吉林建筑大學市政與環境工程學院 黃文瀚 楊金鋼 李鑫福 趙洪宇 馬宏達
摘 要：本文通過對吉林建筑大學通風實驗室改造為被動房性能實驗室的建設過程的總結和技術參數的匯總，并結合對實驗室投入使用后的冬季初步監測數據分析，總結出嚴寒地區既有建筑被動式節能改造技術關鍵點并根據冬季初步監測結果對其居住環境進行評價分析。
關鍵詞：被動房；建筑節能；舒適度；溫度場
基金項目：大學生創新創業訓練項目“嚴寒地區被動式超低能耗居住建筑評價體系研究”。
0 引言
隨著人民生活水平的提高，建筑能耗將呈現持續迅速增長的趨勢，這我國能源資源供應與經濟社會發展的矛盾。降低建筑能耗，實施建筑節能，對于促進能源資源節約和合理利用，緩解我國的能源供應與經濟社會發展的矛盾，有著舉足輕重的作用。目前我國城鄉既有建筑面積達420億m2，這些建筑中的95%以上普遍存在耗能大、效率低、圍護結構的保溫隔熱性能差等問題，并具有夏季空調用電量大、冬季采暖能耗高的特點。因此，如何降低既有建筑能源消耗，提高能源利用效率，實施建筑節能，是我國可持續發展待研究解決的重大課題。
被動式房屋的概念由德國提出，是國際認可的全新節能建筑概念，也是我國發展節能建筑的契機。它集“高舒適度、超低能耗、超微排放”為一體，成為現代建筑走進自然的代表，將是未來居住建筑的潮流。其原理是應用高性能的圍護結構、高效的新風熱回收系統以及可再生能源的利用，使建筑物的熱量損失達到最小，最大限度地降低對主動式采暖系統的依賴。對于采暖能耗巨大的嚴寒地區，既有建筑的被動式節能改造也許是最好的解決途徑。
本文以既有建筑被動房改造案例—吉林建筑大學被動房性能實驗室為研究對象，總結其建設過程中節能關鍵技術和施工手段，并對交付使用后，冬季初步性能監測數據分析，探索嚴寒地區既有居住建筑節能改造的有效途徑。
1 被動房性能實驗室改造工程
被動房性能實驗室建筑面積為48m2，地點位于吉林建筑大學土木教學館一樓，原為通風實驗室，后將朝南的實驗室隔出一個空間（7.7m×6.2m×4m）進行被動房改造。
圖1 實驗室改造前 圖2 實驗室改造后
該被動房性能實驗室為模擬居住建筑所改造，內置洗手盆、抽油煙機、分體式空調等居住建筑常用物件，可以很好的模擬嚴寒地區居住建筑的使用情況。
經過初步分析，要完成被動式超低能耗的目標，項目的主要技術參數初步控制如表1。
表1 主要技術參數
被動房實驗室具體改造建設的關鍵技術要點主要如下：
1.1 圍護結構
根據圍護結構所處的溫度環境不同，將保溫做法分為五部分，分別進行設計。以下所有保溫厚度的確定，均根據PHPP 計算，滿足能耗指標情況下最終得出。
主要實施途徑如下：
（a）外墻直接接觸室外，在冬季時室內外溫差大，此處采用49墻體+300mm 石墨聚乙烯保溫（內保溫）；
（b）地面直接接觸土壤，在冬季時室內外溫差相對外墻較小，由于此項目，地面面積相比外墻面積大，故此處熱損失也比較大，此處的保溫厚度為250mm；
（c）室內隔墻和天花板相比以上兩處，均為室內環境，溫差比較小，但面積相對來說比較大，此處的熱量損失也不可忽視，由于溫差較小此處的保溫選擇采用內墻加+200mm石墨聚乙烯保溫（內保溫）；
（d）被動房的門窗對整個建筑能耗非常重要，此項目門所處位置為室內，無太陽輻射，只需考慮熱損失，窗戶為南向，且面積較大，選擇被動房窗戶，冬季可以保證得熱大于熱損失。本項目窗戶和門的參數要求如下：
窗戶：采用實心鋁合金三玻，low-e玻璃。（窗戶面積8.8m2）傳熱系數 U 值≤0.8W/m2·K ；門：采用高性能保溫門 U值≤0.8W/m2·K ；
（e）在被動房的窗戶外使用活動外遮陽，降低夏季能耗，減少太陽得熱，其升降由室內控制器控制。
1.2 新風系統
本項目新風系統參數如下：
（a）新風換氣熱回收系統全熱回收主機1臺：回收效率大于75%，主機具有防結露結霜功能，可在-30℃以上，正常進行新風交換；
（b）高效管道過濾箱1個：五層凈化效率有效去除空氣中的異味、顆粒及分解VOC 等有害菌；對空氣中PM2.5（0.3~0.5μm）的過濾效率為98.4%；
（c）新風與排風系統氣流組織合理設計，有效排除室內污染物。
1.3 采暖系統
本項目能源系統采用電采暖，電采暖技術參數如下：（a）加厚型金屬屏蔽，通過美國電磁輻射檢驗及美國UL 認證；（b）有安全接地措施以及XLPE絕緣工藝；（c）溫型液晶溫度控制器，可實現自動、手動開啟或關閉加熱設備，多時段定時開啟、關閉加熱設備。
1.4 無熱橋和防潮處理
在被動房設計中熱橋的損失不可忽略，此項目為只有一個空間，采用內保溫做法時可以做到保溫連續，產生的熱橋的影響較少，但仍然需要注意以下部位的熱橋：（a）內遮陽窗簾安裝預埋件；（b）建筑內的管道與墻連接部位；（c）插座開關電箱等部位；（d）其他破壞保溫連續性的部位。
