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节能减排对既有建筑节能改造的影响:以中国为例
刘玉明，郭维佳
北京交通大学经济管理学院，北京100044
摘要:本文的目的是分析节能减排（ECER）的影响节能改造（EER）在中国北方采暖地区现有住宅。基于改造前后建筑采暖期能耗(BEC)测试数据，结合BEC的理论计算，结合现有住宅改造的实际案例，分析了ECER效应;同时，对改造后的住宅用电量与未改造的住宅用电量进行了比较。实例研究结果表明:(1)能效比的实际ECER效应与理论计算结果有明显差异;(2)现有住宅EER对ECER有显著影响;(3)建筑外墙改造在高能耗建筑中对ECER的贡献最大，其次为外窗改造;(4)建筑围护结构的改造应与室内供暖系统改造、热量计量和收费系统同时进行;否则，就会出现“节能建筑不节能”的现象;(5)北方采暖地区既有建筑的能效比不仅会使冬季的BEC明显降低，而且会使夏季的用电量得到节约。
关键词:BEC，建筑能耗;ECER、节能减排;ECHT，通过传热消耗能量;能效比，能效改造;HTC，传热系数;汇鑫西街住宅小区;热损失指数;生命周期评估方法;生命周期成本理论;室外供热管网;REC，能量守恒率。
第1章. 介绍
2004年以来，我国在哈尔滨、唐山、北京、天津、包头等多个城市开展了建筑节能改造示范工程，探索了建筑节能改造的模式、技术措施和管理方法。2007年至2011年，中央财政通过财政渠道安排资金180亿元，支持能谱法在北方采暖地区建设既有住宅;能效比达到3.1亿平方米，达到节能、低污染、改善民生的效果。同时，北方采暖地区既有住宅能效比是国家“十二五”(2011-2015)节能重点工程;到2015年底，我国将完成既有住宅能效比和热量计量任务，北方供热区能效比和热量计量面积将超过4亿平方米。
随着我国能效比在既有建筑中的迅速发展，节能减排(ECER)对能效比工程的影响越来越受到国内学者的重视。例如，Yu和Yang[4]通过对既有住宅的能耗模拟分析，证明了北方采暖地区既有住宅的能效比不仅带来了冬季的节能效益，而且在夏季也使空调节电。基于仿真软件Doe-2全年能耗分析现有的住宅位于中国北方,杨和翟[5]提出综合节能效果应该考虑在冬天和夏天,与此同时,储蓄热源建设初始投资和电力的影响也应考虑。运用生命周期评价方法(LCA)， Ma和Zhang[6]证明，上海地区采用膨胀聚苯乙烯板作为保温材料，建筑节能具有良好的ECER效益和经济效益。基于生命周期成本理论(LCC)和建筑能耗模拟(BEC)，曹和王[7]证明节能住宅在重庆地区取得了显著的经济效益。基于LCA和BEC理论，Liu和Liu[8]证明了北方采暖地区现有住宅能效比能够产生良好的环境外部性。Wang等人基于LCC得出的结论是，兰州市节能住宅的生命周期成本明显低于高耗能住宅。应用LCC。刘[10]证明，现有围护结构的能效比要求投入较大，但投资回报率较低;而热源能效比和室外供热管网(OHPN)能效比可以获得较好的经济效益。通过案例研究，欧阳等人[11]证明，从降低能源消耗和二氧化碳排放的角度来看，中国现有住宅的能效比是值得实施的，但从经济角度来看，政府应该提供一定的补贴，提高电价。
天然气锅炉房已改造
12楼 已改造
10楼 未改造
6楼 未改造
4楼 未改造
室外供热管网已改造
上述研究主要依靠理论计算数据或BEC计算机仿真数据来分析ECER效应和经济环境效益。由于受许多实际因素的影响，实际BEC与理论BEC之间总是存在着较大的差异;因此，目前关于ECER效应的研究结果并不能很好地反映ECER的实际效果。本文以改造前后的实际BEC测试数据为基础，通过一个位于我国北方采暖地区的EER实例，分析了ECER的实际效果;同时根据建筑节能的相关理论，对实际的ECER效果与理论计算的ECER效果进行了对比分析。此外，本研究还通过本案例研究对北方采暖地区能效比的研究提供了其他重要的结论。
第2章. 能效改造项目方案
2.1。项目背景
无论何时项目回心西方街道居民区(HWSRA),作为一个试点项目北京市委员会住房和城乡建设部2006年,也被列入第二组示范城市和项目“中国对现有建筑节能改造”,这属于中华人民共和国住房和城乡建设部的中国和中德技术合作,并得到了德国技术合作公司的技术和资金支持。HWSRA建于1988年，由4、6、10和12栋建筑组成。每栋楼18层，共有144套公寓，面积约10180平方米。
