解决方案
    联系我们
    你的位置:首页 > 解决方案

    浅谈别墅节能改造问题

    2019-4-24 11:35:30      点击:
    近年来,随着我国社会经济的发展,别墅设计发展很快,不论是私人设计建造的独立式别墅,还是开发区统一规划施工的别墅群,都在一定程度上形成了规模。长期以来,建筑设计的核心问题是功能、形象和造价,而对于节约能源,却很少有专门的研究。在工程实践中,我们体会到别墅以其与自然的特殊紧密关系,应该受到节能研究的特别重视。 
       一、别墅建筑形象与节能 
       小别墅设计中,建筑形象往往受到人们的特别注意,那些千姿百态、丰富多彩、具有各自独特风格的小别墅,给周围的环境增添了不少光彩。而形成别墅形象多样化的一个重要原因,又恰恰是建筑环境因素的影响。比起其它建筑来,别墅体量小,平面布置灵活分散,选址又多是依山傍水,风景优美,所以更需要利用环境,溶于自然,成为大自然美景的一部分。同时,因其外围护结构面积所占比例大,热损失和热辐射都比较严重,所以又需要不断克服,自然因素对人们正常生活的干扰和影响,为人们创造舒适的生糟环境。因此,我们常把别墅分为寒冷地区、炎热地区以及临水和山地等粪型加以设计。 
       例如寒冷地区的别墅,封闭厚重、呆板规整的形象以及灰暗的色调,似乎是传统的司空见惯的模式。但这个别墅,其外墙如果为一个有储热带节能作用的太阳能吸热板,从地面一直倾斜到屋面,与周围环境的旷野巨石融为一体,象从山石中自然长出的,既改变了建筑的封闭形象又改善了室内的冬季取暖条件。从剖面上看,也增加了空间的变化。可以这样说,这样的别墅利用大块面的实体外围护墙的倾斜,与山地环境取得协调,同时又借用阳光灿烂的吸热板,来丰富其外部形象,强调了人与自然对立统一的关系,强调现代科技对人们生活的影响,具有一定的时代感和艺术感染力。 
       二、别墅的节能改造材料和措施 
       别墅外围护结构面积大,热损失和热辐射都较严重,所以应特别注意外围护结构材料的选用,应注意它们的保温隔热性能。在北方,节能的重点是冬季保温,为了减少冬季热损失,外墙、屋面、门窗等均需采取措施,加强保温,一般做法有以下几点: 
       2.1 外墙为复合保温墙体 
       为了加大外墙的热阻和热情性(蓄热性能),减少耗热量,北方地区的外墙应为370mm厚,对于有特殊保温要求的建筑,如郊外的小别墅,则应考虑用复台保温墙体。其做法为:在240承重砖墙外填60厚聚苯乙烯泡沫塑料(容重r=30kg/m,导热系数λ=0.046w/m・k)作为保温层,在此外砌筑120厚的砖保护墙,承重墙与保护墙用钢筋拉结。这种复合保温墙的热阻(含内刷20厚石灰砂浆) R=1.917m2k/w,是普通240 砖墙的4倍,墙体的热惰性指标D=5.01,是240砖墙的1.6倍。 
       2.2 保温墙体的合理设置 
       由于各朝向的墙所吸收到的日辐射量差别很大,特别是南向的墙冬季得热较多,因此在设计中,如果将保温材料集中用于北墙,或北墙及东西墙,而对南墙, 则在满足“民用建筑热工设计规程” 规定的卫生和使用要求的前提下,采用相对较低的热阻值,而不设过多的保温层,则可减少保温费用。另外,由于南墙门窗设置较多,立面处理比较丰富,所以简化保温做法,在构造上也比较容易处理。只在北墙增加保温至传热系数为0.5w/m・k即可使建筑的传热耗热指标下降2―3w/m2,即约减小10%的耗热。如在增加北墙保温的同时,将北窗改为双层窗, 建筑的传热耗5w/m2,即减少约,20%以上的耗热, 效益更加显著。 
       2.3 楼地面节能改造 
       楼地面作为别墅护围结构的一部分,其保温节能措施不容忽视,尤其当不采暖地下室的顶板作为首层地面(楼板)或楼板下方直接暴露在大气中时。 
       (1)预制复合保温楼地板:由于挤塑聚苯板长期吸水率低及具有较好的抗压抗变形性能,预制复合保温节能板也可以作为保温楼地面板使用。预制复合保温楼地板的预制构件依次由保温板、粘性砂浆、玻璃纤维网、抗裂砂浆构成(见下图2.1)。铺设时将预制构件以粘结砂浆粘贴在找平楼地面上,再于其上铺设普通地砖,施工简单便捷。 
       
