑了所有遮阳因素(例如阴影等)后通过单位面积玻璃进入建筑内的太阳能得热量。若超出了该限值，必须采取合适的措施降低太阳能得热量，包括活动遮阳件、遮阳挑檐、遮阳型玻璃(遮阳型玻璃仅适用于炎热、非常炎热这样的纯制冷气候区)。新风系统最小热回收效率既包括供暖期回收室内回风的余热，也包括制冷期回收室内回风的余冷。温热、炎热、非常炎热气候区更难实现被动房，因此未设定具体的新风系统最小热回收效率，仅对炎热、非常炎热气候区规定了最小湿回收率。

表1 能源需求标准

表2 建筑部件标准(不透明围护结构)

2.2 被动房规划设计软件

被动房规划设计软件PHPP由德国被动房研究所开发，贯穿整个设计过程。PHPP计算表中有验证工作表、气候工作表、传热系数工作表、面积工作表、地下工作表、组件工作表、窗户工作表、遮阳工作表、通风工作表、附加通风工作表、制冷期通风工作表及制冷机组工作表等。将所有相关信息输入工作表后，可查看计算结果。建筑物供暖、制冷需求以月为计算单位，采用能量平衡法进行稳态计算。

表3 建筑部件标准(外窗、新风系统)

3 既有居住建筑被动式节能改造

3.1 项目概况

天津(属于PHPP确定的寒温地区)某既有建筑总建筑面积为1 803.48 m2，层高3 m，共6层，典型层平面布置见图1。被动式节能改造涉及改善围护结构绝热性能、加强建筑气密性、新增新风机组。

3.2 被动式节能改造

① 改善围护结构绝热性能

既有居住建筑按DB 29—1—2013《天津市居住建筑节能设计标准》设计。拆除建筑物原有保温材料、外窗、外门等，并按照建筑部件标准限值进行重新设计，使用垂直百叶对建筑物南向、西向及东向窗户进行遮阳。既有居住建筑改造前后围护结构构造分别见表4、5。改造前后围护结构传热系数及外窗遮阳系数见表6。

图1 典型层平面布置

表5 改造后围护结构构造

表6 改造前后围护结构传热系数及外窗遮阳系数

对于不供暖地下室，其楼板与墙体接触部位为热桥。不仅会耗费大量能源，而且冬季有发霉的可能，因此需要进行保温处理。不供暖地下室楼板与墙体接触部分处理方案见图2。使用240 mm厚XPS板对不供暖地下室楼板进行保温，外墙保温层延伸至楼板以下600 mm。采用热桥线传热系数计算软件Ptemp，在室外温度-5 ℃，供暖房间室内温度20 ℃，非供暖地下室室内温度0 ℃条件下，对热桥部分的温度场进行模拟。模拟结果显示，首层墙角位置的温度可达到16.4 ℃，可以消除热桥。

图2 不供暖地下室楼板与墙体接触部分处理方案

② 加强建筑气密性

既有居住建筑N50换气次数为2.26 h-1，为使改造后N50换气次数降至0.6 h-1，气密性改造主要针对以下3方面进行。

a.改造时使用的外门、外窗均使用经过PHI认证满足气密性要求的节能门窗，并在外墙与窗框间使用防水隔气膜与防水透气膜组成的密封系统[2-3]。

b.为保证穿墙管线位置严密，兼顾建筑整体保温效果，使用岩棉板对管道与墙体间缝隙进行封堵，并在墙体两侧采用防水雨布进行防水处理。

c.外墙上的插座盒使用石膏填充并用密封胶封堵，这样可以保证插座盒位置延续主体抹灰层连续性，防止抹灰层的中断。

③ 新增新风机组

为防止用户在供暖期及制冷期由于无控开窗通风导致的额外能耗，通过新增新风机组满足室内人员新风需求。改造后，每户采用1台经过PHI认证的家用全热回收新风机组，机组热回收效率75%。

4 改造效果

① 能源需求标准

由于PHPP没有针对天津地区的气象参数，因此选取软件自带的北京地区的气象数据(包括逐月室外温度、地温、太阳辐射照度等计算参数)，生活热水用量、照明装置功率、室内设备发热量、人体散湿散热量等也均来自PHPP自带的数据库。供暖期、制冷期室内温度分别设定为20、25 ℃。将既有建筑功能(住宅、教育、办公等)、结构参数、围护结构参数等输入PHPP，即可计算得到供暖需求、制冷+除湿需求、一次能源需求。一次能源需求包括制冷、除湿、热水制备装置、照明装置、用电设备等的能源需求。

由PHPP计算得到的被动式节能改造后的供暖需求、制冷需求+除湿需求、一次能源需求与限值见表7。由表7可知，被动式节能改造后的供暖需求、一次能源需求满足限值要求，但制冷需求比较高，主要原因为南向窗面积过大，这也是供暖需求比较低的主要原因之一。改进方向为增强夏季遮阳措施，适当减小南向外窗面积。

表7 被动式改造后的供暖需求、制冷+除湿需求、一次能源需求

② 建筑部件标准

由于地下室为不供暖地下室，因此该算例不涉及与土壤连接部分不透明围护结构传热系数的判定。在计算玻璃太阳能总透射比时，玻璃传热系数取0.8 W/(m2·K)。建筑部件标准的判定结果见表8。

表8 建筑部件标准的判定结果

根据建筑部件标准的判定结果可知，该既有居住建筑经被动式节能改造后，符合建筑部件标准被动房标准要求。

5 结论

改造效果不满足能源需求标准，被动式节能改造后的供暖需求、一次能源需求满足限值要求，制冷需求超标；改造效果满足建筑部件标准。被动式节能改造后该既有居住建筑符合被动房节能要求。