既有建筑能效提升途徑探討

劉鳳娟 西安建筑科大工程技術有限公司檢測員，工程師

孫 婷 西安建筑科大工程技術有限公司檢測員，工程師

關鍵字：能效提升；節能改造；建筑能耗

我國既有建筑數量龐大，其中90%以上的既有居住建筑能耗較高，未能達到建筑節能規范的要求，且居住的舒適性較低[1]。為實現可持續發展，改善建筑能耗過高、能源利用率較低的現狀，需要對寒冷地區的既有老舊建筑進行節能診斷，并依據診斷結果進行節能改造。

1 建筑概況

此次選取西安市一節能改造小區中的1#居民住宅樓為例，結合目前較為常見的節能改造施工方法進行分析，確定改造的可行性及最優性。該建筑為7 層磚混結構（無地下室）的居住建筑，建筑總高度為21.15 m，建筑面積為4 339.32 m2，建筑體積為11 071.89 m3，所屬氣候分區為寒冷B 區。建筑窗墻比分別為南向0.34、北向0.30、西向0.07、東向0.07，依據能耗靜態分析可得改造前的建筑物耗熱量指標粗略估算為35.68 W/m2。對于4 ～8層的居民建筑，西安市的建筑耗熱量指標為13.6 W/m2。由此可見，此棟建筑為高能耗建筑，具有很大的節能改造空間。

2 建筑能耗的提升途徑

建筑能耗從狹義角度分析，是指在保持自身功能及使用過程中所消耗的能量，包含照明、采暖、電器等，其中采暖和制冷占據60%以上的消耗。潘嘉凝等人指出在實際實施中，通過被動措施（改善圍護結構）和主動措施（改善內部暖通空調系統）均能提高建筑的能耗利用率，且被動技術的初期投入較少，節能效益提升高[2]。王德曄等人在對寒冷地區一農村住宅進行建模分析后提出，通過提升圍護結構的熱工性能，同時改造房間的構造，即可達到降低能耗的目的[3]。葉凱威等人以石家莊市的多層住宅建筑為研究對象，通過測試和分析得出，非透明圍護結構（磚墻）相對透明圍護結構（外窗）的熱穩定性較好，有利于減少冬季能耗，而透明圍護結構（外窗）的透光性卻可以增加太陽輻射，在冬天改善光源和室溫[4]。因此，針對現有居住建筑情況，目前主要的提升途徑包括外墻熱工性能優化、屋面保溫措施改進、外門窗性能優化等。

2.1 外墻改造方法

外圍護結構中外墻的占比最大，傳熱能耗約占建筑物總耗熱量的23%～34%。常見的既有建筑外墻為磚墻及普通混凝土墻，大部分外墻無保溫措施，室內熱環境無法滿足要求，且供暖能耗相對較高。徐春桃等人通過研究外墻采用內保溫和外保溫兩種方式，得出外保溫形式不僅能更好地減少建筑能耗，還能防止墻體產生裂縫，從而延長建筑的壽命[5]。目前，常用的節能改造做法就是在原有外墻外增加保溫材料。常用的保溫材料包括XPS 保溫板、EPS 保溫板、聚氨酯硬質保溫材料、真空絕熱板及巖棉礦物棉等。此棟建筑改造前的外墻構造為：7 mm 厚水泥砂漿，240 mm 厚黏土多孔磚，20 mm 厚水泥砂漿，外墻平均傳熱系數為1.69W/（m2·K）。此次改造采用外貼保溫板法，原外墻處理后，刷涂5 mm 厚粘結砂漿，粘貼EPS 保溫板，再刷涂5 mm厚抹面砂漿，并壓入耐堿網格布，并用錨栓進行錨固，最外層刷涂外墻涂料即可。通過粘結不同厚度的EPS 保溫板，建筑耗熱量指標如表1 所示。

