既有建筑的保溫與節能改造

龐朝日 趙靜 郭春靜 張欣瑜 張梓潔

摘要：既有建筑作為城市建筑總量中重要的組成部分，大多數存在建設時間早、建設量大、建筑能耗高等問題，是建筑節能工作推進的重點。面對這一情況，對既有建筑實行綠色節能改造是當前降低建筑能耗最有效的途徑。以燕山大學建筑館為例，從保溫、節能等方面提出改造方向，并進行探討與思考。

關鍵詞：既有建筑改造； 保溫； 節能

中圖分類號：TU761.1+2文獻標志碼：A

0引言

隨著近年來碳達峰、碳中和目標的提出以及節能減排等國家政策的推動，既有建筑改造愈發得到關注。我國大部分既有建筑建成時間較早，設計和施工方面缺乏節能措施，整體出現能耗高、安全性差等問題。截止到2021年，我國建筑能耗已占到全國能源消費總量的46.5%，但能源效率目前僅為33%，比發達國家落后20年，能耗強度大大高于發達國家及世界平均水平。

將這些高能耗既有建筑全部拆除重建顯然是不可行的，會造成更大的能源與資源的浪費，有悖于可持續發展的理念。因此，充分發揮既有建筑的改造潛力，選擇切實有效、合理的技術措施對其進行全面綠色改造十分必要。對既有建筑的綠色改造設計，要求在節能的同時還要減少污染、保護環境，并充分利用自然通風采光，為使用者創造出自然、舒適的空間。因此研究既有建筑的綠色建筑改造刻不容緩。結合國家城市化進程的發展戰略，發現既有建筑現存的問題，并對其改造提出切實可行的建議，是本項目的主要目的。

1現狀分析

1.1基地分析

燕山大學建筑館位于河北省秦皇島市燕山大學東校區，建成于1986年，已投入使用長達36年之久，屬于燕山大學第一教學樓建筑群范圍。日前，燕山大學第一教學樓建筑群已獲批市級歷史保護建筑。因此，對其改造時應注意對其原貌的保護。

場地內有著高差為3.9 m的坡地，建筑北側為3層高的第一教學樓，南側為羽毛球場，東西兩側為綠地景觀，環境良好。建筑主要功能為辦公，主體3層，局部4層，高度達12.45 m，建筑基底面積為1 354.2 m2，建筑面積為4 570 m2，建筑體型系數為0.25。

建筑布局成回字形結構，房間沿走廊單面布置，另一面形成內庭院活動場地，建筑西北與東南拐角處布置樓梯，西南與東北拐角處布置衛生間。立面設計上，其建筑風格與第一教學樓保持一致，簡潔但富有變化，厚重的外框是其特色。

1.2氣候特征

秦皇島地處寒冷地區，屬暖溫帶半濕潤海岸帶大陸性季風型氣候區，受海洋影響氣候溫和，冬夏季風明顯，具有四季分明、冬季干冷多風、夏季潮濕多云無酷暑、春秋溫暖適中的特點。因距蒙古高壓中心較近，全年受其控制的風最長，主要風向受季風影響，隨季節的變化規律是：每年3月為東風，5月為西風，7月為東南及南風，11月為東北風。總之，夏季多西南風，冬春季多東北風。

通過對秦皇島市1966—2018年的氣候舒適度進行查找資料發現，近53年夏季冬季氣候舒適度均呈增暖趨勢，冬季增暖幅度大于夏季；熱不舒適日數自20世紀90年代開始激增且持續偏多，寒冷不舒適日數呈逐年代減少態勢［1］。故秦皇島地區的建筑必須充分考慮夏季適宜的自然通風要求，冬季需要防寒和保溫的要求。

