既有公共建筑節能改造探討

曾潔，袁善飛

（1.中外建工程設計與顧問有限公司，北京 100048；2.北京領晟建筑規劃設計事務所，北京 101599）

1 引言

2020 年的聯合國大會上，習近平主席闡述了“中國二氧化碳排放力爭于2030 年前達到峰值，努力爭取2060 年前實現碳中和”的具體目標，“碳達峰、碳中和”正式成為國家戰略；2021 年的全國兩會政府工作報告，“碳達峰”行動方案、優化能源結構和大力發展新能源被列為政府工作重點。“3060”雙碳目標將是未來中國各個行業發展、轉型最重要的指導依據，而建筑行業作為傳統碳排放大戶，更應積極探索轉型突破路徑，努力發展綠色建筑，降低建筑耗能，提高可再生材料使用比例，加快推進裝配標準化進程。因此，節能設計創新以及智慧化項目管理將成為低碳經濟下建筑產業發展的重要研究方向。

2 我國建筑能耗現狀及推進建筑節能設計的必要性

據統計，我國建筑全壽命周期能耗占全國能源消費總量的比重為46.5%，建筑運行階段占全國能源消費總量的比重為21.7%。2018 年，全國建筑運行階段能耗為10 億tce（tce 是1 t標準煤當量，是按標準煤的熱值計算各種能源量的換算指標），其中，公共建筑能耗占比38.3%，單位面積能耗29.73 kgce/m2[1]。從發展挑戰看，我國建筑總量仍將持續增長，經濟發展處于轉型期，人民群眾生活水平處于提升期，對居住舒適度及環境健康性能的要求不斷提高，大量新型用能設備進入家庭，對做好建筑節能與綠色建筑發展工作提出了更高要求[2]。在此背景下，各地相繼出臺了更高的建筑節能設計標準。如2020 年，北京發布的DB11/891—2020《居住建筑節能設計標準》率先將居住建筑節能率由75%提升至80%以上，比行業標準相關條文更加嚴格和細化。而對于公共建筑，尤其是節能現狀十分不理想的既有公共建筑的節能改造，整體進程起步較晚，指導政策、規范細化制定滯后，改造市場非常巨大。隨著近幾年對節能重視程度的提高以及能源管理模式的轉變，如北京、上海、深圳等城市改造指導政策細化文件不斷出臺，公共建筑節能改造市場將快速發展。本文以北京市海淀區某養老建筑改造項目為例，通過改造前后能耗計算論述節能改造的潛力及意義。

3 工程概況

項目位于北京市海淀區，屬于寒冷B 區，最初建成于20世紀90 年代末，建筑規模為18 350.17 m2，地上3 層，原使用功能為賓館，擬更新改造后作為集生活用房、文娛及健身用房、醫療及康復用房為一體的老年人全日照料設施使用。由于項目建成時間超過20 年，前期經較長時間運營，后期長時間空置，缺乏維護，老化嚴重，土建安全性存在風險，給排水、暖通、電氣系統等機電系統均無法正常使用。改造的設計要求除滿足新功能使用外，還要基于現狀最大限度地實現綠色、節能和環保。

4 改造前的節能診斷

建筑主入口立面采用3 層通高玻璃幕墻，主入口雨棚陳舊。建筑外墻無保溫材料，外墻墻體分370 mm 厚實心黏土磚和300 mm 厚陶粒混凝土砌塊兩種。外窗為普通塑鋼推拉窗，氣密性不能滿足現行規范要求。屋面保溫為50 mm 厚擠塑聚苯板，因防水層老化失效，屋面排水不暢，保溫層吸水，保溫效果大幅降低。通過查閱資料、現場踏勘等方式進行節能診斷，利用仿真軟件進行現狀各部位傳熱系數測算，具體數據如表1所示。

由表1 可見，現狀建筑圍護結構不滿足現行設計標準，經結露驗算，外墻內表面最低溫度7.52 ℃，屋頂內表面最低溫度4.73 ℃，均結露。此外，建筑還存在采暖通風空調系統、生活熱水供應系統、供配電與照明系統效率過低且供配電系統三相不平衡等問題，針對上述部位及系統進行改造，具有較大的節能改造潛力。

表1 現狀外圍護結構傳熱系數計算

5 外圍護結構熱工性能改造方案

因建筑的外圍護結構熱工性能與建筑的負荷和能耗有著直接關聯。因此，對建筑的外墻、屋面、外窗進行節能改造，能較好地優化保溫性能，降低建筑能耗。本工程的改造目標參照GB/T 50378—2019《綠色建筑評價標準》三星級標準，圍護結構熱工性能較GB 50189—2015 《公共建筑節能設計標準》提高20%，或負荷降低15%。改造方案分別從外墻、屋面、外窗及幕墻進行。

