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                      淺談別墅節能改造問題

                      2019-4-24 11:35:30??????點擊:
                      近年來,隨著我國社會經濟的發展,別墅設計發展很快,不論是私人設計建造的獨立式別墅,還是開發區統一規劃施工的別墅群,都在一定程度上形成了規模。長期以來,建筑設計的核心問題是功能、形象和造價,而對于節約能源,卻很少有專門的研究。在工程實踐中,我們體會到別墅以其與自然的特殊緊密關系,應該受到節能研究的特別重視。 
                         一、別墅建筑形象與節能 
                         小別墅設計中,建筑形象往往受到人們的特別注意,那些千姿百態、豐富多彩、具有各自獨特風格的小別墅,給周圍的環境增添了不少光彩。而形成別墅形象多樣化的一個重要原因,又恰恰是建筑環境因素的影響。比起其它建筑來,別墅體量小,平面布置靈活分散,選址又多是依山傍水,風景優美,所以更需要利用環境,溶于自然,成為大自然美景的一部分。同時,因其外圍護結構面積所占比例大,熱損失和熱輻射都比較嚴重,所以又需要不斷克服,自然因素對人們正常生活的干擾和影響,為人們創造舒適的生糟環境。因此,我們常把別墅分為寒冷地區、炎熱地區以及臨水和山地等糞型加以設計。 
                         例如寒冷地區的別墅,封閉厚重、呆板規整的形象以及灰暗的色調,似乎是傳統的司空見慣的模式。但這個別墅,其外墻如果為一個有儲熱帶節能作用的太陽能吸熱板,從地面一直傾斜到屋面,與周圍環境的曠野巨石融為一體,象從山石中自然長出的,既改變了建筑的封閉形象又改善了室內的冬季取暖條件。從剖面上看,也增加了空間的變化??梢赃@樣說,這樣的別墅利用大塊面的實體外圍護墻的傾斜,與山地環境取得協調,同時又借用陽光燦爛的吸熱板,來豐富其外部形象,強調了人與自然對立統一的關系,強調現代科技對人們生活的影響,具有一定的時代感和藝術感染力。 
                         二、別墅的節能改造材料和措施 
                         別墅外圍護結構面積大,熱損失和熱輻射都較嚴重,所以應特別注意外圍護結構材料的選用,應注意它們的保溫隔熱性能。在北方,節能的重點是冬季保溫,為了減少冬季熱損失,外墻、屋面、門窗等均需采取措施,加強保溫,一般做法有以下幾點: 
                         2.1 外墻為復合保溫墻體 
                         為了加大外墻的熱阻和熱情性(蓄熱性能),減少耗熱量,北方地區的外墻應為370mm厚,對于有特殊保溫要求的建筑,如郊外的小別墅,則應考慮用復臺保溫墻體。其做法為:在240承重磚墻外填60厚聚苯乙烯泡沫塑料(容重r=30kg/m,導熱系數λ=0.046w/m?k)作為保溫層,在此外砌筑120厚的磚保護墻,承重墻與保護墻用鋼筋拉結。這種復合保溫墻的熱阻(含內刷20厚石灰砂漿) R=1.917m2k/w,是普通240 磚墻的4倍,墻體的熱惰性指標D=5.01,是240磚墻的1.6倍。 
                         2.2 保溫墻體的合理設置 
                         由于各朝向的墻所吸收到的日輻射量差別很大,特別是南向的墻冬季得熱較多,因此在設計中,如果將保溫材料集中用于北墻,或北墻及東西墻,而對南墻, 則在滿足“民用建筑熱工設計規程” 規定的衛生和使用要求的前提下,采用相對較低的熱阻值,而不設過多的保溫層,則可減少保溫費用。另外,由于南墻門窗設置較多,立面處理比較豐富,所以簡化保溫做法,在構造上也比較容易處理。只在北墻增加保溫至傳熱系數為0.5w/m?k即可使建筑的傳熱耗熱指標下降2―3w/m2,即約減小10%的耗熱。如在增加北墻保溫的同時,將北窗改為雙層窗, 建筑的傳熱耗5w/m2,即減少約,20%以上的耗熱, 效益更加顯著。 
                         2.3 樓地面節能改造 
                         樓地面作為別墅護圍結構的一部分,其保溫節能措施不容忽視,尤其當不采暖地下室的頂板作為首層地面(樓板)或樓板下方直接暴露在大氣中時。 
                         (1)預制復合保溫樓地板:由于擠塑聚苯板長期吸水率低及具有較好的抗壓抗變形性能,預制復合保溫節能板也可以作為保溫樓地面板使用。預制復合保溫樓地板的預制構件依次由保溫板、粘性砂漿、玻璃纖維網、抗裂砂漿構成(見下圖2.1)。鋪設時將預制構件以粘結砂漿粘貼在找平樓地面上,再于其上鋪設普通地磚,施工簡單便捷。 
                         
