既有建筑圍護結構節能改造技術及經濟分析

李建忠

(中鐵上海設計院集團有限公司,上海 200070)

近年來,我國建筑規模迅速擴大,21世紀頭 20年內建筑業仍將迅速發展。預計到2020年底,全國房屋面積將達到686億m2。隨著人民生活水平的提高,建筑能耗必然出現較快增長,同時非節能建筑數量的積累,不但會給我國能源供應帶來巨大壓力,國家將更難以承受對節能改造的經濟支出,大氣環境也將越來越差。對既有建筑進行節能改造,以避免能源、資源的浪費,提高建筑熱舒適度,已成為我國當前緊迫的、必須盡快解決的重大問題[1]。

我國目前也只是在少數城市對有限的既有住宅建筑進行示范性改造。而量大面廣的非節能型住宅的節能改造是我國建筑節能的關鍵,如果在這方面不取得重大進展,住宅建筑節能問題就不能徹底解決[2]。

既有建筑節能改造,是指對不符合民用建筑節能強制性標準的既有建筑的圍護結構、供熱系統、采暖制冷系統、照明設備和熱水供應設施等實施節能改造的活動。從建筑節能設計角度,針對某既有建筑(外墻:實心磚墻、屋面:鋼筋混凝土屋面、外窗:鋁合金普通單框雙玻璃10 mm)外圍護結構節能改造技術及經濟分析研究。

1 建筑結構節能設計

建筑節能,是指在不降低建筑使用功能的前提下,提高建筑中的能源利用效率,降低建筑能耗。進行建筑節能設計,應考慮城市綜合環境、氣候條件、總體布局；建筑物的形體變化、朝向等綜合因素對節能的影響[3～4]。建筑的圍護結構直接影響民用建筑的能耗,據調查,圍護結構的耗熱量占建筑采暖熱耗的1/3以上。因此,建筑物節能的主要途徑應從墻、門、窗、頂等圍護結構著手,通過逐步優化圍護結構設計,盡量減少其能量散失,更好地滿足保溫、隔熱、透光、通風等各種需求,達到最佳的節能效果。

圍護結構外表面受到的日曬時數和太陽輻射強度,以屋面為最大,東西向圍護結構其次,東南和西南又次之,南向較小,北向最小,因此必須重視建筑節能設計,正確選擇房屋的朝向,防止日曬。在住宅體型設計時,注意用最少的圍護結構面積形成滿足功能要求的室內空間體積,外墻表面積越小越有利于建筑節能,平面應形狀規整,盡量減少外圍護結構面積,其意義在于減少不必要的墻體外表面積,避免熱損失。把熱環境要求較低的廚房、廁所、過廳等布置在北向,適當減少北窗開窗面積,而將居室布置方向朝南,充分利用太陽能,保持室內較高的溫度[5]。窗戶對住宅熱環境的影響相當大,它既是太陽輻射的得熱部件,又是主要的失熱部件,故合理確定窗墻面積比是節能的重要措施之一[6]。

2 外圍護結構節能改造方案

2.1 外墻節能改造方案

采暖建筑的外墻應具有足夠的保溫能力,寒冷地區冬季室內溫度高于室外,熱量從高溫一側傳到低溫一側[7]。提高外墻保溫性能大致有以下技術措施。

(1)方案①：XPS板薄抹灰外墻外保溫

此保溫體系構造層次依次如下：240 mm黏土磚墻；10 mm厚水泥砂漿找平層；30 mm厚保溫層(XPS板)；3 mm厚抗裂砂漿+網格布；錨栓；外墻涂料。

依據我國民用建筑熱工設計規范可計算出XPS板薄抹灰外墻外保溫系統的熱物理參數,此保溫系統的傳熱系數K為0.67 W/(m2·K),熱惰性指標D為3.701。

(2)方案②：膠粉聚苯顆粒保溫漿料外墻保溫系統

此保溫體系構造層次依次如下：240 mm黏土磚墻；20 mm厚水泥砂漿找平層；40 mm厚膠粉聚苯顆粒保溫漿料；3 mm厚抗裂砂漿；玻纖網格布；彈性底涂、柔性采膩子；外墻涂料。

