西安地區既有建筑節能改造初探

張正中 龍京軍 趙紅軍 顏 亮

(1．南方電網綜合能源有限公司，廣東 廣州 510075;2．綿陽職業技術學院，四川 綿陽 621000)

據統計，目前建筑能耗已占能源消耗總量的27．8%，和交通能耗、工業能耗并列為三大耗能大戶［1］。而在所有建筑能耗中，既有建筑的能耗所占比例較大，因為既有建筑總量大、能耗高，尤其是節能設計規范頒布前修建的建筑均未采取節能措施。因而對既有建筑實施節能改造能夠顯著降低建筑能耗。針對西安地區的既有高耗能建筑，西安市頒布了《西安市人民政府關于加強節能減排工作的實施意見》《2007年全市節能減排重點工作目標和任務分解落實方案》等文件來指導節能改造。同時開展政府辦公建筑和大型公共建筑節能改造，到2010年，既有建筑的改造面積達到了近30萬m2。本文針對西安地區既有建筑的能耗現狀，結合西安地區的氣候地理特點，提出了一些既有建筑節能改造的要點和技術，為西安地區既有建筑節能改造提供參考。

1 西安地區環境特征

西安市地處關中平原偏南地區，東以零河和灞源山地為界，西以太白山地及青化黃土臺塬為界，南至北秦嶺主脊，北至渭河。大體地勢是東南高，西北與西南低，呈一簸箕狀。境內海拔高度差異懸殊位居全國各城市之冠，市區平均海拔400 m［2］。

西安的氣候屬于暖溫帶大陸季風氣候，總體特點是冷熱干濕、雨熱同季、四季分明。西安市年平均氣溫13．0℃ ～13．4℃。西安市全年盛行東北風，平均風速為2．0 m/s～2．6 m/s。西安市年日照時數為1 983．4 h～2 267．3 h，由西向東逐漸增加。年降水量為558 mm～750 mm，年平均相對濕度在70%左右［3］。

2 既有建筑節能改造技術

2．1 外圍護結構改造

西安地區20世紀60年代～80年代住宅外墻多采用240 mm的實心粘土磚，同時在內外抹灰或飾面，厚度約為20 mm。住宅屋頂為平屋面，極少設置保溫隔熱層，保溫隔熱效果差。同時，窗戶多為木框單玻窗或空腹鋼窗。90年代以后所建住宅仍采用實心粘土磚，墻體構造和60年代～80年代基本一樣。但這一時期還出現了少量高層住宅，結構形式一般為薄壁框架結構［4］。外墻構造為180 mm鋼筋混凝土剪力墻加內外20 mm普通抹灰。填充墻構造為200 mm，加氣混凝土砌塊加內外20 mm普通抹灰。外圍護結構設有外墻保溫砂漿。此時，窗戶大量使用鋁合金和塑鋼窗。由于采用單玻設計且窗框未進行斷熱設計，所以窗體的整體傳熱系數較高。如圖1所示為西安某典型住宅外圍護結構圖。屋面的通用做法為現澆和預制混凝土屋面，未進行特殊隔熱處理。改善圍護結構的熱工性能是減少建筑冷熱能耗的重要途徑，根據西安地區的氣候特點，對既有建筑外墻的節能改造以冬季保暖為主，同時兼顧夏季隔熱、遮陽。可通過以下幾個方面來進行節能改造。

2．1．1 外墻敷設保溫層

對于既有建筑，可以通過對外墻實施保溫，主要包括內保溫和外保溫。在既有建筑改造時，內保溫將極大影響室內的使用，同時建筑使用面積由于添加保溫層而減小，而且內保溫將大大影響墻面的蓄熱性能，對維護室溫穩定不利。而外保溫可以減小或避免產生熱橋，同時消除結露和霉變現象，提高了居住的舒適度，因而墻體外保溫應廣泛在西安地區建筑節能改造中運用。墻體外保溫主要有以下幾種:1)EPS(聚苯板)類外保溫;2)硬泡聚氨酯保溫系統;3)巖棉板保溫系統;4)外掛預制復合保溫系統。墻體外保溫的重點是在熱橋部分的保溫隔熱，如混凝土或鋼筋混凝土的梁、柱、板和肋等。

在進行圍護結構的節能改造時，可利用動態建筑能耗模擬軟件(如DeST，EnergyPlus，eQuest等)分析保溫層厚度對建筑節能效果的影響，并結合經濟性分析最佳經濟層厚度和投資回收期等。

