上海花园洋房历史建筑节能改造技术适用性研究

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上海花园洋房历史建筑节能改造

技术适用性研究

摘要

上海市花园洋房历史建筑已成为其不可或缺的建筑历史文化遗产，这些建筑

使得上海具有区别国内乃至世界范围其他城市的独特风貌景观，因此对花园洋房

历史建筑的保护迫在眉睫。

本课题立足于保护上海市花园洋房历史建筑，以两栋小洋房为对象，研究了

其中围护结构和空调系统的修缮方法，并分析各种方法对建筑能耗的影响。概括

地说，本文主要做了如下工作：（1）以两栋小洋房为研究对象，分别为住宅类

和办公类建筑，对小洋房围护结构（墙体和窗户）采取各种改造方法，然后利用

软件计算改造后的围护结构传热系数及耗热量耗冷量，得出各种改造方法后墙体

和窗户的传热系数以及建筑耗热量耗冷量指标；（2）计算两栋小洋房的冷、热

负荷，对其设计空气源热泵系统，并计算该空调系统的各部分能耗情况以及该空

气源热泵系统的能耗指标；（3）对这两栋小洋房设计地源热泵系统，并计算地

源热泵系统各部分能耗情况及该地源热泵系统的能耗指标；（4）以两栋小洋房

的地源热泵系统为研究对象，分析地埋管设计中不同参数（土壤性能、回填土性

能、钻孔间距、钻孔布置方式、钻孔深度）对系统能耗的影响，从而为这两栋小

洋房的地源热泵系统中地埋管设计找出最佳的设计参数。

通过对这两栋小洋房各种围护结构改造方法的理论计算和实验测试分析表明：

（1）对办公类花园洋房历史建筑外墙添加内保温后，耗热量下降，耗冷量上升。

对小洋房更换窗户比对外墙添加内保温效果好，且内贴膜中空玻璃的传热系数最

小，耗热量耗冷量指标也比较小；（2）对这两栋小洋房分别设计空气源热泵系

统，其机组 COP 均满足标准规定；（3）对小洋房设计地源热泵系统，其机组 COP

均满足标准规定，且其能耗指标要小于空气源热泵系统，比较节能； (4) 对这

两栋小洋房来讲，土壤性能和回填材料导热系数对地源热泵系统能耗影响最大，

钻孔布置方式、钻孔间距以及钻孔深度的影响很小。根据研究结果，对上海地区

小洋房围护结构和空调系统改造方法有一定的借鉴意义。

关键词：历史建筑空气源热泵地源热泵能耗耗热量耗冷量

ABSTRACT

Shanghai garden house historical buildings have become the indispensable

architecture of historical and cultural heritage, these buildings are unique style of

landscape and made Shanghai has difference between domestic and other cities in the

world, so the protection of these historical buildings is imminent.

This topic is based on protecting Shanghai garden house historical architecture,

with two small house as the object, studied some repair methods for building envelop

and air-conditioning system, and analysis of various methods of building energy

consumption. Generally speaking, the works done in this thesis are as follows: (1) take

two houses as object, residence and office building respectively, took various retrofit

methods for the building envelop, then calculated the U-value and heat loss and cool

loss established a theoretical model of the wall heat transfer and analyzed environmental

factors on on-site testing of building envelope heat transfer coefficien; (2) calculated the

cold and heat load for the two houses, then designed air-source heat pumps for them,

and calculated the energy consumption for each part; (3) designed ground-source heat

pump systems and calculated their energy consumption; (4) with two ground source

heat pumps of the two small house as the research object, and analyzed the effects of

different parameters on the energy consumption, then find out optimal design

parameters.

Through theoretical and software calculations of the two houses show that: (1) the

index of heat loss decreased while the index of cold loss increased after adding

insulation to the interior of the wall for the office building, the effect of replacement of

the old windows with new type windows is good compared to adding insulation to the

interior of the wall, the U-value of the Zhang membrane hollow glass is the smallest,

and its index of heat loss and cool loss are comparatively small; (2) COP of the air

source heat pump units for the two houses meet the prescribed standards; (3) COP of the

ground source heat pump units meet the prescribed standards too, and the index of the

energy consumption is smaller than air source heat pump, more energy saving; (4) for

these two small houses, the effect of soil properties and backfilling materials properties

on the ground source heat pump are biggest, while the effect of the borehole

configuration, borehole depth, borehole spacing are smaller.

According to the research results, some suggestion on retrofitting of the building

envelop and air conditioning systems are given.

Key Words: Historical Building, Air Source Heat Pump, Ground

Source Heat Pump, Energy Consumption, Heat loss.