      图2.1 预制复合保温楼地板 
       
       (2)聚苯颗粒砂浆保温楼面:即用具有绝热保温性能的低密度有机或无机颗粒材料按l:l比例调和水泥砂浆,直接涂抹于地板表面,厚度约4cm,它较一般抹面砂浆质量轻,方便应用于既有建筑楼地面隔热。 
       (3)膨胀珍珠岩保温楼面:当住宅铺设木地板时,亦可于木龙骨间填充4 cm厚膨胀珍珠岩增加楼地面保温效果。 
       三、地源热泵在别墅节能改造中的应用 
       地源热泵作为一种有益环境、节约能源和经济可行的建筑物供暖及制冷新技术越来越受到关注。它是利用地下相对稳定的土壤温度,通过媒介质来获取土壤 内冷(热)能量的新型装置,可一年四季方便地调节建筑内的温度。由于该制冷供热方式不存在能量形式的转换,几乎是一种能量的“搬运”过程,因而其能量转换效率高、运营成本低。 
       下面作者以实际工作中北京某别墅的节能改造为例,具体介绍地源热泵在 节能、环保方面的优势。 
       该工程位于北京市,共两层,包括卧室、厨房、客厅、车库、卫生间、浴室 和电脑房。该别墅建筑面积320m,空调面积250m。改造前,该别墅夏天采用风源式户式中央空调制冷,冬天采用燃气壁挂炉采暖。经计算本工程的夏季总冷负荷为30kW。冬季总热负荷为28.8kW。 
       3.1 节能改造方案介绍 
       根据该建筑结构形式及其周围环境条件,采用土壤热泵式中央空调主机 +太阳能采集系统。土壤源热泵中央空调夏季为用户提供冷源,冬季为用户提供热源,使室内全年保持舒适宜人的空气环境。太阳能系统不但能够为用户提供免费的生活热水,而且作为土壤源热泵系统的补充热源,提高了土壤源热泵中央空调系统在冬季的安全系数,保证了用户的使用安全。 
       由于本项目为改造工程,为减少对建筑及原装饰装修的破坏,末端采用立式暗装风机盘管。由于空间所限,厨房和电脑房采用吸顶式风机盘管。该系统同时解决了夏季空调制冷和冬季空调采暖问题,同时还可以利用机组冷凝热加热生活热水。系统由土壤热泵空调机组,太阳能采集板、风机盘管及热水系统 ( 用户系统),耦合式土壤换热系统和相应的控制系统五部分组成。 
       土壤热泵式中央空调系统是以土壤为冷源、 热源对建筑进行空气调节。该系统利用了地球表面浅层地热资源,冬季通过热泵将土壤中的低位热能提高品位对建筑供暖;夏季通过热泵将建筑内的热量转移到地下,对建筑进行降温。 
       热水系统有两个来源,其一是土壤源热泵机组,冬季取热于土壤源热泵机组的冷凝器出水,供给空调用热水或生活热水。夏季取热于土壤源热泵机组的蒸发器出水,即空调冷媒水。生活用热系统在夏季取用了土壤源热泵系统的冷却水余热,使得耦合换热系统的回水温度降低,减少了对土壤的散热量,提高了耦合土壤换热系统的使用年限。夏季当用户生活用水量加大,土壤源热泵机组不能及时供热时由太阳能采集系统采集的热量对生活用水进行补充;冬季及过渡季节主要依靠太阳能热水系统供给生活热水,生活热水用量加大,太阳能系统不能提供足够热水时,利用土壤源热泵机组补充热量。当冬季室外气温超出设计温度时,由太阳能采集系统采集热量对土壤源热泵机组进行补充供热。这样,太阳能土壤源热泵系统对生活用热和空调系统用热互为补充,使得生活用热系统和空调系统都得到了安全保证。 
       3.2风机盘管系统 
       室内采用风机盘管水系统,风机盘管采用温控开关控制,并可与空调主机联动控制。风机盘管的安装尽可能设于隐蔽处,并与装修可很好的结合,空调供回水管采用交联聚乙烯管材(PEX)冷凝水管采用热镀锌钢管,空调管道保温采用橡塑海绵,水系统最高点设排气阀,最低点设泄水阀,空调供回水管坡度0.002,冷凝水管坡度0.003。 
       3.3 耦合式土壤换热系统 
       地下系统按夏季和冬季工况分别考虑,并取最不利情况下的计算结果作为依据。 
       ( 1 )埋管形式 
       土壤热泵的地下埋管形式有竖直埋管和水平埋管两种形式,本工程采用竖直埋管中的双u型管,这样尽可能在同样换热效果的情况下,较竖直埋管中的单u型管减少30%的打孔数量。换热器采用高密度聚乙烯(HDPE)管道。该种管材耐 腐蚀不积水垢,使用寿命长;洁净卫生,不滋生微生物;抗静电、耐低温;抗地震,抗地基下沉;自重轻,搬运、安装容易;接头少,减少了渗漏几率:管道摩擦阻力小.压头损失小,水泵输入功率减小,省电。 
       ( 2 )埋管深度 
       根据本工程特点,采用深度为80 m的浅埋管形式,降低了对管材的压力要求,减少了管材造价。 
       ( 3 )管路计算 
       经软件竖直埋管深度80m,则所需竖井个数取为6个,即在别墅东侧6个深80m的孔,沿建筑物基础外25 m处均匀布置。管道内循环介质采用配合好的耦合式换热器专用循环液。地面以下10~100m深的土壤温度全年恒定在12~17°C左右,在夏季防冻溶液将空调机组的冷凝器排热传送给土壤,冬季防冻溶液从土壤中吸收热量,传递给空调机组:过渡季节地下埋管系统和室内风机盘管系统连通,从土壤中吸收热量,直接供给风机盘管,向室内供热。土壤热泵主机与室内外空气均无接触。 
       (4)土壤源热泵空调系统设备及运行情况(见表1)。 
      表1 
       热泵技术 水源循环水泵 用户 风机盘管 
      (综合) 
       制冷工况 制热工况 制冷工况 制热工况 循环水泵 
      输入功率(W) 5170 5987 750 750 750 435 
      输出功率(W) 30000 28800 ―― ―― ―― ―― 
       
