城中村建筑物集中供熱改造后節能措施的研究

周 浩，劉彩霞

(包頭市熱力(集團)有限責任公司,內蒙古 包頭 041030)

1 背景

近年來,我國北方很多城市大力清潔供熱改造,對于治理霧霾和空氣質量持續好轉起到了積極的作用。為實現碳達峰、碳中和的環保目標,2023年根據住建部整體規劃,全國各地陸續推進城中村改造工作,今后城中村的宜居改造將成為我國城市建設管理的重點。

但是,原來采用城中村多數為居民自建房屋普遍存在建設年代較為久遠,沒有節能措施,在集中供熱運行過程中,實際耗用熱量遠遠超過正常城市集中供熱用能標準。本文結合包頭市昆都侖區北沙梁城中村改造項目的實際運行情況,對比圍護結構進行節能改造后可能取得的效果預測,來分析城中村清潔取暖項目的節能空間。

2 項目概況

包頭市昆都侖區北沙梁南排村位于包頭市北部,2019年按照昆都侖區散煤燃燒綜合治理整體安排,包頭市熱力集團對該區域近60萬m2村民建筑進行了集中供熱系統改造。建設集中熱力站4座,設置換熱機組12套,每套換熱機組按照3萬m2～5萬m2規模進行設計。

經過三個采暖期的運行,通過對該區域熱力站運行能耗數據進行觀測和統計,與城區內同一熱源負責的居民用戶供熱的換熱站能耗對比,南排村供熱系統的實際運行能源消耗量遠遠大于其他熱力站。表1為2022/2023采暖期部分熱力站數據對比表。

表1 2022/2023采暖期熱指標數據對比

由表1可以看出,由于南排村房屋圍護結構保溫性能差,門窗的嚴密性、保溫性都比較差,布局分散,體型系數大,因此,南排村4座熱力站的耗熱量普遍偏大,是普通用戶熱力站耗熱量的3倍～4倍。同時,因其建筑物蓄熱能力差,且停供面積較大,在冬季室外氣溫和熱源溫度出現波動時,用戶室內供熱溫度仍然很難達到供熱要求,嚴重影響了熱用戶的供熱質量,也增加了供熱企業的供熱服務壓力,大大增加能源的消耗量。村民自建房的建筑物的外圍護結構熱工性能差是影響能耗的主要因素,如果將外圍護結構進行節能改造,必然會實現可觀的節能效果[1]。為此,我們選擇典型建筑通過模擬對建筑物實施節能改造對建筑物耗熱量大影響進行了測算和研究。

3 南排村居民建筑外圍護結構節能改造測算方法及節能效果分析結果

南排村居民建筑,建設年代比較久遠,早期的房舍多為磚混結構,多層住宅,居住用房采用370 mm黏土多孔磚制外墻,雙層鋼窗,外跨樓體結構;生活輔助用房采用240 mm黏土多孔磚制外墻,入戶門基本采用單層木框木門。經過近30年的發展,村民的生活方式已完全改變,村民基本由務農轉變為通過房屋租賃取得生活所需收入,因此,村民自建房、臨建房情況普遍存在,且后期自建、續建房屋均采用240 mm黏土多孔磚制外墻,屋面僅考慮防水和簡易保溫措施,外窗多數居民已自行改為單框雙玻塑鋼窗,除房東居住的正房,其他入戶門基本采用單層木框木門,房屋的熱工性能更差,能耗更大[2]。

本文選取南排村目前居民典型居住用房,模擬外墻、屋面加裝保溫后的采暖用能消耗量,對比節能改造的效果。

3.1 保溫材料特點及施工流程

目前市場上的外圍護結構保溫材料各有特點,主要有以下幾種,詳見表2。

表2 保溫材料性能對比表

根據表2可以看出,保溫材料各有優勢和缺點。一款合適保溫材料,對圍護結構的節能效果、安全性、經濟性都有著較大的影響。考慮到城中村房屋建設密度大、消防設施配套有限,為了保證安全,本文節能改造方案采用具有阻燃特性的憎水巖棉保溫板作為節能改造測算的保溫材料。

3.2 計算參考的氣象資料

包頭市每年10月15日至次年4月15日為采暖期,共計183 d(正常年)。

主要氣象依據:采暖期室外計算平均溫度:-1.9 ℃;冬季室外風速:2.3 m/s;室外采暖計算溫度:-16.6 ℃;室內采暖設計溫度:18 ℃。

3.3 圍護結構熱工性能參考數據

圍護結構熱工性能參考數據見表3。

表3 圍護結構熱工性能數據表

3.4 典型居住用房能效果測算

3.4.1 改造前用能效果測算

1)建筑圍護結構條件。本文選取的典型居住用房為正房,坐北向南,建筑物大小長14.5 m,寬9.5 m,單層高度2.6 m～2.8 m,計算建筑面積551 m2,建筑物平面和立面見圖1,圖2。

改造前的建筑外墻結構:

1層、2層:一磚半厚(370 mm),內面抹灰磚墻。

2層、3層、4層:用戶加蓋房舍,采用一磚厚(240 mm),內面抹灰磚墻。

外窗:采用雙玻塑料鋼窗,尺寸(寬×高)為1.2 m×1.8 m。窗型為帶上梁(高0.5 m)三扇兩開窗。可開啟部分的縫隙總長為3.9 m。

外門:單層實體木質門,尺寸(寬×高)為0.7 m×2.0 m。門型為無上梁的單扇門。可開啟部分的縫隙總長為9.0 m。

頂棚:厚300 mm混凝土板,采用爐渣保溫,并作瀝青防水。

地面:不保溫地面。K值按劃分地帶計算。

2)房間供暖熱負荷的計算。

(1)

整個房間的圍護結構傳熱耗熱量=圍護結構各部分基本耗熱量的總和,采用式(2):

(2)

根據建筑物圍護結構各元件尺寸和表3對應的傳熱系數,分別代入式(1)和式(2),得到改造前各房間圍護結構傳熱耗熱量。

在冬季室外平均風速v0=2.8 m/s下,單框雙玻塑鋼窗的每米縫隙的冷風滲透量L=2.88 m2/(m·h)。

西向兩個窗的縫隙總長度為2×3.9=7.8 m。總的冷風滲透量V=Lln=2.88×7.8×0.4=8.99 m3/h。

1.34×1×[(18-(-19)]=123.9 W。

其中,V為冷風滲透體積流量,m3/h;Cp為空氣比熱,取1.005 6;ρw為空氣密度,kg/m3。

南向窗修正系數為零,不考慮冷風滲透耗熱量。

各房間計算熱負荷=各房間圍護結構傳熱耗熱量+冷風滲透耗熱量+外門冷風侵入耗熱量。

3)改造前房間熱負荷測算見表4。

表4 改造前典型建筑計算熱負荷測算

折算成單位面積的供熱計算負荷為111.4 W/m2,采暖期平均耗熱量為0.985 GJ/(m2·a)。

3.4.2 改造后用能效果測算

1)改造后的建筑圍護結構條件:外墻:1層、2層:一磚半厚(370 mm),內面抹灰磚墻。外掛憎水保溫巖棉,厚150 mm。3層、4層:一磚厚(240 mm),內面抹灰磚墻。外掛憎水保溫巖棉,厚150 mm。外窗:同改造前。外門:同改造前。頂棚:厚150 mm混凝土板。鋪設憎水保溫巖棉厚150 mm。地面:同改造前。

改造后,計算圍護結構綜合熱阻R綜:

保溫材料本文選用憎水巖棉保溫板,其傳熱系數0.04 W/(m2·℃),熱阻為R巖棉=3.75 m2·℃/W。

a.370 mm厚度外墻改造:

R綜合1=R巖棉+R墻1=3.75+0.63=4.38 m2·℃/W。

改造后墻體綜合傳熱系數K綜合1=1/R綜合1=0.228 W/(m2·℃)。

b.240 mm厚度外墻改造:

R綜合2=R巖棉+R墻2=3.75+0.48=4.23 m2·℃/W。

改造后墻體綜合傳熱系數K綜合2=1/R綜合2=0.237 W/(m2·℃)。

c.150 mm厚度頂棚改造:

R綜合3=R巖棉+R頂棚=3.75+0.26=4.01 m2·℃/W。

改造后墻體綜合傳熱系數K綜合3=1/R綜合3=0.249 W/(m2·℃)。

2)改造前房間熱負荷測算見表5。

表5 改造后典型建筑計算熱負荷測算

折算成單位面積的供熱計算負荷為31.4 W/m2,采暖期平均耗熱量為0.278 GJ/(m2·a)。

3.4.3 改造后節能效果分析

經過對比測算,節能改造后建筑耗熱量大幅下降,總的節熱率為72%,每個房間根據位置不同節熱效果存在很大差別,最低的節熱率47%,3層、4層自建房由于原來的圍護結構墻體較為單薄,耗熱量巨大,增加外墻和屋頂保溫后,耗熱量效果顯著降低,節熱率為60%～80%,見表6[3-4]。

4 南排村建筑外圍護結構節能改造經濟性分析

經過對南排村典型戶型節能改造前后耗熱量的測算,改造后建筑物每平方米可減少供熱消耗量0.707 GJ。南排村4座熱力站實際供熱加權面積為21.13萬m2,每個采暖期可減少耗熱量為14.94萬GJ,按照熱價為25元/GJ,折合一個采暖期可節約373.5萬元,建筑每平方米采暖期可節約17.5元[5]。根據既有建筑節能改造經驗,建筑物外保溫改造投資造價,一般為150元/m2左右,節能改造的境內太回收期約為8.5 a。

表6 改造后房間耗熱量節約量對比表

5 結論

1)隨著國家“雙碳戰略”的實施,我國城市規劃建設逐漸向控制增量、消化存量轉變,城中村的宜居建設和改造將成為未來城市建設的重點。但是由于城中村居民自建房舍普遍存在建筑節能標準低、能耗高的問題,因此城中村的宜居建設對于建筑物圍護結構的改造應當予以高度重視。這個問題解決不好會對我國“碳達峰”目標的實現產生影響。

2)通過測算對城中村進行節能改造可以收到十分可觀的節能效果,不僅能夠降低供熱企業的生產成本,更能提高用戶的供熱質量,充分體現“以人民為中心”的思想。

3)城中村房屋建設密度大,消防設施配套有限,為了保證安全,城中村建筑節能應采用具有阻燃特性的憎水巖棉保溫材料。