1.3現存問題

基于前期對燕山大學建筑館的調研和分析，發現建筑館存在較多問題：光環境方面，在建筑使用過程中，各空間用電需求量較大，建筑回字形的布局方式也造成建筑內部采光需要依靠照明設施長時間開啟的情況，造成建筑整體耗電量較大；風環境方面，建筑館內部的通風方式主要為側窗通風和內庭院通風，由于四周房間多為私密辦公空間，與走廊的界面較為封閉，導致側窗通風并不能給建筑內部帶來良好的風環境，而建筑中央的內庭院玻璃頂為固定的桁架結構，中間封閉，四面開敞，也不利于夏季通風和冬季保溫，造成師生工作及活動環境較差；保溫性方面，建筑館外窗前兩年已更換為節能窗，但外墻和屋面的保溫層未做更新，建筑內部能耗較高，亟需進行節能改造（圖1、圖2）。

2改造措施

通過對建筑現狀改造的可行性分析，提出對建筑館進行綠色節能改造措施，重點在保溫、節能兩大方面。

2.1采用太陽能供電系統（節能）

秦皇島為全國太陽能資源Ⅱ類地區，太陽能資源較豐富，據統計秦皇島多年平均日照小時數2 850 h，多年平均日照輻射量5 000～5 833 MJ/m2，對于開發太陽能資源，發展光伏發電具有良好的自然條件［2］。

高校辦公建筑內的供電和照明系統是重要的能源消耗設備，在進行綠色建筑改造過程中，對其進行節能設計是必然的。對于供電系統而言，可考慮安裝太陽能光伏電板。光伏發電系統是利用太陽能發電的一種新能源技術，該系統能夠充分將自然能源轉化為電能以滿足建筑館的用電需要，既可極大極限提高發電效率，又可降低建筑館運行成本。

在城市中，光伏系統普遍安裝在陽光充沛的建筑屋頂上，不占用額外的地面空間，可以彌補城市用電的缺口，同時達到了節能環保的目的。在本次改造中，擬將太陽能電池板安裝在建筑館的屋頂，充分地利用太陽能，使其有效地轉化為電能，在炎熱的夏季還可以有效地遮擋陽光直接暴曬屋頂，為建筑屋頂降溫，起到建筑空調降溫的作用［3］。這不僅大大降低了屋頂溫度和室內溫度，還可以延長屋頂防水材料使用壽命，甚至能夠間接地減少室內空調的使用頻率，進而達到資源的高效利用。

同時也應該注意的是，不同傾斜角與朝向的安裝，太陽能電池的發電量將會不同，當光伏組件安裝方向為最佳傾斜角時，有利于最大化收集太陽輻射［4］。

建筑館屋頂面積可達800 m2，光伏板的覆蓋面積較大，若屋頂全覆蓋光伏發電板，光伏板朝南向安裝，傾斜角度為45°，最多可安裝296塊450 W發電板（2 m×1 m），裝機容量可達133.2 kW，日平均發電量399.6 kWh。

2.2采用可控的內庭院玻璃頂（保溫、節能）

秦皇島為溫帶大陸性氣候，冬季寒冷干燥，多風沙天氣，為實現建筑館內庭院的冬季保溫及日常遮雨的功能，已有的建筑館在內庭院頂部設計了玻璃頂，但較封閉的玻璃頂導致建筑館內庭院通風環境較差，特別在夏季時內庭院悶熱，原有空間無法提供師生良好的活動環境，空間使用效果較差。為改善建筑館內庭院的風環境，同時保留冬季內庭院的保溫作用，此次研究將對玻璃頂進行改造，通過對玻璃頂的智能控制實現對內庭院風環境的改善。

改造后的玻璃頂由一個單元重復搭建而成，單元由可變部分與固定部分組成，可變部分通過電控開關實現玻璃板的打開與閉合，而固定部分與水平方向呈一定角度，利于內庭院內外視線的穿透。電控開關可以與相應的氣候傳感器相連，使玻璃頂能夠適應天氣變化而進行打開與閉合的變化。冬季時，可變部分閉合，減小內外空氣的對流，達到保溫的效果；夏季時，可變部分打開，促進內庭院內外空氣對流，實現通風降溫的效果。在日常狀態，可根據天氣、溫度等因素調節玻璃頂開放角度，達到對建筑館內庭院環境的改善（圖3）。

