建筑外圍護結構節能改造技術優選研究

高子棟 展琳琳 濟南中威檢測技術有限公司

1 前言

隨著能源問題與溫室效應的不斷加劇，我國政府于2020 年提出“2030 碳達峰、2060 碳中和”的政策目標[1]。從建筑的全生命周期過程來看，建筑行業的能耗、碳排放量在全社會總能耗、總碳排放量中占據相當大的比例，屬于碳排放大戶[2]。我國建筑節能要求采取“分步式”發展方式，建筑節能率已由二十世紀八十年代的30%提升到2010 年的75%，為助力我國雙碳目標的實現，現如今有些省市甚至提出了居住建筑“節能80%”的要求，向超低能耗被動式建筑又邁進了一步。

我國人口眾多，既有建筑數量龐大，且絕大部分屬于高能耗建筑，普遍存在著外墻、屋頂、外窗等外圍護結構的傳熱系數較大，建筑熱工設計保溫標準偏低，保溫隔熱性能較差的問題，其運行能耗過高嚴重制約著我國建筑行業向綠色、低碳、環保方向的發展，因此對我國既有公共建筑外圍護結構進行節能改造勢在必行，也是實現我國“碳達峰、碳中和”目標的有力措施，有助于實現建筑行業的高質量發展[3]。外圍護結構節能改造主要是通過改善建筑物外圍護結構的熱工性能，使建筑物室內溫度盡可能接近舒適溫度，以減少通過輔助設備如采暖、制冷設備來達到適宜室溫的負荷，最終達到節能的目的，與此同時，既有公共建筑外圍護結構節能改造后力求獲得可觀的經濟效益[4]。針對上述情況，本文以某賓館1#樓為研究對象，對其外圍護結構進行節能改造。通過考察其外墻、外窗、屋頂等構造組成及其傳熱系數對其進行節能診斷與判定；在此基礎上，分別提出外墻、外窗及屋面不同節能改造方案；按照節能改造方案功能與成本合理匹配的原則，將節能改造功能評價和經濟性評價方法運用到節能改造方案的優選中，得出最優外圍護結構節能改造方案。期望本文研究內容和方法能為我國既有建筑外圍護結構節能改造技術方案優選方向提供技術參考。

2 某節能改造賓館工程概況介紹

該節能改造賓館總占地面積16500m2。其中1#樓的建筑面積為3956m2，建筑表面積為3694m2，建筑體積為13900m3，體型系數為0.27，南偏東6 度朝向，東南西北方向窗墻比分別為0.26、0.45、0.24、0.29，總窗墻比為0.32。建筑物總高度為27.80m，地上共8層，其中1-4 層高3.2m/層，5 層高3.4m，6 層高4.8m，7-8層高3.4m/層，1-5層為客房，5層設一小會議室，6層設大中小會議室，7、8層為電梯機房。該節能改造賓館建筑平均入住率為80%，年采暖時間為11 月中旬到次年3月中旬，平均為130天，年制冷時間為5月下旬到10月中旬，平均時間為150天。

3 建筑外圍護結構節能診斷與判定

該節能改造賓館工程建筑建于1989年，其結構形式為傳統的磚混結構。通過現場檢測及計算得知：該建筑外墻采用厚度為240mm粘土紅磚砌筑，傳熱系數為2.04W/(m2·K)，沒有采取節能措施；建筑外窗采用鋁合金單層玻璃門窗，窗戶整體傳熱系數為3.9W/(m2·K)，自遮陽系數為0.75，無外遮陽；建筑屋頂為平屋頂，碎石混凝土澆筑，傳熱系數為5.58W/(m2·K)，沒有保溫隔熱措施。此外，根據以往能源賬單統計，1#樓在節能改造前用于照明、動力、空調（制冷）設備的耗電量為1273839.58（kW·h）/a，價格為0.876元/（kW·h）；用于建筑的采暖、生活熱水供應耗煤量為1486.31tce/a，價格為300元/tce。由此可知，該賓館1#樓外圍護結構無任何保溫措施，熱工性能差，用能設備能耗大，需要對其進行整體節能改造，以滿足現行國家標準和建筑的實際節能要求。