目  录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论.........................................................1
§1.1 课题研究背景..................................................1
§1.1.1 上海地区历史建筑现状......................................1
§1.1.2 国内外对历史建筑改造方法的研究现状........................2
§1.2 本课题的研究内容和意义........................................6
§1.2.1 本课题的研究内容..........................................6
§1.2.2 本课题研究意义............................................6
第二章 围护结构节能改造技术适用性研究................................7
§2.1 研究对象......................................................7
§2.2 小洋房改造前情况.............................................11
§2.3 小洋房围护结构采取不同改造方法后的传热系数...................13
§2.4 小洋房围护结构采取不同改造方法后的耗热量耗冷量...............15
§2.4.1 小洋房（办公）改造后的耗热量耗冷量.......................15
§2.4.2 小洋房（住宅）改造后的耗热量耗冷量.......................17
§2.5 本章小结.....................................................19
第三章 空气源热泵系统的适用性分析...................................21
§3.1 空气源热泵系统能耗计算的基本思路.............................21
§3.2 小洋房（办公）采用空气源热泵系统的能耗.......................22
§3.2.1 负荷计算及选型...........................................22
§3.2.2 能耗计算.................................................25
§3.3 小洋房（住宅）采用空气源热泵系统的能耗.......................27
§3.3.1 负荷计算及选型...........................................27
§3.3.2 能耗计算.................................................30
§3.4 小洋房采用空气源热泵系统后的能耗指标.........................32
§3.5 本章小结.....................................................33
第四章 地源热泵系统的适用性分析.....................................34
§4.1 地源热泵系统能耗计算方法.....................................34
§4.2 小洋房（办公）采用地源热泵系统的能耗.........................35
§4.2.1 负荷计算及选型...........................................35
§4.2.2 能耗计算.................................................37
§4.3 小洋房（住宅）采用地源热泵系统的能耗.........................40
§4.3.1 负荷计算及选型...........................................40
§4.3.2 能耗计算.................................................41
§4.4 小洋房采用地源热泵系统后的能耗指标...........................44
§4.5 本章小结.....................................................44
第五章 地源热泵系统性能影响因素分析.................................46
§5.1 地源热泵设计模拟软件.........................................46
§5.2 参数输入.....................................................47
§5.3 回填材料对系统能耗的影响.....................................48

§5.4 土壤特性对系统能耗的影响.....................................51
§5.5 钻孔布置方式对系统能耗的影响.................................53
§5.6 钻孔间距对系统能耗的影响.....................................54
§5.7 钻孔深度对系统能耗的影响.....................................55
§5.8 本章小结.....................................................55
第六章 结论与展望...................................................57
§6.1 结论.........................................................57
§6.2 对本课题的展望和建议.........................................58
参考文献............................................................59

