江蘇鎮江地區圍護結構節能改造對居住建筑能耗的影響

焦 琥，朱華德，盧 鎮，貢 達（江蘇鎮江建筑科學研究院集團股份有限公司，江蘇 鎮江 212000）

江蘇鎮江地區圍護結構節能改造對居住建筑能耗的影響

Contribution of Building Envelop Renovation to Residential Building Energy Consumption

焦 琥，朱華德，盧 鎮，貢 達（江蘇鎮江建筑科學研究院集團股份有限公司，江蘇 鎮江 212000）

以鎮江地區典型老舊小區6層建筑為模型，利用清華斯維爾節能設計軟件(BECS)計算單獨采用外墻、外窗、屋頂以及綜合采用節能措施后的能耗。在此基礎上研究鎮江地區常用圍護結構節能改造技術對居住建筑能耗的影響。這為既有居住建筑的節能改造設計提供參考。

既有居住建筑；圍護結構；節能改造；能耗

夏熱冬冷地區既有居住建筑普遍缺乏節能措施，室內舒適性較差[1]。近年來，隨著社會經濟的發展和人民生活水平的提高，鎮江地區居民越來越多的采取措施解決住宅夏冬季的室內熱環境問題，住宅空調和采暖需求逐年上升。既有居住建筑節能改造不僅能夠降低供暖空調能耗，而且可以改善人居環境，已經成為鎮江地區政府部門節能減排的一大利器[2]。

建筑的“節能增效”包含“節能”、“增效”兩層含義[3]，“節能”主要從設計角度減少用能總量，即采用以被動式圍護結構技術最大限度地創造冬暖夏涼的室內環境，減少機電設備使用時間。“增效”即以采用高效節能設備和技術達到節能效果。一般而言，居住建筑對用能設備的使用較少，且由居民自行決定。圍護結構可以由居民、物業或政府統一進行，因此圍護結構節能改造是相關部門研究的重點。目前我市既有居住建筑面積 4 092.82 萬 m2，其中建于 20世紀 90 年代左右的老舊住宅小區面積 884.54 萬 m2，這些建筑的圍護機構保溫隔熱性能普遍較差。老舊住宅小區的墻體主要以 240 mm 黏土磚為主，屋面主要以平屋面為主。住宅基本無保溫隔熱性能，頂層住戶熱環境極差，居民飽受夏熱煎熬。外窗主要以單玻普通鋁合金窗和鋼窗為主，少量的是木質外窗，很少考慮節能要求，窗墻比大都超過30%，均未考慮外遮陽形式，熱工性能極差[4-6]。

綜上所述，鎮江地區既有居住建筑的節能改造勢在必行，開展既有居住建筑改造的圍護結構節能技術研究顯得非常必要。為此本文以鎮江地區典型老舊小區 6 層建筑為模型，利用 BECS 節能設計軟件，計算單獨采用外墻、外窗、屋頂以及綜合采用節能措施后的能耗，研究和分析我市常用圍護結構節能改造技術對居住建筑能耗的影響，為既有居住建筑的節能改造設計提供參考。

1 物理模型

本文的物理模型為鎮江地區典型老舊小區的 6 層住宅樓，建筑面積為 4 349.67 m2，建筑高度為 17 m，體形系數為 0.32。該住宅功能包括臥室、客廳、廚房、樓梯間、衛生間等，標準層分布如圖 1 所示。

鎮江地區典型老舊小區的 6 層住宅樓圍護結構形式以多層磚混結構為主。墻體主要以 240 mm 黏土磚(普通砂漿砌筑+普通砂漿抹面+普通涂料)為主，傳熱系數為 1.74 W/(m2·K)，墻體出現粉刷層脫落、開裂的現象嚴重。屋面主要是以平屋面為主，結構形式為混凝土現澆屋面+防水層+找平層(保護層)+預制隔熱板，傳熱系數為 1.5 W/(m2·K)。外窗主要以單玻普通鋁合金窗和鋼窗為主，傳熱系數為 6.4 W/(m2·K)，遮陽系數為 0.70，窗墻比大都超過 30%。