4 建筑外圍護結構節能改造備選技術方案

在上述節能診斷分析的基礎上，按照50%節能設計標準，對該賓館1#樓外墻、屋頂和外窗進行節能改造。綜合考慮了節能改造成本、保溫隔熱效果以及節能改造技術的適用性和可行性等因素，對其外墻、屋面和外窗分別提出了以下3 個節能改造備選方案。

4.1 外墻節能改造備選技術方案

鑒于該賓館建筑外墻有裝飾磚飾面，本次改造考慮保留其飾面磚，在對基層墻體進行檢查的基礎上，將飾面空鼓或酥松部位鏟除并修補后，采用聚合物砂漿批填磚縫，然后滿批聚合物砂漿，再增加聚氨酯板、XPS擠塑聚苯板或發泡水泥板外保溫系統。具體改造備選方案如表1所示。

表1 外墻節能改造備選方案

4.2 屋面節能改造備選技術方案

本文采用倒置屋面保溫系統對該賓館屋面進行節能改造，先在鋼筋混凝土上鋪設瀝青油氈、油氈紙防水層，再加水泥砂漿保護層，最后將憎水性保溫材料如XPS擠塑聚苯板、聚氨酯保溫板，鋪設在碎石、卵石混凝土上，并考慮增加種植草皮方案以起到吸水與綠化的作用。本工程屋面總改造面積為3725m2，具體節能改造備選方案如表2所示。

表2 屋面改造備選方案

4.3 外窗節能改造備選技術方案

依據既有公共建筑節能改造技術相關標準要求，對其外窗的節能改造，在滿足熱工條件的基礎上，可采取換窗、加窗或貼膜等做法提高窗戶的保溫隔熱性能。

為此，本工程外窗節能改造考慮采取將所有外窗更換為鋁合金低輻射中空玻璃（6mm+12A+6mm）遮陽型平開窗、在原有鋁合金單層玻璃外窗的內側加一層保溫性能好的鋁合金單層玻璃窗，避免層間結露、在原有單層玻璃窗內側貼膜3種方案。本節能改造工程外窗中改造面積為2566m2，具體改造備選方案如表3所示。

表3 外窗改造備選方案

5 建筑外圍護結構節能改造技術方案功能性比較

采用前期研究得出的層次分析法評價體系，對上述外圍護結構節能改造備選方案的各項功能性指標進行打分，并根據各項功能性指標的權重系數計算得出各備選方案的功能得分[4]。

5.1 外墻改造技術方案功能性評價

在厚度一定的條件下，聚氨酯板與擠塑聚苯板兩者相比較，前者構成的系統傳熱系數相對較小，能達到更好的保溫隔熱效果，但聚氨酯板的材料成本也較高；在防火方面發泡水泥板的效果最好，但抗壓強度較低，保溫隔熱效果有限，有一定的施工難度，且吸濕率較高，目前處在小規模使用階段。經過對外墻節能改造備選方案打分，得出表4，可以看出外墻改造備選方案中方案A11的功能得分最高。

表4 外墻各改造方案功能指標層對應的方案層指標評價值計算表

5.2 屋面改造技術方案功能性評價

屋面節能改造備選方案中方案A22 比A21 多增加了一層植被層，相應的材料成本與施工難度增加，但其保溫隔熱效果更好，植被能起吸收雨水的作用，對保溫系統的防水效果有利，且有一定的裝飾效果；方案A23選用聚氨酯板作為保溫隔熱材料，其有質量輕的特點，相應的如鋪設此種保溫系統，對屋面增加的荷載會較小。經過對屋面節能改造備選方案打分，得出表5。