HWSRA采用自热方式，采用该小区安装的天然气锅炉供暖。无论何时之前,测试数据的热损失指数(IHL)和传热系数(HTC)四个建筑是26.16 w / m2和2.04 w / (m2 K),分别,这远高于IHL强制要求(14.65 w / m2)和宏达(0.6 w / (m2 K))在当前北京住宅建筑节能设计规范[12]。因此，HWSRA的四栋建筑是典型的高耗能建筑。
2.2.项目改造的范围和阶段
HWSRA项目改造的具体范围如图1所示。根据相关技术文件[13]，对位于HWSRA的天然气锅炉房进行了部分改造，对HWSRA的OHPN进行了全面改造，对12号楼地上部分和地下部分进行了全面改造
图2所示。12号楼室内新风系统示意图这幅图并不是12号楼的建筑平面图，它只是展示了12号楼室内新风系统的基本原理。12是部分翻新。与此同时，其他三座建筑没有进行翻新。
项目改造分为两个阶段:2007年9月至12月进行一期改造，包括外墙外保温、外门窗、12号楼室内新风系统、HWSRA热源和OHPN的改造。第二阶段改造于2008年3月至7月开始，包括室内供暖系统改造、12号楼屋面防水保温改造。
2.3。项目改造内容
项目改造的具体内容如下。
2.3.1。外保温改造
12号楼外墙保温材料包括100mm膨胀聚苯乙烯板体系。地下室窗井外墙也需要保温，地下室外墙的其他部分需要用50mm聚苯乙烯砂浆进行内部保温。12号楼的外窗需要更换。每个公寓的室内外窗户均选用桥式截止铝合金型材窗。公共走廊外窗采用桥式截止铝合金型材枢轴窗。12号楼入口选用弹簧保温防火门。将挤出的60mm厚的聚苯乙烯保温板粘贴在原防水层以上的12栋楼顶进行保温，并增加一层防水层。屋面暖沟和护墙也需要保温结构。护墙应采用金属盖保护。电梯房采用整体外保温。
2.3.2。室内新风系统
在12号楼改造方案中，首次引进德国公司鲁诺斯住宅同步新风系统(见图2)。新风系统采用负压通风方式。卫生间将安装排风机。根据大气平衡原理，从进风口引入新鲜空气，每个房间的外墙均安装有降噪防尘功能。
图3所示。12号楼标准层建筑平面图。
2.3.3。室内供热管网
12号楼的室内改造包括:建筑地上居住部分供热系统，分为以9层为界的两套系统，两套系统均改为上进下回垂直单管加交叉管系统;地下一层设置供暖系统，形式为上送上回双管，地下二层为人防层，原有系统不变;建筑内原有的散热器全部更换为钢管散热器，并在地下一层的每个采暖室内安装一套散热器，并非所有散热器都配备散热器盖。住宅部分每套散热器均安装直连式自动温控阀和配热表，实现室温控制和住户热计量;在地下一、二层采暖系统的支路上安装有热量表和流量控制阀。
2.3.4。热源和OHPN
2001年，将HWSRA的热源改造为32台斜/翅片式常压模组锅炉，基本满足了北京市目前锅炉的节能要求。热源的改造包括:调整气候补偿装置的位置，将其放置在锅炉房北墙约2.5 m的高度;在热源的二次侧安装热量表和过滤装置。
OHPN的改造包括:在所有建筑物的OHPN热入口上安装自操作流量控制阀，有效降低因外部热网水力不平衡造成的热损失;在所有建筑物的热入口处安装热量计量装置及滤水装置;在12号楼的进热量处提供二次增压泵;在12号楼进风口安装自动三通控制阀，在底层西北角房间安装温度传感器。
2.4。项目改造的特点
与国内其他现有住宅能效比项目相比，HWSRA改造项目具有以下特点:
(1) hwsra采用天然气锅炉自热方式，不采用集中供热方式。这种模式有利于ECER效果的定量评估，因为ECER效果可以直接反映在锅炉房的天然气节约量和用电量上。
(2) hwsra有4栋相同的高层住宅楼，但只有12栋楼进行了改造。这种改造模式对于分析改造后的建筑与未改造的建筑之间的ECER效应非常有利。
(3)本项目未一次性完成改造;相反，它被分为两个阶段。首先对建筑围护结构进行了改造，然后进行了整个采暖周期的BEC测试;然后对室内供暖系统进行了改造，并进行了BEC测试。这种改造程序可用于分析各种改造的ECER贡献。