                        圖2.1 預制復合保溫樓地板 
                         
                         (2)聚苯顆粒砂漿保溫樓面:即用具有絕熱保溫性能的低密度有機或無機顆粒材料按l:l比例調和水泥砂漿,直接涂抹于地板表面,厚度約4cm,它較一般抹面砂漿質量輕,方便應用于既有建筑樓地面隔熱。 
                         (3)膨脹珍珠巖保溫樓面:當住宅鋪設木地板時,亦可于木龍骨間填充4 cm厚膨脹珍珠巖增加樓地面保溫效果。 
                         三、地源熱泵在別墅節能改造中的應用 
                         地源熱泵作為一種有益環境、節約能源和經濟可行的建筑物供暖及制冷新技術越來越受到關注。它是利用地下相對穩定的土壤溫度,通過媒介質來獲取土壤 內冷(熱)能量的新型裝置,可一年四季方便地調節建筑內的溫度。由于該制冷供熱方式不存在能量形式的轉換,幾乎是一種能量的“搬運”過程,因而其能量轉換效率高、運營成本低。 
                         下面作者以實際工作中北京某別墅的節能改造為例,具體介紹地源熱泵在 節能、環保方面的優勢。 
                         該工程位于北京市,共兩層,包括臥室、廚房、客廳、車庫、衛生間、浴室 和電腦房。該別墅建筑面積320m,空調面積250m。改造前,該別墅夏天采用風源式戶式中央空調制冷,冬天采用燃氣壁掛爐采暖。經計算本工程的夏季總冷負荷為30kW。冬季總熱負荷為28.8kW。 
                         3.1 節能改造方案介紹 
                         根據該建筑結構形式及其周圍環境條件,采用土壤熱泵式中央空調主機 +太陽能采集系統。土壤源熱泵中央空調夏季為用戶提供冷源,冬季為用戶提供熱源,使室內全年保持舒適宜人的空氣環境。太陽能系統不但能夠為用戶提供免費的生活熱水,而且作為土壤源熱泵系統的補充熱源,提高了土壤源熱泵中央空調系統在冬季的安全系數,保證了用戶的使用安全。 
                         由于本項目為改造工程,為減少對建筑及原裝飾裝修的破壞,末端采用立式暗裝風機盤管。由于空間所限,廚房和電腦房采用吸頂式風機盤管。該系統同時解決了夏季空調制冷和冬季空調采暖問題,同時還可以利用機組冷凝熱加熱生活熱水。系統由土壤熱泵空調機組,太陽能采集板、風機盤管及熱水系統 ( 用戶系統),耦合式土壤換熱系統和相應的控制系統五部分組成。 
                         土壤熱泵式中央空調系統是以土壤為冷源、 熱源對建筑進行空氣調節。該系統利用了地球表面淺層地熱資源,冬季通過熱泵將土壤中的低位熱能提高品位對建筑供暖;夏季通過熱泵將建筑內的熱量轉移到地下,對建筑進行降溫。 
                         熱水系統有兩個來源,其一是土壤源熱泵機組,冬季取熱于土壤源熱泵機組的冷凝器出水,供給空調用熱水或生活熱水。夏季取熱于土壤源熱泵機組的蒸發器出水,即空調冷媒水。生活用熱系統在夏季取用了土壤源熱泵系統的冷卻水余熱,使得耦合換熱系統的回水溫度降低,減少了對土壤的散熱量,提高了耦合土壤換熱系統的使用年限。夏季當用戶生活用水量加大,土壤源熱泵機組不能及時供熱時由太陽能采集系統采集的熱量對生活用水進行補充;冬季及過渡季節主要依靠太陽能熱水系統供給生活熱水,生活熱水用量加大,太陽能系統不能提供足夠熱水時,利用土壤源熱泵機組補充熱量。當冬季室外氣溫超出設計溫度時,由太陽能采集系統采集熱量對土壤源熱泵機組進行補充供熱。這樣,太陽能土壤源熱泵系統對生活用熱和空調系統用熱互為補充,使得生活用熱系統和空調系統都得到了安全保證。 
                         3.2風機盤管系統 
                         室內采用風機盤管水系統,風機盤管采用溫控開關控制,并可與空調主機聯動控制。風機盤管的安裝盡可能設于隱蔽處,并與裝修可很好的結合,空調供回水管采用交聯聚乙烯管材(PEX)冷凝水管采用熱鍍鋅鋼管,空調管道保溫采用橡塑海綿,水系統最高點設排氣閥,最低點設泄水閥,空調供回水管坡度0.002,冷凝水管坡度0.003。 
                         3.3 耦合式土壤換熱系統 
                         地下系統按夏季和冬季工況分別考慮,并取最不利情況下的計算結果作為依據。 
                         ( 1 )埋管形式 