       (5)太阳能与热泵机组联立控制 
       通过安装在空调区域的感温包监测空调区域实际温度,然后实时反馈到设于机房的电动执行器,冬季当空调区域的温度过低,热泵机组开机时间过长时,电动执行器动作打开太阳能加热系统的电磁阀,太阳能热水通过板式换热器加热热泵机组冷凝器的出水。当太阳能热水系统供应热量不足以供应生活热水使用时 ,板式换热器内的热量流动过程就发生了逆向转变,热泵机组的热量通过板式换热器对生活热水进行加热,保证全年任何时刻的家庭生活用热。 
       3.4 改造前后技术性能比较分析 
       该别墅改造前后技术性能比较如下表2所示: 
      表2 
       原户式中央空调与壁挂锅炉系统 土壤热泵+风机盘管+太阳能系统 
      机组 制冷效果 室外机受室外空气温度影响大, 制冷不稳定 机组制冷稳定可靠,不受室外空气温度变化影响 
       制热效果 不受外界空气温度变化影响 机组制热稳定可靠,不受室外空气温度变化影响 
       能耗 制冷时:COP低( 2 5左右),耗电 
      制热时:只将70%-90%的燃料内能为热量,供用户使用 COP大于4,节电 
       对周围环境影响 夏季:机组排风量大,往外排放大量废热,排出的废热形成建筑外围的热环境 
      冬季:壁挂锅炉会向室外排放燃烧剩余气体 无排风,不抽取地下水,对环境无污染,不破坏地下水质 
       噪音 室外机风量大,噪音高,室内噪音高 运转部件少,噪音低 
       安装 室外机必须安装在通风良好的空间,室内机占用净空 无室外机,空调机组体积小,可安装在封闭空间内 
      末端 效果 大温差小风量送风,室内温度分布不均匀,舒适度差 风机盘管送风温度高、风量大,舒适 
       控制 一开全开,所有房间一个温度 分室控制,可单独调节房间温度