圖1 鎮江地區典型老舊小區6層住宅樓標準層分布

2 計算模型

本文利用 BECS 進行能耗的動態模擬計算與分析。BECS 是一套運行在 AutoCAD 平臺上的建筑節能設計軟件，用于居住建筑和公共建筑的節能審查和能耗評估。動態分析模塊采用具有自主產權的清華大學 DEST 計算核心，可以對建筑物進行全年 8 760 h 的能耗模擬，并提供詳細的中間結果便于節能的優化、調整，對于居住建筑還可以進行真實的能耗模擬，從而可以進行戶型能耗標定。圖 2 為軟件建立的計算模型圖。

圖2 鎮江地區典型老舊小區6層住宅樓計算模型圖

3 鎮江地區常用圍護結構節能改造技術

老舊小區圍護結構改造前后的熱工性能見表 1。

表1 鎮江地區老舊住宅小區圍護結構節能改造前后的熱工性能

3.1 外墻改造

圍護結構墻體保溫技術的發展對建筑節能至關重要。其最根本的就是保溫體系的開發和保溫材料的選用[4]。從改造應少擾民的角度考慮，我市對既有住宅小區改造的外墻保溫隔熱設計一般為外墻外保溫技術。市場上推廣的保溫技術系統較多，常用的保溫材料如擠塑聚苯板 (XPS)、模塑聚苯板(EPS)、發泡水泥板以及無機保溫砂漿。近年來，鎮江地區三茅宮、江濱新村等小區項目越來越多使用保溫膩子+反射隔熱涂料的改造方式，反射隔熱涂料能對 200 nm～2 500 nm范圍的太陽紅外線和紫外線進行高反射，有效阻斷熱能傳導。本文也選擇以我市老舊小區改造應用較多的保溫膩子+反射隔熱涂料的外墻改造做法進行模擬計算。

3.2 屋面改造

屋面是接受陽光照射的主要界面，其保溫隔熱構造是住宅節能的重要措施。在鎮江地區 20 世紀八九十年代的老舊小區多為平屋面，屋面僅設置瀝青防水層，不設置保溫層，夏季屋面收到太陽輻射非常強烈，頂層住戶的室內熱環境差，空調能耗較高。一般來說，我市屋面改造常采用平屋面加保溫系統或平屋面改坡屋面的方式。同時為了更加注重綠色環保，屋面平改坡結構形式已經由輕鋼龍骨調整為輕型木桁架。這樣既減輕了建筑的荷載，又降低了改造成本。本文也以老舊小區改造應用較多的輕型木桁架平改坡方式進行模擬計算。

3.3 外窗改造

外窗的傳熱耗熱量和空氣滲透耗熱量占整個圍護結構耗熱量的 50%，因此外窗是影響熱環境和能耗最重要的因素[5]。對既有建筑進行外窗節能改造也是最具操作性和經濟性的改造方式。提高窗的保溫性能和靈活控制遮陽是夏季隔熱、冬季保溫，降低空調采暖負荷的重要措施[6]。根據調研，鎮江地區的外窗節能改造根據用戶要求和原窗戶質量的不同主要分為更換玻璃和整窗拆換兩種方式。本文選用 5+12A+5 的中空玻璃塑鋼窗替換原有的鋁合金單玻窗，5+12A+5 中空玻璃窗的傳熱系數 2.8 W/(m2·K)，遮陽系數 0.65 進行模擬計算。

4 模型結果分析

表2 給出了圍護結構節能改造前后模擬計算的全年采暖空調能耗。從表 2 中可以看出，在外墻增設保溫膩子+隔熱涂料的保溫隔熱，屋頂使用輕型木桁架結構的平屋頂改坡屋頂、鋁合金單玻外窗更換為 5+12A+5 中空玻璃塑鋼窗后，建筑圍護結構的熱工性能顯著提高。圍護結構熱工性能的改良顯著提高了夏季隔熱及冬季保溫性能，降低了全年采暖空調能耗量，幾種節能改造措施節能效果均較明顯。改造前圍護結構全年采暖空調能耗為 37.77 kWh/m2，經過單一屋頂改造、外墻改造、外窗改造措施后全年采暖空調能耗分別為 35.01 kWh/m2，33.26 kWh/m2，31.11 kWh/m2。全年采暖空調能耗大幅度降低，降低幅度分別為 7.31%、11.94%、17.63%。同時，經過綜合節能改造后圍護結構全年采暖空調能耗為 22.49 kWh/m2，改造后住宅的能耗比改造前減少約 40.46%。