對于改造建筑內保溫做法來說，必須考慮由于內外溫差和濕度差引起的墻體可能結露的風險，熱橋處以及冷水管道處都可能產生結露。對于建筑外墻來說由于冬季溫差和濕度差較大，室內高溫濕空氣向室外轉移，會在溫度較低的墻體部位發生冷凝，破壞墻體結構和室內衛生環境，因此需要在內部設置防水隔汽膜，避免此種情況發生，同時對于熱橋和冷水管道部位，也要做相應的防結露處理。
1.5 氣密性處理
被動房要求的氣密性為n50＜0.6h-1(維持室內50pa正壓，每小時換氣次數不超過0.6次)，被動房改造項目為n50＜1h-1，對于體積較小的建筑來說，氣密性比較難以達到，需要在門窗安裝以及在保溫施工之前對于氣密性有影響的部位實現進行氣密處理。以下是本項目可能的氣密性薄弱環節：（a）門窗安裝部位；（b）穿墻管道部位；（c）新建隔墻與原墻體連接部位；（d）原窗戶封為墻的部位；（e）地下通風井口位置；（f）其他可能的貫穿部位。
2 冬季初測分析
在被動房性能實驗室交付使用后，實驗團隊對其進行了冬季的初步監測，時間從1月17日到1月31日，在每天的監測時間段，熱回收新風機正常運行，將外遮陽升起，電地暖開啟并設置室內溫度為18℃，同時測試人員在被動房內進行正常的工作和休息活動，本文選擇其中1月21日的監測數據作為分析。
2.1 室外環境監測
該項監測的進行依靠設置在土木教學館樓頂的氣象監測站對室外進行24小時的氣象監測，監測內容為室外溫度和相對濕度。如圖3、圖4所示。通過監測數據觀察可以看出，在夜晚期間溫度最低接近-19℃，在白天溫度最高-12℃。
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| 圖3 室外溫度變化圖 | 圖4 室外相對濕度變化圖 |
2.2 室內溫度場監測
利用被動房性能實驗室內的溫度場監測系統，該系統利用支架將80個溫度探點均勻布置于被動房空間中，共分五層，由上到下分別是1~5層，監測結果分別如圖5、圖6、圖7、圖8、圖9所示。
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| 圖5 第一層溫度探點平均溫度與室內平均溫度 | 圖6 第二層溫度探點平均溫度與室內平均溫度 | 圖7 第三層溫度探點平均溫度與室內平均溫度 |
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| 圖8 第四層溫度探點平均溫度與室內平均溫度 | 圖9 第五層溫度探點平均溫度與室內平均溫度 |
通過各層曲線與平均溫度曲線對比得出，室內空間溫度呈由下向上微弱遞減的趨勢，這種溫度梯度可以帶給人們很好的熱舒適感，從曲線總體趨勢來看，受日照和室外溫度的影響，在19:00~11:00溫度呈下降趨勢，在11:00~19:00溫度不斷上升，室內溫度在19:00左右達到最高值，溫度達到16.5℃，在午間時段溫度最低低至12.5℃。
2.3 室內環境監測
使用室內空氣品質檢測儀對室內CO2濃度、相對濕度、PM2.5濃度、PMV指數進行監測，監測結果分別如圖10、圖11、圖12、圖13所示。
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| 圖10 室內CO2 濃度 | 圖11 相對濕度 |
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| 圖12 PM2.5濃度 | 圖13 PMV指數 |
通過監測結果發現在監測時間段，PMV指數在-1左右波動，根據表2中的熱感標尺劃分，室內屬于稍涼、PM2.5濃度值在15~55之間波動，根據表3判定屬于優良等級，且大部分時間處于優秀等級，CO2濃度一直處于390~415之間，在這區間的人體感覺呼吸順暢。
3 結論
通過被動房性能實驗室改造過程的總結，概括出嚴寒地區既有居住建筑被動式超低能耗改造的技術關鍵點，可為嚴寒地區既有建筑節能改造提供參考，又通過對冬季被動房的初步監測，發現改造后的被動式居住建筑在保證超低能耗的同時，借助新風換熱系統和地板低溫輻射采暖系統足以保障室內空氣品質的優良和熱舒適程度。對于采暖能耗巨大的嚴寒地區，有著大量的高能耗居住建筑，不僅使得居民產生較大的能耗費用，也導致國家能源資源緊張，環境污染日趨嚴重，因此勢必開展既有建筑被動式節能改造工作 。
參考文獻
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備注：本文收錄于《建筑環境與能源》2017年3月刊總第3期。
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