2．1．2 屋頂節能改造

為了改善頂層住戶的舒適性和耗能指標，通常可采用以下節能措施:1)同外墻體一樣采用外保溫。2)屋頂綠化。植被可形成天然的熱屏障，起到良好的夏季隔熱、冬季保溫特性和熱穩定性。同時由于植物的光合作用、蒸騰作用和呼吸作用，還可改善建筑熱環境和空氣品質。西安市從2010年10月1日起已在六城區大力推廣屋頂綠化技術，預計綠化面積將達到上萬平方米。但是由于既有建筑年代多已久遠，在運用屋頂綠化技術時一定要考慮屋頂的承重，還應注意屋頂的防水及排水問題。圖2為西安某辦公樓屋頂綠化實物圖。3)坡面屋頂改造。坡面屋頂為頂層住戶提供一個隔熱層，同時可在坡面安裝太陽能熱水器等。

圖1 西安某住宅外圍護結構圖

圖2 西安某辦公建筑屋頂綠化圖

2．1．3 門窗節能改造

門窗的保溫性能也是圍護結構熱工性能的重要環節。單層玻璃窗熱阻小，保溫性能差，可采用熱阻大的窗玻璃和窗框材料，如Low-E玻璃、中空玻璃和塑鋼窗框、斷熱鋁合金窗框等。同時西安地區的既有建筑很少考慮外窗遮陽，因而可通過在窗戶內外增加遮陽，減少太陽輻射。結合西安地區要求“冬季采光、夏季遮陽”的氣候條件，建議采用可動式遮陽技術，即葉片可根據需要翻轉角度從而達到取光或遮陽的效果，圖3為電動式遮陽翻板。

圖3 電動式遮陽翻板

2．2 空調系統改造

對于大型公共建筑空調系統主要由空調冷熱源、空調水系統及空調風系統組成。因而對空調系統的節能改造主要是針對這三部分。

2．2．1 空調冷熱源

西安地區大型公共建筑空調系統目前存在裝機負荷偏高、空調冷水機組在部分負荷下效率低、換熱器效率低、空調制冷機組配置不合理等問題。針對既有制冷機組，可通過提高制冷機組的運行負荷率、合理調節蒸發溫度和冷凝溫度，減少機組水側污垢熱阻等來提高制冷機組的效率。同時可考慮分布式能源系統和熱泵技術來代替傳統的冷熱源。西安地處渭河平原，屬于黃土高原(Loess Plateau)地貌。渭河平原的黃土高原土壤松軟，厚度達200 m～300 m，水位20 m～40 m，平均導熱系數約1．7 W/(m·K)，平均定容比熱容約2 200 kJ/(m3·K)，利于熱擴散，蓄存同樣冷(熱)量需要巖土層體積小，打孔、埋管容易，因而非常適合采用土壤源熱泵空調系統。同時在關中平原渭河流域，地下水徑流模數在25．0 m3/(s·km2)～33 m3/(s·km2)之間，地下水比較豐富，也比較適合水源熱泵空調系統［5］。在建筑周圍有合適的區域進行施工布置時，結合國家配套的財政補貼，對西安地區既有建筑改造時可以應用地源熱泵空調系統。但是在地源熱泵空調系統設計時，應充分考慮西安地區的冷熱負荷不平衡。

2．2．2 空調水系統

西安地區空調水系統目前存在變頻水泵使用較少，水泵額定功率高，效率普遍較低、部分空調冷凍水系統中管道保溫較差、冷卻塔效果差以及水力失調等問題。因而在節能改造中，應采用變頻技術，即變流量空調系統，這樣在部分負荷下具有良好的節能效果。同時對冷凍水系統進行保溫和清理冷卻塔的污垢等能顯著提高空調系統的效率。對于負荷不滿足的空調系統，可考慮采用大溫差小流量系統來滿足要求。對于空調水系統的水力失調改造，通常是通過安裝平衡閥來解決。在定流量系統中，可通過在管道系統中增設靜態水力平衡閥，用以解決水力失調。通常在集水器以及關鍵的垂直、水平回水支管處安裝靜態水力平衡閥。在變流量系統中，既要安裝靜態水力平衡閥解決靜態水力失調，又要選擇合理的動態水力平衡設備解決動態平衡水力失調。通常在空調水系統集水器回水總管、主管，以及各層支路回水管等部位安裝靜態水力平衡閥。在末端、空氣處理機、空調箱、新風機組以及制冷機組等前安裝動態平衡閥［6］。