表2 圍護結構節能改造前后多層住宅建筑的全年采暖空調能耗

從表 2 中還可以看出，更換中空玻璃窗后，全年采暖空調能耗下降 17.63%，能耗降低幅度大于外墻的 11.94%以及屋頂改造的 7.31%，節能效果優于外墻和屋頂改造。因此，在鎮江地區圍護結構節能改造技術中，僅改變外窗傳熱系數對能耗影響顯著大于外墻和屋頂，在鎮江地區常用的圍護結構節能改造措施中，宜優先選用外窗節能改造。

表3 給出了圍護結構節能改造前后模擬計算的冬季采暖和夏季空調能耗。從表 3 中可以看出，無論是冬季采暖還是夏季空調，在經過圍護結構節能改造后，住宅能耗量均大幅降低。改造前圍護結構全年采暖和空調能耗分別為27.68 kWh/m2和 10.09 kWh/m2，經過單一屋頂改造、外墻改造、外窗改造及綜合節能改造措施后全年冬季采暖能耗分別為 25.85 kWh/m2，24.04 kWh/m2，21.86 kWh/m2及 14.82 kWh/m2，降低幅度分別為 6.61%，13.15%，21.03% 及 46.46%。全年夏季空調能耗分別為 9.16 kWh/m2，9.22 kWh/m2，9.25 kWh/m2及 7.66 kWh/m2，降低幅度分別為 9.22%，8.62%，8.33% 及 24.08%。

表3 圍護結構節能改造前后多層住宅建筑的冬季采暖和夏季空調能耗

同時，進行單一窗戶節能改造后，圍護結構冬季采暖能耗比夏季空調能耗下降比例多 12.7%。究其原因，在夏熱冬冷地區降低外門窗的傳熱系數僅在冬季有明顯的節能效果，夏季效果不明顯；通過提升外門窗的遮陽效果，可顯著降低夏季空調能耗。本文設計的外中空玻璃外窗計算模型中，改造前和改造后的外窗傳熱系數分別為 6.4 W/(m2·K)和 2.8 W/(m2·K)，遮陽系數分別為 0.70 W/(m2·K)和0.65 W/(m2·K)，傳熱系數和遮陽系數分別降低 56.2% 和7.1%。外窗的遮陽系數稍有降低，這樣降低了太陽輻射得熱，有利于夏季的隔熱，對冬季的取暖有一定影響。但是因為改造后外窗的傳熱系數的降低幅度相較遮陽系數的降低幅度較大，即傳熱系數對住宅冬季采暖能耗的影響遠大于遮陽系數對住宅夏季空調能耗的影響。

5 結 語

(1) 在外墻增設保溫膩子+隔熱涂料的保溫隔熱，屋頂使用輕型木桁架結構的平屋頂改坡屋頂、鋁合金單玻外窗更換為 5+12A+5 中空玻璃塑鋼窗后，建筑圍護結構的熱工性能顯著提高，圍護結構熱工性能的改良顯著提高了夏季隔熱及冬季保溫性能，降低了全年采暖空調能耗量。

(2) 僅改變外窗傳熱系數對能耗影響顯著大于外墻和屋頂，在鎮江地區常用的圍護結構節能改造措施中，宜優先選用外窗節能改造。

(3) 科學合理的外門窗保溫隔熱的節能改造技術路徑為通過降低外窗的傳熱系數來降低冬季采暖能耗，通過降低外窗的遮陽系數來降低夏季空調能耗。

[1]葉雁冰,劉西. 舊工業建筑改造利用的優勢及其制約因素分析[J].工業建筑,2005,35(6):35-38．

[2]王俊. 我國既有建筑綠色化改造發展現狀與研究展望[J].建設科技,2013(13):22-26．

[3]葉景倩. 淺談住宅建筑節能設計[J].科技風,2011(21):189-189.

[4]丁曉紅,胡海洪. 夏熱冬冷地區既有居住建筑圍護結構節能改造技術淺析[J].建設科技,2015(9):68-69．

[5]陳巍. 建筑外窗節能的問題與技術措施[J].工業B, 2015(8):142-142.

[6]上海市城鄉建設和交通委員會. DG/TJ 08-2136—2014 既有居住建筑節能改造技術規程[S].上海:同濟大學出版社,2014.

TU50

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1674-814X(2017)02-0038-03

2016-12-25

焦琥，現供職于江蘇鎮江建筑科學研究院集團股份有限公司，主要研究方向為綠色建筑咨詢。作者通信地址：江蘇省鎮江市正東路街道酒海街19號308室，郵編：212000。