深能量改造退出
乔恩·哈罗德(Jon Harrod)对外墙改造的深入研究教会了他一些昂贵的教训,并促使他将工作转向不同的方向。
作者:Jon Harrod
2000年代末和2010年代初,人们对deep-energy改造.那时候,我们很多人都在绿色建筑社区开始接受避免灾难性气候变化所需的减排幅度。灵感来自于超低能耗的新住宅被动的房子以及一位向我们保证这一点的总统“绝缘材料很性感。”我们寻求在现有建筑中实现深度节能的方法。我们的目标是在传统改造中节省大约30%的空间加热和冷却能源,而我们认为实现气候保护目标需要节省50%至90%的空间加热和冷却能源。这种性能改进要求我们评估建筑的所有表面,以寻找减少热量传递的机会。
在深度能源改造中,上面的墙壁通常是技术上最具挑战性和最昂贵的组成部分。在现有的住宅中,墙体的隔热性能受到现有空腔深度的限制,并且通过螺栓和其他框架构件的热桥接进一步降低了墙体的性能。要超过大约R-20,就必须在墙的内部或外部增加绝缘。大多数深度能源改造包括拆除墙板,并在房屋外部添加一层或多层泡沫板。门窗作为工程的一部分可以更换,也可以不更换;无论哪种情况,都需要密切注意这些开口的闪烁。一旦泡沫到位,新的壁板安装,通常在毛皮条。门窗装饰,有时屋顶悬垂可能需要修改,以适应额外的壁厚。
一些早期的深层能源改造,比如由保罗Eldrenkamp的团队提供了灵感和概念证明。然而,高昂的成本(14万美元以上)和漫长的回收期(50多年)意味着这种方法不太可能扩展到最忠诚的房主和最富有的邮政编码之外。(见Martin Holladay 2010年的文章“深度能源改造的实际观察”在书中,他描述了Eldrenkamp的工作,并探索了更便宜的替代品。)
大约在那个时候,纽约州能源研究与发展局(NYSERDA)开始资助一系列旨在降低成本的试点研究。在尤蒂卡,最初的试点改造了四座老建筑(见“深层能源改造的高成本”).扣除不可预见情况的费用后,每栋建筑能源相关升级的费用约为91,800美元。其中,约53%用于升级高档墙、窗、门。
2011年,NYSERDA资助了一项后续研究,选择了四个团队来开发和测试新的节省成本的墙壁方法。我的公司,舒适的地球该公司与Taitem Engineering和陶氏建筑解决方案(Dow Building Solutions)合作,组成了其中一个团队。我们的提案名为“扩大深度能源改造的优化策略”,获得了在我们的商店进行时间和运动研究的资金,然后将我们的发现应用于四个房子。我们试图在节省大量能源的同时减少材料浪费和安装时间。我们认识到,一些早期的项目试图推动最佳实践的极限,在这个过程中,包含了冗余或过度建造的排水平面、空气屏障和热控制层。腰带和背带裤的方法不一定是坏事,尤其是考虑到耐用性,但我们想看看在不牺牲结果的情况下,我们可以在哪里简化。我们的项目在伊萨卡进行,位于气候区6A的南部边缘。
我们的方法
对于我们的外部绝缘,我们使用陶氏Thermax箔面聚异氰尿酸酯板。在其他泡沫板中,我们选择了聚光胶合板,因为它的全球变暖潜能值低,每英寸r值高,而且箔面可以很好地粘合柔性闪光和施工胶带。胶合板,适当的闪光和细节,不仅可以作为隔热层,还可以作为空气屏障和排水平面,使我们省去了单独的房屋包装的成本。虽然一些早期的深度能源改造在现有的木框架墙上合并了两层泡沫板,但只有2-1/2英寸。一层Thermax使我们能够通过单层泡沫达到NYSERDA所要求的全墙r值25。(对于我们最初的计算,我们使用每英寸6-1/2的r值。polyiso。我们后来意识到,由于它在较冷的温度下会损失r值,所以聚利索的整体性能可能接近每英寸R-5。(见《聚异氰尿酸酯的寒冷天气性能》).R-12-1/2的外部泡沫保温材料仍然足以防止我们气候区的冷凝,但我怀疑我们的墙壁在现实世界中的r值可能在20出头。
完整的墙面处理包括:
- 拆除现有的壁板和建筑用纸。
- 用高密度纤维素绝缘填充空腔壁。