                         土壤熱泵的地下埋管形式有豎直埋管和水平埋管兩種形式,本工程采用豎直埋管中的雙u型管,這樣盡可能在同樣換熱效果的情況下,較豎直埋管中的單u型管減少30%的打孔數量。換熱器采用高密度聚乙烯(HDPE)管道。該種管材耐 腐蝕不積水垢,使用壽命長;潔凈衛生,不滋生微生物;抗靜電、耐低溫;抗地震,抗地基下沉;自重輕,搬運、安裝容易;接頭少,減少了滲漏幾率:管道摩擦阻力?。畨侯^損失小,水泵輸入功率減小,省電。 
                         ( 2 )埋管深度 
                         根據本工程特點,采用深度為80 m的淺埋管形式,降低了對管材的壓力要求,減少了管材造價。 
                         ( 3 )管路計算 
                         經軟件豎直埋管深度80m,則所需豎井個數取為6個,即在別墅東側6個深80m的孔,沿建筑物基礎外25 m處均勻布置。管道內循環介質采用配合好的耦合式換熱器專用循環液。地面以下10~100m深的土壤溫度全年恒定在12~17°C左右,在夏季防凍溶液將空調機組的冷凝器排熱傳送給土壤,冬季防凍溶液從土壤中吸收熱量,傳遞給空調機組:過渡季節地下埋管系統和室內風機盤管系統連通,從土壤中吸收熱量,直接供給風機盤管,向室內供熱。土壤熱泵主機與室內外空氣均無接觸。 
                         (4)土壤源熱泵空調系統設備及運行情況(見表1)。 
                        表1 
                         熱泵技術 水源循環水泵 用戶 風機盤管 
                       ?。ňC合) 
                         制冷工況 制熱工況 制冷工況 制熱工況 循環水泵 
                        輸入功率(W) 5170 5987 750 750 750 435 
                        輸出功率(W) 30000 28800 ―― ―― ―― ―― 
                         
                         (5)太陽能與熱泵機組聯立控制 
                         通過安裝在空調區域的感溫包監測空調區域實際溫度,然后實時反饋到設于機房的電動執行器,冬季當空調區域的溫度過低,熱泵機組開機時間過長時,電動執行器動作打開太陽能加熱系統的電磁閥,太陽能熱水通過板式換熱器加熱熱泵機組冷凝器的出水。當太陽能熱水系統供應熱量不足以供應生活熱水使用時 ,板式換熱器內的熱量流動過程就發生了逆向轉變,熱泵機組的熱量通過板式換熱器對生活熱水進行加熱,保證全年任何時刻的家庭生活用熱。 
                         3.4 改造前后技術性能比較分析 
                         該別墅改造前后技術性能比較如下表2所示: 
                        表2 
                         原戶式中央空調與壁掛鍋爐系統 土壤熱泵+風機盤管+太陽能系統 
                        機組 制冷效果 室外機受室外空氣溫度影響大, 制冷不穩定 機組制冷穩定可靠,不受室外空氣溫度變化影響 
                         制熱效果 不受外界空氣溫度變化影響 機組制熱穩定可靠,不受室外空氣溫度變化影響 
                         能耗 制冷時:COP低( 2 5左右),耗電 
                        制熱時:只將70%-90%的燃料內能為熱量,供用戶使用 COP大于4,節電 
                         對周圍環境影響 夏季:機組排風量大,往外排放大量廢熱,排出的廢熱形成建筑外圍的熱環境 
                        冬季:壁掛鍋爐會向室外排放燃燒剩余氣體 無排風,不抽取地下水,對環境無污染,不破壞地下水質 
                         噪音 室外機風量大,噪音高,室內噪音高 運轉部件少,噪音低 
                         安裝 室外機必須安裝在通風良好的空間,室內機占用凈空 無室外機,空調機組體積小,可安裝在封閉空間內 
                        末端 效果 大溫差小風量送風,室內溫度分布不均勻,舒適度差 風機盤管送風溫度高、風量大,舒適 
                         控制 一開全開,所有房間一個溫度 分室控制,可單獨調節房間溫度 
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