2．2．3 空調風系統

西安地區空調風系統目前存在較少使用變頻泵，在過渡季節未充分利用自然通風以及新風量的控制不準等問題。因而在節能改造時，應采用變風量系統，在部分負荷下時風量可減少，因而能有效的降低風機能耗。同時可對排風冷、熱進行回收，提高熱利用效率。同時對于新風量的控制可通過設置CO2濃度傳感器來進行實時監測控制，從而可減少新風處理能耗。

2．3 照明系統改造

照明設備節能是在保證合理照度標準下，力求減少照明系統中光能的損失使其總的耗能降到最低。西安地區既有建筑照明系統以白熾燈為主，少部分節能燈，且控制不合理。有關數據統計表明，照明設備發熱引起的空調冷負荷占總能耗可達3%～5%，因而在節能改造時也應引起重視。通常的節能措施有以下幾種:1)充分利用自然光;2)使用節能燈，可將白熾燈換成節能燈，由于發光二極管LED在提供同等照度的情況下，其能耗只有節能燈的1/5，條件允許時，可直接應用LED燈;3)運用智能化的照明控制系統，如分區控制、感應控制、場景控制以及聯動控制等。運用智能化控制系統可對照明系統按需求運行，從而達到節能目的。

2．4 綠色能源技術利用

太陽能是所有可再生能源中最重要的基本能源，據中國太陽能資源分布可知，西北地區太陽能資源非常豐富，全年總輻射能在5 900 MJ/(m2·年)～8 400 MJ/(m2·年)，西安的太陽能資源較好，全年日照時數1 983．4 h～2 267．3 h，具備開發利用的基本條件。目前，西安市承擔了太陽能在建筑中規模化應用城市級示范，在住宅小區及大型公共建筑中采用太陽能建筑一體化規模化供熱技術，利用太陽能為示范建筑提供生活熱水及采暖，在將來還可光伏發電。因而在既有建筑節能改造中，也可充分利用豐富的太陽能資源。利用太陽能主要以光熱系統和光伏系統為主，西安冬季較寒冷，利用光熱系統可以提供生活熱水，還可作為室內采暖熱源。如果公共建筑屋頂面積較大，利用光電系統還可以提供日常生活用電，因而光電系統還可以緩解用電緊張。但是在節能改造中，注意家用熱水器的安裝位置，避免樓層雜亂無章，同時在安裝時還應注意保護樓面的防水層和保溫層。同時西安冬季較冷，1月平均氣溫－0．3℃ ～－1．3℃，月平均最低氣溫在－4℃左右。因此，必須考慮屋頂太陽能設備的冬季防凍問題，盡量采用可防凍的平板集熱器。西安多風沙，灰塵容易積結在設備上，為了保證太陽能設備的吸收轉化效率，應該定期對設備進行清潔除塵。

3 結語

通過本文分析，為西安地區的既有建筑節能改造提供了技術要點和措施。但是既有建筑節能改造是一項長期工程，不僅需要科學技術的支持，還需要國家政策法規的完善、全體民眾的廣泛配合以及改造后的優化合理運行等。通過以上措施的不斷完善，對我國建筑的節能減排和可持續發展具有重要意義。

［1］ 徐 偉，鄭瑞澄，路 賓．中國太陽能建筑應用發展研究報告［R］．北京:中國建筑工業出版社，2009．

［2］ 趙西平，王景芹，呂 瑋，等．寒冷地區既有居住建筑能耗現狀分析［J］．西安建筑科技大學學報，2010，42(3):427-430．

［3］ 西安市地圖集編纂委員會．西安市地圖集［M］．西安:西安地圖出版社，1989．

［4］ 趙西平，祖 寧，羅屹立．西安市某兩戶住宅冬季熱工性能對比［J］．山東建筑大學學報，2008，23(6):23-24．

［5］ 張 道，曹 琦．淺論陜西省水文地質構造及其適合的地源熱泵形式［J］．制冷與空調，2010，10(2):14-17．

［6］ 張 璐．空調水系統水力失調的解決途徑［J］．吉林建筑工程學院學報，2006，23(2):49-51．