表1 外墻改造效果

2.2 屋面改造方法

屋面的傳熱能耗占建筑物總耗熱量的11%～16%，對于平屋面，通常采用倒置式保溫構造；對于無保溫構造的坡屋面，可使用保溫吊頂，在屋面下方進行保溫吊頂。李妍杰通過對河南省農房改造中的各種屋面、各種保溫材料（EPS、XPS、PUR、泡沫混凝土）進行模擬仿真，得出使用平屋面形式的效果最好，保溫材料厚度在60 ～120 mm 時，節能效果最明顯[6]。此棟建筑改造前的外墻構造為：20 mm 厚水泥砂漿，120 mm 鋼筋混凝土，30 mm 厚水泥焦渣找坡層，25 mm 厚水泥砂漿，4 mm 厚SBS 卷材防水，屋面平均傳熱系數為2.90 W/（m2·K）。此次改造采用在原屋面進行處理后，粘貼XPS 保溫板，再刷涂20 mm 厚水泥砂漿即可。通過粘結不同厚度的XPS 保溫板，屋面改造效果如表2 所示。

表2 屋面改造效果

2.3 外窗改造方法

建筑圍護結構中，外窗性能對建筑能耗和室內熱環境有著至關重要的影響，外窗的能耗主要包含窗框材料導致的溫差傳熱、玻璃傳熱以及外窗縫隙造成的滲透傳熱。我國的窗框材質從最初的木窗框、鋁合金、斷橋鋁合金金屬窗框、PVC 塑料窗，到現在常用的塑鋼、鋁塑共擠復合材料，以及正在普及的玻璃鋼窗框，整體性能都在不斷提升。外窗玻璃的品種也從最開始的普通透明玻璃到節能玻璃，再到中空玻璃、真空玻璃不斷優化。各種密封膠條、密封墊、彈性密封膏在阻止空氣滲透的同時，能夠降低外窗傳熱系數。

張蘇東系統分析了各種外窗的原材，并實地調研青島市既有居住建筑的外窗情況，以太陽能得熱系數SHGC 和傳熱系數K 為主要研究參數，通過仿真計算，提出針對不同窗墻比和不同熱工性能圍護結構的既有居住建筑進行外窗節能改造的策略[7]。金國輝等人通過對內蒙古自治區某一住宅建筑進行能耗模擬分析，發現適當減小北向窗墻比，有利于控制室內熱量散失；適當增大南向窗戶尺寸，有助于減少房屋采暖耗熱量[8]。崔俊奎等人采用CO2示蹤氣體法對典型房間進行氣密性診斷，按測試的CO2濃度衰減數據計算換氣次數，診斷出外窗的氣密性差而引起的換氣次數較高，導致能耗較高[9]。彭琛等人分析了建筑氣密性對供暖能耗的影響，得出氣密性越高，供暖能耗越低[10]。為提高外窗的氣密性能，岳麗芳等人推薦在寒冷地區應優先采用平開窗，同時在窗扇和窗框之間加裝密封膠條，可以有效地減少空氣對流換熱[11]。依據《嚴寒和寒冷地區居住建筑節能設計標準》（JGJ 26—2018）的規定，外窗及敞開式陽臺的氣密性能不應低于6 級。因此，在改造實施中，可以選擇氣密性能不低于6 級、熱工性能符合本地要求的外窗更換原有舊窗。此次建筑改造前的外窗均為鋁合金單玻窗，熱工性能遠遠不能滿足現有節能標準的要求，需要對外窗進行更換。表3 列出了更換不同外窗后對建筑整體耗熱量指標的影響。

表3 外窗改造效果

3 模擬分析結果

通過歸納前人研究的理論方法可以看出，采用外墻外貼保溫板、屋頂敷設保溫材料、更換外窗材質，均能大幅度提高建筑物能耗指標。對1#樓進行改造的方法為：外墻外貼55 mm厚EPS 保溫板，屋面施加65 mm 厚XPS 保溫板，并將建筑的外窗更換為Low-E 中空玻璃塑鋼窗（6+12Ar+6），根據建筑耗熱量指標計算結果，改造前1#住宅樓的建筑物能耗指標為35.68 W/m2，節能改造后建筑物的能耗指標為9.09 W/m2，節能改造后的建筑物能耗指標降低幅度為74.5%，即建筑清潔能源采暖節能改造能效提升水平為74.5%，符合相關要求，因此可以在寒冷地區大力推行節能改造工程。