5.1 外墻節能改造

常見的外墻保溫做法主要包括外墻外保溫、外墻內保溫以及夾層保溫。考慮既有公共建筑節能改造涉及冷熱橋處理、基層處理等，優選采用外保溫，不僅能夠達到良好的保溫隔熱效果，還能夠避免室內使用面積被占用。本項目外墻改造選用200 mm 厚G 型熱固復合聚苯板050 級保溫，燃燒性能為A2級，傳熱系數達到0.23。該材料具有很好的憎水性、尺寸穩定性，因保溫層厚度較大，施工采取雙層錯縫粘貼，減少冷橋。

5.2 屋面節能改造

將原有屋面的構造做法全部拆除，基層清理干凈。重新對保溫和防水進行設計和施工。混凝土平屋面的構造做法可分為正置式屋面和倒置式屋面兩種。簡單概括二者不同之處是正置式屋面保溫隔熱層在防水下方，倒置式屋面保溫隔熱層在防水上方。本次改造采用倒置式屋面，采用200 mm 厚憎水性擠塑聚苯板保溫材料，具有保溫隔熱、延長防水層使用年限、減少后期維修等優點。

5.3 外門窗節能改造

作為建筑節能設計的重要內容之一，合理的門窗節能設計能夠有效地降低建筑物運轉的能耗率。以北京為例，由于冬季面臨嚴寒，夏季面臨酷暑的問題，為了能夠實現室內氣流的有效運轉，達到冬暖夏涼的目的，設計師需要以降低能耗為目標優化門窗節能設計。門窗的熱工性能體現在型材和玻璃兩個方面。可以通過調整型材厚度、腔室數量和填充保溫材料提供熱工性能。中空玻璃通過填充惰性氣體和暖邊間隔條提高性能。在本次改造中，門窗系統選用了115 系列鋁木復合平開窗，玻璃配置5 單銀Low-E+12Ar+5+12Ar+5 單銀Low-E，整窗傳熱系數≤1.0，太陽得熱系數0.25。

5.4 新能源在建筑節能與建筑設計中的利用

作為一種新型的可再生的清潔能源，太陽能資源具有可持續、污染少的特點，憑借著太陽能資源的獨特優勢，太陽能資源在建筑節能與建筑設計中具有極高的應用覆蓋率。光伏建筑一體化技術將光伏組件與建筑物結合，不占用地面空間，是光伏綠色能源在城市中廣泛應用的最佳方式。利用該技術，不僅可以滿足建筑的供能需求，還可以通過針對性的改造，實現既有建筑防水、保溫、降噪等基本功能的更新和建筑形象的提升[3]。如何從建筑設計角度，在公共建筑改造中利用光伏新技術，是設計需要考慮的重要課題。北京市年平均日照時數在2 000～2 800 h。本項目位于郊區，周邊建筑密度及建筑層數較低。朝向正南正北，周邊無建筑物遮擋。建筑3 層，建筑平面類似長方形，屋面面積大。綜合建筑現狀和空間形式，考慮建筑中公共餐廳及多功能廳兩個大空間的現狀屋面為前業主改造加建的鋼結構，與原結構主體連接處出現多處裂縫，本次改造予以拆除后新建光伏一體化屋面。屋面對美觀度要求較低，設計采用了黑色晶硅組件，上部采用3.2 mm 厚玻璃，背部采用6 mm 厚玻璃，晶硅類BIPV 組件單位裝機功率高，單位功率可達200 W/m2；轉化效率可達16%~22%，用來滿足建筑照明。

5.5 改造前后能效對比

基于BIM 軟件，建立能耗模型，對建筑改造前后進行能耗對比的仿真計算，能耗變化見表2。

表2 改造前后能耗對比表

通過外圍護結構改造以及光伏一體化的利用，節能率提升了62.03%。按照建筑面積18 350.17 m2計算，改造后供暖供冷綜合能耗節能518 942.81 kW·h，節能效果顯著。

6 結語

鑒于新經濟發展模式對于各個行業發展提出的低碳要求，建筑行業勢必迎來深刻變革，降低新舊建筑能耗將成為未來行業面臨的突出課題，而既有公共建筑因其基數規模大、整體能耗強度高的特點，對其節能改造具有很強的必要性。通過整合其他學者研究成果及本人實踐經驗總結，對于既有公共建筑節能改造主要針對外墻、屋面、門窗3 大系統進行改造升級，并引入光伏等新能源作為輔助遮陽、供能手段，改造后科學的精細化運營管理，三者結合是當前最具有可行性的節能改造模式之一，具有較強的實踐參考價值。如何降低我國建筑單位能耗量，不僅僅關系著我國“3060”雙碳目標能否實現，更關系著國人的生存環境能否進一步改善，是實現人們對于美好生活愿景的必然途徑，因此，探索有效降低能耗的節能技術和管理模式是每個建筑從業人員都應該思考的重要課題。