表5 屋面各改造方案功能指標層對應的方案層指標評價值計算表

5.3 外窗改造技術方案功能性評價

外窗節能改造備選方案中A31 和A32 較改造前玻璃的層數增加，方案A31 采用低輻射中空玻璃，相對于方案A32 加窗形成的雙層白玻，隔熱效果更好，且加窗方式容易形成層間結露，存在一定難度；方案A33采用貼膜的方式，外窗的傳熱系數相對于改造前沒有降低，但起到了一定的遮陽效果，經過對外窗節能改造備選方案打分，得出表6。

表6 外窗各改造方案功能指標層對應的方案層指標評價值計算表

6 建筑外圍護結構節能改造技術方案能耗模擬與經濟性比較

針對上述提出的不同節能改造方案，本文首先采用PKPM建筑節能設計分析軟件，通過改變參數的方式進行能耗模擬，分析各節能改造前后的能源節能量，進而計算各獨立方案的靜態投資回收期TP 和改造部件生命周期內的凈現值NPV，得出各改造方案的經濟效益。能耗模擬過程中假定該工程建筑使用性能相同的采暖空調系統，且其運行工況一樣，節能改造前后采暖空調系統耗能減少量即分別為各改造方案的節能量。各方案經濟效益計算時，主要考慮其初始投資成本，不考慮使用過程中的維護成本，節能量帶來的經濟節省即為節能收入，其中人民幣貸款利率值定為6.55%。

6.1 外墻節能改造技術方案確定

A11、A12、A13三種外墻節能改造方案的能耗模擬與經濟性比較結果如表7所示，假定外墻保溫系統使用壽命為25 年。由表中可以看出，方案A11 和A12 的靜態投資回收期相近；方案A13 在25 年限內凈現值NPV＜0，說明其不具有投資效益。結合表3分析結果，方案A11 的功能得分優于A12，確定A11 聚氨酯板外保溫系統為本工程建筑外墻的最優節能改造方案。

表7 外墻節能改造方案經濟性比較

6.2 屋面節能改造技術方案確定

A21、A22、A23三種屋面節能改造方案的能耗模擬與經濟性比較結果見表8，假定屋面保溫系統使用壽命為25年。由表8可知，方案A22相比A21的靜態投資期短；方案A23在25年限內凈現值NPV＜0，說明其不具有投資效益。綜合表4 中方案A22 的功能得分優于A21，因此該建筑屋面節能改造最優方案為采用聚氨酯保溫板保溫的A22。

表8 屋面節能改造方案經濟性比較

6.3 外窗節能改造技術方案確定

A31、A32、A33三種外窗節能改造方案的能耗模擬與經濟性比較結果見表9，外窗的使用壽命與建筑物基本相同為50 年。由表9 可看出，外窗節能改造前后的節能量不大，靜態投資期較長，方案A31、A32的靜態投資期分別高達28年、23年，綜合表6中方案A31的功能得分優于A32，因此該建筑外窗節能改造最優方案為將所有外窗更換為鋁合金低輻射中空玻璃（6mm+12A+6mm）遮陽型平開窗的A31。

表9 外窗節能改造方案經濟性比較

7 結束語

在雙碳目標驅動下，我國既有建筑節能改造時間緊、任務重，如何保證改造工程的節能效果值得我們進一步深入探索。不同地區、不同類型既有建筑外圍護結構的熱工性能、能耗特點各不相同，對其進行節能改造需從提高能源利用率的角度入手，在充分了解其能耗現狀的基礎上進行實際能耗診斷，進而提出功能性可靠、經濟性可行的節能改造方案，有效避免盲目的節能改造[5]。為保證節能改造的有效性，本文采用了層次分析法評價體系，通過評價、分析不同節能改造方案的功能性與經濟性，確定了某節能改造賓館1#樓外墻、屋面、外窗圍護結構的節能改造最優組合方案為：A11+A22+A31。期望本文研究方法與路徑能為不同地區、不同類型既有建筑外圍護結構節能改造提供技術借鑒。