- 安装门窗扣件和闪光装置。我们原本计划更换所有项目住宅的窗户。由于排水平面是胶合板的外表面,我们计划将新窗户安装为“外窗”,将其钉边与泡沫板对齐。我们在四所试点房屋中的两所这样做了。另外两栋房子已经有了新的双层玻璃窗;为了降低成本,我们保留了这些窗口,并将它们视为“内行”。为了装饰这些狭小的窗户,我们的壁板承包商弯曲铝卷股票,这是安装和小心地填缝在木块。
- 安装和细化泡沫保温板。2-1/2-in。Thermax板安装在现有的护套上。空隙被膨胀的泡沫填满。垂直接缝处用胶布粘好,水平接缝处和角落用剥皮和粘边闪光处理。窗户和门的开口都是闪光的,将所有的排水引向泡沫的外表面。
- 安装毛条、壁板和装饰。为了降低成本,我们最初建议为所有四栋房子安装乙烯基墙板。在我们的四个研究房屋中的一个,我们能够重复使用现有的乙烯基壁板,修改角落装饰以适应额外的壁厚。两个房主选择了纤维水泥,一个选择了复合木墙板。在所有的四个房子里,我们安装了皮毛条,在壁板后面创建一个通风通道。虽然我们可以使用长螺丝将乙烯基壁板直接安装在泡沫板上,但我们的壁板承包商觉得用毛条更舒服。
对于阁楼和地下室,我们提出了标准的改造技术,并精心应用。我们将用手和绝缘真空拆除现有的阁楼绝缘。阁楼平面上所有可见的漏气处都将用填充物、泡沫和其他空气屏障材料密封,空气密封工作将用鼓风机门、烟雾发生器和红外扫描仪进行检查。将安装通风槽和拱腹块,阁楼将用松散填充的纤维素绝缘到R-60。未完工的地下室墙壁将用2-1/2英寸隔热。Thermax,不需要热障。环托梁应绝缘3英寸。闭孔泡沫。我们将做出额外的努力,以确保在边缘托梁和框架墙与阁楼平面交界处保持连续的压力和热边界。所有通风口的供暖和热水设备将升级为密封燃烧或动力通风,并将安装符合建筑性能研究所要求的机械通风设备(如果没有的话)。
时间和动作研究
在开始实际的改造之前,我们通过一系列的时间和运动研究来完善我们的治疗方法。时间和运动方法最初用于提高制造效率,包括将一个过程(例如外墙改造)分解为一系列简单、重复的任务,然后测试不同的工具和技术,以找到每个任务的最佳方法。我们的安装人员在Taitem的工程师观察和计时的同时完成了工作。我们还评估了材料成本、安装质量和安装人员反馈。
我们检查的任务包括在多塑纤维板上进行撕裂(纵向)切割和交叉切割,将木板固定到木框架和混凝土墙壁上,粘贴接缝,建筑窗框和闪烁的窗户开口。大部分研究都是在我们的店里进行的,我们在店里搭建了一堵24英尺长的测试墙,用OSB包裹起来。混凝土墙的研究是在Taitem工程公司的地下室进行的。
对时间和动作的研究得出了一些有趣的发现:
- AccuCutter是一种非电动夹具,带有锋利的无齿切割轮,是进行撕裂切割的最佳方法。虽然AccuCutter每次切割所花费的时间比拥有细齿刀片的台锯稍长,但它产生的灰尘更少。AccuCutter和台锯都比手锯或泡沫板刀更快,切得更直。(据我所知,AccuCutter已经停售;有一个旧视频在这里.现在有专门用于切割灰尘最少的泡沫板的无齿台式锯片)。
- PVC锯是十字形切割和l形切割的首选工具,而钥匙孔锯是干燥管道周围的小切口的最佳选择。
- 为了将泡沫板固定在木结构墙壁上,预先组装的垫圈螺钉(我们使用Ci-lock品牌)提供了优越的连接,总体成本与帽钉相似。它们对聚立iso铝箔表面的损害也较小,如果有必要纠正泡沫板放置错误,则更容易移除。
- 对于混凝土墙来说,塑料“圣诞树紧固件”比粉末驱动的锚更划算。另一方面,点27口径火药驱动锚的安装速度更快(也更有趣!),连接也更安全。
- 使用点胶机将泡沫板接缝处应用施工胶带的时间缩短了约30%。该分配器还消除了对美工刀的需要,并避免了启动胶带粘在卷筒上的挫折。
的改造
时间和运动研究完成后,我们将研究结果应用于伊萨卡地区的四个家庭。工作于2012年秋季至2014年春季之间完成。下面这组照片记录了一次改造的过程。