此保溫系統的傳熱系數K為0.85W/(m2·K),熱惰性指標D為4.107。

(3)方案③：無機玻化微珠外保溫系統

240 mm黏土磚墻；20 mm厚水泥砂漿找平層；40 mm厚玻化微珠保溫砂漿；耐堿網布；3 mm厚抗裂砂漿；外墻涂料。此保溫系統的傳熱系數K為0.85 W/(m2·K),熱惰性指標D為4.133。

根據《夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準》中有關圍護結構各部分的傳熱系數和熱惰性指標的規定(表1)可知,這幾種改造方案均滿足了相關規定指標。

表1 圍護結構各部分的傳熱系數和熱惰性指標

2.2 屋面保溫改造方案

(1)方案①：擠塑聚苯板倒置式屋面保溫系統。此保溫系統的構造如圖1所示。此屋面保溫系統的傳熱系數K為0.739 W/(m2·K),熱惰性指標D為3.144。

圖1 擠塑聚苯板倒置式屋面保溫構造(從上往下)

(2)方案②：聚氨酯硬泡沫保溫屋面聚氨酯硬泡沫保溫屋面系統構造層次依次為：25 mm厚1∶4干硬性水泥砂漿面層；30 mm聚氨酯硬泡沫保溫層；20 mm水泥砂漿；80 mm輕骨料混凝土；120 mm厚鋼筋混凝土屋面。此保溫屋面的傳熱系數K為0.592 W/(m2·K),熱惰性指標D為3.074。

2.3 門窗保溫改造方案

窗的保溫主要措施是增加玻璃的層數和密閉縫隙,若采用雙層窗,各層玻璃之間應用焊接、膠合或溶合等方式形成中空玻璃,玻璃間填以干燥空氣或氮氣,以防產生凝結水。配合節能窗的開發,低反射玻璃Low-E玻璃等新型具有高科技含量的中空玻璃不斷投入市場,中空玻璃內置百葉,內置安全防盜網的節能型門窗等新產品也正在不斷面市[8]。

(1)方案①：采用雙層普通中空玻璃窗(推拉),它的傳熱系數為2.8 W/(m2·K),遮陽系數為0.83；

(2)方案②：采用鋁合金低輻射中空玻璃窗,它的傳熱系數為2.5 W/(m2·K),遮陽系數為0.64。

2.4 遮陽改造方案

改造方案：增設水平固定外遮陽(在外窗上加設1 m寬的水平遮陽板)。

從上面選取的改造方案,通過對比其熱工作性能,可以看出改造前后此既有建筑的圍護結構的熱工作性能得到了很大的改善,匯總如表2所示(選取了節能改造方案(7)中有關外墻、屋面及門窗的傳熱系數作比較,詳見后文)中的方案作為比較對象。

表2 改造前后圍護結構熱工性能比較

3 節能改造方案技術經濟分析

3.1 分析計算相關參數設定

(1)計算地點：上海；(2)所用氣象數據文件：NANCHtg.BIN；(3)空調房間室內計算溫度；冬季全天為18 ℃；夏季全天為26 ℃；(4)室外氣象計算參數采用典型氣象年；(5)采暖和空調時,換氣次數為1.0次/h；(6)采暖、空調設備為家用氣源熱泵空調器,空調額定能效比取2.30,采暖額定能效比取1.90；(7)室內照明得熱為0.014 1 kWh/(m2·d),室內其他得熱平均強度為4.3 W/m2；(8)圍護結構改造面積取760.9 m2。

3.2 多個節能方案的能耗分析

在所給的節能改造方案中,外墻保溫有3種,屋面2種,外窗2種。本文主要研究外墻、屋面及外窗三者的節能改造效果,這樣節能改造措施組合方式共有12種,通過天正TBEC得到各自的耗能量,具體見表3。

從表3可以看出節能改造成后,此既有建筑的年耗電量降低了,最大幅度降了38.26 kWh/m2,最高節能率達到65%。

(1)3種外墻外保溫方案的節能性比較

方案(1)～(3)、(4)～(6)、(7)～(9)、(10)～(12)這4組節能改造方案只是外墻節能方案不同,其他節能構造是一樣的,這4種外墻保溫方案中,以方案①XPS板薄抹灰外墻外保溫的節能率最高,達到55%,并且這3個外墻節能方案中節能最高率比最低的耗電量低不超過7%。這說明對此既有建筑進行外墻改造時,若僅僅從耗能方面來選取保溫方案是不夠,因為這3種方案耗能量差別不是很大,還應考慮其他因素,如價格、保溫系統的適應性、防火性要求等因素。