第一章绪论

§1.1 课题研究背景

本课题依托上海市科委科技创新行动计划节能减排专项历史建筑节能技术集

成研究与应用示范子课题（08DZ1203802）。

§1.1.1 上海地区历史建筑现状

自1843 年上海开埠以来，经历百余年的发展，伴随着西方的政治、宗教、经

济和文化的影响，并结合中国自身特点所形成的历史建筑，形成了目前上海中心

区的基本空间风貌和格局，已成为国际化大都市不可缺少的历史文化遗产，这使

得上海具有区别国内乃至世界上其他城市的独特的风貌景观。上海的历史建筑距

今约百余年，与上百年上千年的历史悠久的文物建筑不同，这些历史建筑普遍还

在使用中，现今使用价值很可能已经超过文物价值，如果对其不使用、利用就难

以保护，而不合理地使用、超负荷地使用又会破坏历史建筑。因此如何加强对这

些历史建筑的修缮保护的研究和实践，并通过修旧如故让其重现风貌，已经成为

我们面临的重大课题。

上海市政府分别于 1989、1994、1999、2005 年分四批公布了共有632 处（计

2138 栋）重点保护的优秀历史建筑，主要分布在市中心，其中第一批公布的 61

处（140 幢）属市级文物保护单位，其余571 处(1998 幢)属市级建筑保护单位。

依据2002 至2004 年对第二批、第三批共 337 处优秀历史建筑的普查报告，其中

有170 处（约124.9 万 m2）为一般损坏，23 处（约15.1 万 m2）为严重损坏，一

般损坏与严重损坏占总数的 58%，这些大多为公益性建筑。从建筑产权方面分析，

大约90％属于公有建筑，其中国有直管的建筑超过70％。由于长期的实行低租金

福利性政策，以致大量优秀历史建筑和其它房屋一样，靠租金维持低水平的保养

和维修，并且无法解决保护性的修缮经费，出现十几年未大修、中修的现象十分

普遍，房屋现状的使用情况和质量堪忧，因此上海历史建筑的修缮保护工作任重

而道远。

2008 年上海市颁布的《历史文化名城名镇名村保护条例》（以下简称《条

例》）给予“历史建筑”明确的定义：“历史建筑是指经城市、县人民政府确定

公布的具有一定保护价值，能够反映历史风貌和地方特色，未公布为文物保护单

位，也未登记为不可移动文物的建筑物、构筑物。”此《条例》明确的区分了历

史建筑和文物。

本文的研究重点为上海市小型花园洋房历史建筑，这些历史建筑大都建于 20

世纪上半叶，主要存在着以下问题：（1）花园洋房历史建筑大都使用木门并安

装单层普通玻璃的木质窗户，由于木材的干缩并老化，经过多年使用后，木质门

和窗户的气密性均变差，热工性能也明显降低；稍后的历史建筑已经开始使用钢

窗，虽然采光与气密性都有提高，但是其保温隔热性比较差，容易形成冷桥，这

上海花园洋房历史建筑节能改造技术适用性分析

是冬天围护结构保温隔热的薄弱环节；（2）小洋房多采用木屋架与机制粘土瓦，

缺乏合理的屋面保温材料，常采用吊顶而形成封闭阁楼，用以保温隔热；（3）

小洋房外墙多为实心粘土砖墙，当墙体厚度仅220mm 时，它的传热系数值与现

行的规范存在着一定差距；（4）多年使用后，小洋房内的设备已经明显老化，

运行效率也下降；（ 5）在使用过程中对小洋房的不合理分隔和添建，使室内的

风环境和光环境劣化。总之，小洋房历史建筑的围护结构传热系数普遍比较大、

保温隔热性差，特别是在冬天和夏天，能量损失严重，并且自然通风不畅又使空

调负荷加大，天然采光不足使照明用电增加，设备老化造成使用效率降低，可再

生资源未充分利用，未进行能耗综合智能控制等都导致这些历史建筑的能耗居高

不下[41]。

目前，花园洋房历史建筑节能改造的内容有：外墙、屋面、门窗以及空调系

统。对上海市花园洋房历史建筑节能改造的目的主要是不仅使建筑物的节能综合

性指标符合《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》（JGJ134-2001）要求，而且

将历史建筑的原风貌保留，使建筑物的外观形态依旧如故。所以，在对历史建筑

的改造方法就多了很多限制。但是在历史建筑的改造中应以保护为重点，其次是

节能。

§1.1.2 国内外对历史建筑改造方法的研究现状

在建筑节能方面，欧洲几个讲德语的国家（德、奥、瑞）一直走在欧洲的前

列，以往的节能工作大多集中在新建建筑中，而在过去数十年，对历史建筑的节

能改造已经越来越凸显其重要意义，在未来也是如此。目前在欧洲城市发展和国

家资助的计划中，对历史建筑的修缮和节能改造工作已经成为重中之重。尤其在

德国，目前对历史建筑的改造和维修的投资比重已经占到建筑节能投资总额的

60%，并且这个比例还在逐年递增。通过日益提高建筑的现代化改造的标准，仅

仅在历史建筑这个领域就能取得相当不错的节能效果。

一般情况下，历史建筑内的热损主要包括以下几部分：通风和气流

（15%）、窗户（ 10%）、地板（15%）、屋顶（25%）、墙体（ 35%）。所

以，在对历史建筑改造时，也应该从这几方面着手。

德国在历史建筑改造方面通过以下措施产生明显的节能效果：对外墙立面和

屋顶等围护结构进行保温，尤其是窗户；提高历史建筑的气密性；更换燃煤、燃

油及其燃气锅炉设备；用夜间蓄能式采暖设备取代冷凝式中央采暖设备；未安装

空调的区域采取可控式通风；使用太阳能集热及光电设备等。

英国对历史建筑的改造方法有也很多研究。窗户：采用木制窗框和窗台；对

原有窗户添加保温，可以降低冷风渗入以及减少从窗户周围空隙散失的热量；对

原有窗户添加保温且采用低发射率的玻璃；添加木制内窗扇；用现代的双层或三

层玻璃窗代替原有窗扇等。地板：添加保温层，有不同的铺设保温层方法，可以

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摘要：

上海花园洋房历史建筑节能改造技术适用性研究摘要上海市花园洋房历史建筑已成为其不可或缺的建筑历史文化遗产，这些建筑使得上海具有区别国内乃至世界范围其他城市的独特风貌景观，因此对花园洋房历史建筑的保护迫在眉睫。本课题立足于保护上海市花园洋房历史建筑，以两栋小洋房为对象，研究了其中围护结构和空调系统的修缮方法，并分析各种方法对建筑能耗的影响。概括地说，本文主要做了如下工作：（1）以两栋小洋房为研究对象，分别为住宅类和办公类建筑，对小洋房围护结构（墙体和窗户）采取各种改造方法，然后利用软件计算改造后的围护结构传热系数及耗热量耗冷量，得出各种改造方法后墙体和窗户的传热系数以及建筑耗热量耗冷量指标；（2）...

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