![pre-retrofit](https://s3.amazonaws.com/finehomebuilding.s3.tauntoncloud.com/app/uploads/2023/01/13190440/pre-retrofit.jpg)
![支持删除;隔离墙](https://s3.amazonaws.com/finehomebuilding.s3.tauntoncloud.com/app/uploads/2023/01/13190633/Siding-removed-walls-insulated-.jpg)
![安装泡沫板](https://s3.amazonaws.com/finehomebuilding.s3.tauntoncloud.com/app/uploads/2023/01/13190912/Installing-foam-board.jpg)
![安装剥皮贴片和贴片条。](https://s3.amazonaws.com/finehomebuilding.s3.tauntoncloud.com/app/uploads/2023/01/13191311/Installing-peel-and-stick-flashing-and-furring-strips..jpg)
![完成的改造](https://s3.amazonaws.com/finehomebuilding.s3.tauntoncloud.com/app/uploads/2023/01/13191630/The-completed-retrofit.jpg)
对于这四次改造,我们跟踪了成本、鼓风机门的减少和能源使用的变化。摘要如下表所示;我们的全部研究结果发表在白皮书可在此索取.
经验教训
从这项研究中,我们得到了一些清晰但痛苦的教训:
- 即使关注成本控制,深层能源改造仍然昂贵。尽管我们尽了最大的努力(甚至为西山的房子重新使用了现有的乙烯基壁板),我们四次改造的平均能源改善成本为71,167美元。平均回收期(以2021年燃料成本计算)为81年,最短为56年。墙壁处理(空腔保温、外保温、闪光和壁板)约占总成本的50%,但占总节省的一小部分。
- 对承包商来说,深度能源改造在技术上和后勤上都很复杂,对房主来说也是一种侵犯.作为一名家庭性能和绝缘承包商,我把我的业务安排在一到五天的项目上,与其他行业的协调最少。这些深度能源改造都是耗时数月的项目,涉及屋顶工人、木匠、电工和暖通专家。学会在协调多个分包商的同时保持自己的团队的生产力是一个非常昂贵的教训。我还发现,我不得不花费比预期更多的时间来培训和监督我自己的工作人员和分包商——他们都不习惯使用厚的外部绝缘材料——以确保他们的细节是正确的。
延长的改造时间,加上他们的“全屋”范围,意味着对房主的影响要比典型的保温工程大得多。虽然与我们合作过的所有房主都热情而亲切,但随着项目的拖延,我越来越担心日常噪音和交通对他们居住空间的影响。
- 深度能源改造可以节约能源,但并不能达到净零能耗。在三个使用天然气供暖的家庭中,我们平均每年减少了777温。在用丙烷加热的房子里,我们每年节省了大约607加仑。这相当于四所房子的取暖燃料使用量减少了58%。虽然这些都是有意义的削减,并且在深度能源改造的预期范围内,但我发现无论是财务投资还是我自己的时间和精力,结果都令人失望。
更让我失望的是,我忽略了一些非常明显的东西。供暖和制冷能源,深度能源改造的重点,只是住宅能源图景的一部分。就整个美国而言,空间供暖和制冷所占的平均家庭能源消耗不到一半。即使在冬季寒冷的东北部,平均也不到60%。隔热和气密性的升级并不能解决水加热、照明、电器或电子产品的能源消耗问题。因此,家庭CO的减少2排放量低于取暖燃料使用量的减少,四座房屋中的一座仅超过50%。