表3 節能改造方式(1)～(12)具體構造組合

(2)2種屋面保溫方案的節能性比較

從表3中不同節能屋面的全年耗電量可以看出,屋面節能改造的2種方案在節能率方面相差不大,也很不明顯,因此本文只是隨機選取了3組進行了比較,如圖2所示。

注：方案對比一中3個方案分別為：既有建筑、方案(1)、方案(4)；方案對比二中3個方案分別為：既有建筑、方案(2)、方案(5)；方案對比三中3個方案分別為：既有建筑、方案(3)、方案(6)。圖2 屋面節能改造方案耗電量比較

從圖2可以看出屋面節能改造中的2種方案在此既有建筑節能改造中的節能率的差別很小,若除去所建能耗模型時的一些假設,可以近似認為這2種節能方案的節能率是基本相同的,因此對屋面節能改造需從這2種方案中選其一時,需綜合考慮其他方面的因素的要求,這樣才能使得屋面節能改造所選的方案達到最佳的節能技術適宜性。

(3)2種外窗改造方案節能性比較

門窗保溫改造方案中表示當外窗由鋁合金中空雙玻璃窗更換為鋁合金低輻射中空玻璃窗時,其傳熱系數由2.8 W/m2降為2.5 W/m2,遮陽系數由0.83變為0.64,其節能效果如圖3所示。

注：方案對比一中2個方案分別為：方案(1)、方案(7)；方案對比二中2個方案分別為：方案(4)、方案(10)；方案對比三中2個方案分別為：方案(6)、方案(12)。圖3 外窗節能改造方案比較

這是因為低輻射中空玻璃對夏季降低室內冷負荷指標十分明顯著。而在冬季,由于室內外溫差較大,因此室內熱負荷主要由圍護結構的傳熱性能所決定,在采用低輻射中空玻璃后,傳熱系數較以前降低了22%,但是由于外窗在圍護結構中所占面積較小,再加上低輻射中空玻璃較低的遮陽系數對冬季室內通過太陽輻射取暖產生了消極的影響,因此,低輻射中空玻璃在夏季的節能效果要好于冬季,使得低輻射中空玻璃與中空雙玻璃相比,全年的耗電量的減少額就沒那么明顯。

3.3 多個節能改造方案經濟分析

根據各節能措施組合的特點及它們全年耗電量,從表3中選出幾個具代表的節能措施組合方案進行對比分析,最終選出(2)、(3)、(6)、(7)、(10)、(12),它們建設的成本見表4,其中綜合單價是根據目前上海市場調研得到。

表4 幾個節能改造組合方案成本分析

同時根據表4中的數據,可知各節能改造措施組合方案的節能收益,電價取為上海居民平均用電量0.6元/度,根據公式A=Δq×B求出各方案的節能收益,其中A為節能收益,Δq為節能量；B為能源價格。根據各節能措施組合方案的改造成本和它們所節省的電量,及“技術適宜性”的要求,在進行節能改造時,不能單純以方案的節能效果作為唯一的評判指標,而應當綜合節能效果與其經濟性這兩方面因素,因此引入參數f代表各方案的投入產出比,即f=Δq/p。具體如表5所示。

表5 幾個節能改造措施組合方案節能收益及性價比分析

從表5可以看出,在所選的6個節能改造方案中經過對比性價比,方案(2)的性價比系數最高；雖然(2)的節能效果不如其他方案明顯,但從改造成本來看,方案(2)所花費的改造成本最少,因此在選擇改造方案時,不能只考慮節能效率或者改造成本這幾個單方面因素,還需結合項目特點、節能技術適宜性等來選擇節能改造方案。

4 結論

建筑系統的節能應該從設計開始,充分考慮到系統總體的能源選擇和使用、環境保護等方面長期可持續發展的需要,在進行總體綜合比較和合理安排下,節能的效果將非常明顯,而單一局部的節能應用很可能效益甚小[9～10]。在進行節能方案選擇時,不能單純以方案的節能效果和改造成本作為唯一的評判指標,應結合方案的性價比f進一步確定可行的節能方案。

對既有建筑的節能改造是一項長期且面大量廣的工作。通過對上海地區既有建筑的改造,發現改造后的建筑熱工性能比改造前有大幅度提高,同時,在選擇改造方案時,需結合項目特點、節能技術適宜性等因素來選擇節能改造方案,以更有效的利用能量達到節能降耗的目的。

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