2.3優化建筑圍護結構保溫構造（保溫、節能）

秦皇島屬于北方寒冷地區，必須滿足冬季保溫的要求。建筑圍護結構熱工性能按構件類型可分為三個方面來研究，主要為門窗、外墻、屋面的保溫性能研究。建筑系館的建設時間較早，為鋼筋混凝土框架結構，填充墻采用普通機磚，外窗在前兩年已更換為65系列三玻兩中空平開鋁合金保溫節能窗，玻璃為5+9A+5+9A+5型，原建筑外墻及屋面未設保溫層。計算說明：

外窗傳熱系數為2.0 W/（m2·K），滿足河北省DB13-（J）81-2016《公共建筑節能設計標準》中對寒冷地區體形系數不大于0.30、窗墻面積比不大于0.50的建筑外窗傳熱系數K≤2.0 W/（m2·K）的標準要求。

原建筑外墻傳熱系數為2.139 W/（m2·K），不滿足河北省DB13（J）81-2016《公共建筑節能設計標準》中對寒冷地區體形系數不大于0.30的建筑外墻傳熱系數K≤0.50 W/（m2·K）的標準要求。

原建筑屋面傳熱系數為2.488 W/（m2·K），不滿足河北省DB13（J）81-2016《公共建筑節能設計標準》中對寒冷地區體形系數不大于0.30的建筑外墻傳熱系數K≤0.45 W/（m2·K）的標準要求。

由此看出，新更換的外窗無需改變，而為減少外墻與屋面的傳熱系數，必須增設外墻與屋面的保溫層來提高建筑的保溫性能。根據GB 50016-2014（2018年版）《建筑設計防火規范》和河北省DB13（J）81-2016 《公共建筑節能設計標準》，屋面采用B1級70 mm厚擠塑聚苯保溫板、外墻采用A級100 mm厚巖棉保溫板，外窗保留65系列三玻兩中空平開鋁合金保溫節能窗。計算說明：

屋面70 mm厚擠塑聚苯板保溫層熱阻為2.12（m2·K）/W，外墻100 mm厚巖棉保溫層熱阻為1.98（m2·K）/W。根據K=1/R計算得出，屋面傳熱系數為0.40 W/（m2·K），滿足標準要求；外墻平均傳熱系數為0.34 W/（m2·K），滿足標準要求。

對建筑館圍護結構的改造，在不改變現有立面造型情況下，使節能實施過程更加簡便，提高了建筑的熱工性能，降低了建筑能耗。

3結束語

基于既有建筑節能改造的要求，對燕山大學建筑館改造前后效果進行對比分析得出：建筑外墻及屋面保溫層的更新改造使得建筑節能達到約75%，提高了建筑的熱工性能，降低了建筑能耗；屋面安裝光伏發電太陽能板達到日節電約399.6 kWh，降低建筑運行成本并達到資源高效利用的目的；內庭院玻璃頂的改造有效地增加室內通風換氣次數，極大改善建筑內部通風環境。

本次對燕山大學建筑館的改造，在滿足建筑基本功能需求的同時，一方面改善了建筑館的人居環境，提高了使用者的舒適性，讓建筑設計與改造更關注到人；另一方面在降低建筑耗能量、減少碳排放等方面具有顯著作用。

參考文獻

［1］徐靜，盧憲梅，劉志剛，等.1966—2018年秦皇島氣候舒適度時空變化特征［J］.氣象與環境學報，2020（3）：80-86.

［2］孫超.秦皇島撫寧20MWp中硅光伏接入系統設計［D］.秦皇島： 燕山大學，2016.

［3］劉瓊，李世民.建筑上光伏發電系統的設計與應用［J］.甘肅科技，2021（16）：19-21.

［4］劉成.淺析建筑屋頂光伏發電系統［J］.廣播電視信息，2017（5）：98-100.

［課題項目］2021年大學生創新訓練計劃（項目編號：CXXL2021399）

［作者簡介］龐朝日（2001—），女，在讀本科，研究方向為既有建筑改造。