图4所示HWSRA改造工程图片。这里，我们展示了改造项目的三张图片:(a)改造前;(b)改建期间;(c)翻新后。
12号楼标准层建筑平面图如图3所示。12号楼改造前后的工程图片如图4所示。
第3章.改造工程BEC测试数据
3.1。实验方法
3.1.1。室内平均温度
为了获得改造前后室内平均温度的测试数据，选取了4栋建筑中具有代表性的公寓，每个公寓都放置了一台自动温度记录仪，记录室内温度。改造前选取12号楼7套具有代表性的公寓进行室内温度测试;一期改造后，选取12号楼有代表性的5套公寓进行室内温度测试;二期改造后，选取4栋建筑中具有代表性的30套公寓进行室内温度测试。在得到上述测试数据后，应用下式计算室内平均温度:
t trm,j times; Arm,j (1)
imnArm,j
tim表示测试期间建筑物室内平均温度，trm,j表示No.连续测试数据的算术平均值。温度记录仪在测试期间，Arm,j代表No。覆盖j个温度记录仪，n代表室内放置的温度记录仪数量。
3.1.2。热量、天然气和用电量
在每栋建筑的OHPN进热量上安装超声波测热装置，记录每栋建筑的实际供热量。此外，锅炉房还安装了电表和天然气表，分别记录供暖期间空间供热的总用电量和天然气用电量。项目人员每月10日手工收集4栋楼每套公寓用电量，计算每栋楼的实际用电量。3.1.3。围护结构HTC
建筑围护结构的HTC采用热流计进行测试，现场测试项目包括热流密度、室内外温度、建筑围护结构内外表面温度、两表面热流计温度。根据上述测试数据,HTC的信封可以通过以下方程:计算qmacr;K = tmacr;Eq (2)。(2), K代表宏达建筑信封(W / K (m2),问macr;代表测试热流密度的平均值(W / m2), tmacr;代表温度的平均值差异的内部和外部建筑信封(K)。
3.2。测试数据
3.2.1。室内平均温度
改造前后各采暖时段的室内平均温度如表1[13]所示。经过3年的连续测试，12号楼一期改造后室内温度明显提高。虽然12号楼前安装了自动流量控制设施，但由于缺乏室内温度控制措施，12号楼的室内温度较高，达到25.2◦C。二期改造后，12号楼的室内配备了自动控温设施，室内温度下降到23.8◦C。同时，由于12号楼的热量消耗减少，其他3栋楼的供热量也相应增加，导致其他3栋楼的室内温度较2007年略有提高。
供暖期间室内平均温度测试数据。
测试期间 测试现场 测试数据 说 明
2007.1.11-24 12号楼 17.3◦C 在翻新之前
2008.1.12-21 12号楼 25.2◦C 在第一期翻新后
2009.1.22-31 4号楼 20.3◦C
6号楼 19.7◦C 在第二阶段翻新后
10号楼 21.0◦c 第二阶段
12号楼 23.8◦c
3.2.2。建筑供热量与HTC 12号楼围护结构
2008-2009年供热量测试数据如表2[13]所示。改造前后12号楼围护结构的HTC测试指标如表3[13]所示。
第4章. 分析方法
4.1。空间加热BEC的基本方程
根据建筑空间采暖节能设计标准[15]，总能耗、建筑空间采暖煤耗总量可由下式计算:
QH = 24 times; Z times; qH times; A (3) Q = 24H times; Z times; qtimes;H times; A (4)
这里，QH代表total BEC;QC代表煤炭消费总量;q表示建筑的IHL (W/m2);A为建筑面积(m2);Z代表加热周期(天);HC为标准煤燃烧热值，为8.14 103 Wh/kg;表示室外供热管网的传热效率;2代表锅炉的运行效率。假设既有建筑的IHL为qB和qA，室外供热管网传热效率为B和A，锅炉改造前后实际运行效率分别为B和A。由式(4)可知，既有建筑采暖期间能效比节煤量计算公式为:
QC = 24 times;HZ times;A (5)
4.2。修正了空间加热BEC的计算公式
根据相关文献[16]，对空间加热BEC的修正计算公式可以表示为:
QA times;DZ (6)
QS H S
H = DZ
A
DZS = ZS times; tS (7)
DZA = ZA
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