这三个教训加在一起,使我确信,深度能源改造不是一个可扩展的气候变化解决方案。大约在同一时间,在2014年到2015年之间,绿色建筑社区的许多其他人也得出了同样的结论“深度能源改造经常被误导”).幸运的是,大约在同一时间,我意识到另外两个趋势,它们指向了一条不同的、更有希望的深度减排之路。
首先是发电排放的大幅下降。这种下降始于2005年左右,最初是由于天然气电厂取代了燃煤电厂。随着风能和太阳能发电成本的下降,这些可再生能源的增长进一步降低了每千瓦时的碳排放量。
二是高效、经济的空间和水加热全电动技术的成熟,特别是寒冷气候的空气源热泵和热泵热水器。这些装置——每消耗一个单位的电力就能提取三个或更多单位的有用热量——通常可以作为天然气、石油或丙烷的直接替代品。
在美国的大片地区,从化石燃料转向热泵可以立即显著减少排放。最近的一次塞拉俱乐部研究声称:“对于普通家庭来说,在未来10年里,安装电动热泵取代煤气炉和燃气热水器将减少45%以上的供暖排放。”在纽约和加利福尼亚这样的地方,低碳能源已经在电力结构中占主导地位,当空间供暖和热水都得到解决时,这些减少可以超过50%。而且,随着电网继续脱碳,已经安装的热泵和热泵热水器的排放量将继续下降,房子里所有其他用电产生的排放物也是如此。通过这种方式,“一切电气化”的方法提供了一条实现零排放的途径,而深度能源改造则无法做到这一点。如果房主想要比电网更快地实现净零,他们可以安装太阳能电池板或选择提供100%可再生电力的电力供应商。
在完成深度能源改造研究后不久,我开始安装热泵;从那时起,它们就成为了我最大的业务部门。一个典型的全屋热泵项目,包括热水和热水,成本在1.8万美元到3万美元之间,甚至比最便宜的深层能源改造要低得多。这些项目通常需要两到五天的时间来完成,这使得我们可以在最小的干扰下进出。对于从石油、丙烷或电阻转换而来的客户,我们通常可以在不到20年的时间内实现简单的回报。如果客户有资格获得国家或公用事业公司的奖励,那么回报就会快得多。如果现有的化石燃料系统接近使用寿命的尽头,或者如果客户计划增加新的中央空调,热泵增量成本的回报看起来确实相当有吸引力。
电气化为减少建筑排放提供了一条优雅、可扩展的途径。在这种新的模式下,绝缘和空气密封工作还能发挥作用吗?当我克服了改造试点的心理和经济挫折后,我得出的结论是,答案是肯定的。虽然热泵可以帮助一个家庭实现零排放,但低碳电力并不是免费的,对建筑围护结构进行常识性改进可以帮助控制能源成本。
虽然拆除完整的壁板来安装一层连续的泡沫很难证明,但在已经计划好的壁板升级中添加隔热板是一颗更容易接受的药丸。而且,在不安装外部泡沫的情况下,可以减少80%的深层能源改造的热损失。阁楼、地下室和爬行空间可以以合理的成本接近深度能源改造标准。空的木构墙腔可以用密集填充的纤维素绝缘材料填充。如果现有的窗户至少有两块玻璃(其中一块可能是防风窗),并且状况良好,更换它们只会节省很少的费用,但出于舒适、美观和易于使用的原因,仍然是有意义的。
在很多方面,我发现自己又回到了马丁·霍拉迪(Martin Holladay)在2010年写的“实用方法”(Practical Approach)。这种程度的外壳改进,虽然远远没有达到真正的深度能源改造,但却为房屋的电气化做好了准备,而且它还有其他好处。密封漏风可以减少气流,防止不必要的水分迁移。通过隔热来提高表面温度还能提高舒适度,防止冷凝。绝缘和空气密封一起减小了尺寸,从而降低了保持房屋舒适所需的热泵系统的成本。降低热泵所需的峰值输出也将减少其电力需求,从而更容易实现稳定的高可再生电网,能够为真正的零排放家庭供电。
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先前发表于GreenBuildingAdvisor.com.乔恩·哈罗德是舒适的地球该公司是纽约州伊萨卡(Ithaca)的一家承包公司,其使命是以对人类和地球有益的方式减少建筑能源使用。Jon拥有建筑性能研究所的多项认证,并发表了大量关于能源效率和绿色建筑的文章。图片由作者提供。