既有建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能改造技術(shù)及經(jīng)濟(jì)分析

李建忠

(中鐵上海設(shè)計院集團(tuán)有限公司,上海 200070)

近年來,我國建筑規(guī)模迅速擴(kuò)大,21世紀(jì)頭 20年內(nèi)建筑業(yè)仍將迅速發(fā)展。預(yù)計到2020年底,全國房屋面積將達(dá)到686億m2。隨著人民生活水平的提高,建筑能耗必然出現(xiàn)較快增長,同時非節(jié)能建筑數(shù)量的積累,不但會給我國能源供應(yīng)帶來巨大壓力,國家將更難以承受對節(jié)能改造的經(jīng)濟(jì)支出,大氣環(huán)境也將越來越差。對既有建筑進(jìn)行節(jié)能改造,以避免能源、資源的浪費,提高建筑熱舒適度,已成為我國當(dāng)前緊迫的、必須盡快解決的重大問題[1]。

我國目前也只是在少數(shù)城市對有限的既有住宅建筑進(jìn)行示范性改造。而量大面廣的非節(jié)能型住宅的節(jié)能改造是我國建筑節(jié)能的關(guān)鍵,如果在這方面不取得重大進(jìn)展,住宅建筑節(jié)能問題就不能徹底解決[2]。

既有建筑節(jié)能改造,是指對不符合民用建筑節(jié)能強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)的既有建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)、供熱系統(tǒng)、采暖制冷系統(tǒng)、照明設(shè)備和熱水供應(yīng)設(shè)施等實施節(jié)能改造的活動。從建筑節(jié)能設(shè)計角度,針對某既有建筑(外墻:實心磚墻、屋面:鋼筋混凝土屋面、外窗:鋁合金普通單框雙玻璃10 mm)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能改造技術(shù)及經(jīng)濟(jì)分析研究。

1 建筑結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計

建筑節(jié)能,是指在不降低建筑使用功能的前提下,提高建筑中的能源利用效率,降低建筑能耗。進(jìn)行建筑節(jié)能設(shè)計,應(yīng)考慮城市綜合環(huán)境、氣候條件、總體布局；建筑物的形體變化、朝向等綜合因素對節(jié)能的影響[3～4]。建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)直接影響民用建筑的能耗,據(jù)調(diào)查,圍護(hù)結(jié)構(gòu)的耗熱量占建筑采暖熱耗的1/3以上。因此,建筑物節(jié)能的主要途徑應(yīng)從墻、門、窗、頂?shù)葒o(hù)結(jié)構(gòu)著手,通過逐步優(yōu)化圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計,盡量減少其能量散失,更好地滿足保溫、隔熱、透光、通風(fēng)等各種需求,達(dá)到最佳的節(jié)能效果。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面受到的日曬時數(shù)和太陽輻射強(qiáng)度,以屋面為最大,東西向圍護(hù)結(jié)構(gòu)其次,東南和西南又次之,南向較小,北向最小,因此必須重視建筑節(jié)能設(shè)計,正確選擇房屋的朝向,防止日曬。在住宅體型設(shè)計時,注意用最少的圍護(hù)結(jié)構(gòu)面積形成滿足功能要求的室內(nèi)空間體積,外墻表面積越小越有利于建筑節(jié)能,平面應(yīng)形狀規(guī)整,盡量減少外圍護(hù)結(jié)構(gòu)面積,其意義在于減少不必要的墻體外表面積,避免熱損失。把熱環(huán)境要求較低的廚房、廁所、過廳等布置在北向,適當(dāng)減少北窗開窗面積,而將居室布置方向朝南,充分利用太陽能,保持室內(nèi)較高的溫度[5]。窗戶對住宅熱環(huán)境的影響相當(dāng)大,它既是太陽輻射的得熱部件,又是主要的失熱部件,故合理確定窗墻面積比是節(jié)能的重要措施之一[6]。

2 外圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能改造方案

2.1 外墻節(jié)能改造方案

采暖建筑的外墻應(yīng)具有足夠的保溫能力,寒冷地區(qū)冬季室內(nèi)溫度高于室外,熱量從高溫一側(cè)傳到低溫一側(cè)[7]。提高外墻保溫性能大致有以下技術(shù)措施。

(1)方案①：XPS板薄抹灰外墻外保溫

此保溫體系構(gòu)造層次依次如下：240 mm黏土磚墻；10 mm厚水泥砂漿找平層；30 mm厚保溫層(XPS板)；3 mm厚抗裂砂漿+網(wǎng)格布；錨栓；外墻涂料。

依據(jù)我國民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范可計算出XPS板薄抹灰外墻外保溫系統(tǒng)的熱物理參數(shù),此保溫系統(tǒng)的傳熱系數(shù)K為0.67 W/(m2·K),熱惰性指標(biāo)D為3.701。

(2)方案②：膠粉聚苯顆粒保溫漿料外墻保溫系統(tǒng)

此保溫體系構(gòu)造層次依次如下：240 mm黏土磚墻；20 mm厚水泥砂漿找平層；40 mm厚膠粉聚苯顆粒保溫漿料；3 mm厚抗裂砂漿；玻纖網(wǎng)格布；彈性底涂、柔性采膩子；外墻涂料。

此保溫系統(tǒng)的傳熱系數(shù)K為0.85W/(m2·K),熱惰性指標(biāo)D為4.107。

(3)方案③：無機(jī)?；⒅橥獗叵到y(tǒng)

240 mm黏土磚墻；20 mm厚水泥砂漿找平層；40 mm厚?；⒅楸厣皾{；耐堿網(wǎng)布；3 mm厚抗裂砂漿；外墻涂料。此保溫系統(tǒng)的傳熱系數(shù)K為0.85 W/(m2·K),熱惰性指標(biāo)D為4.133。

根據(jù)《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》中有關(guān)圍護(hù)結(jié)構(gòu)各部分的傳熱系數(shù)和熱惰性指標(biāo)的規(guī)定(表1)可知,這幾種改造方案均滿足了相關(guān)規(guī)定指標(biāo)。

表1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)各部分的傳熱系數(shù)和熱惰性指標(biāo)

2.2 屋面保溫改造方案

(1)方案①：擠塑聚苯板倒置式屋面保溫系統(tǒng)。此保溫系統(tǒng)的構(gòu)造如圖1所示。此屋面保溫系統(tǒng)的傳熱系數(shù)K為0.739 W/(m2·K),熱惰性指標(biāo)D為3.144。

圖1 擠塑聚苯板倒置式屋面保溫構(gòu)造(從上往下)

(2)方案②：聚氨酯硬泡沫保溫屋面聚氨酯硬泡沫保溫屋面系統(tǒng)構(gòu)造層次依次為：25 mm厚1∶4干硬性水泥砂漿面層；30 mm聚氨酯硬泡沫保溫層；20 mm水泥砂漿；80 mm輕骨料混凝土；120 mm厚鋼筋混凝土屋面。此保溫屋面的傳熱系數(shù)K為0.592 W/(m2·K),熱惰性指標(biāo)D為3.074。

2.3 門窗保溫改造方案

窗的保溫主要措施是增加玻璃的層數(shù)和密閉縫隙,若采用雙層窗,各層玻璃之間應(yīng)用焊接、膠合或溶合等方式形成中空玻璃,玻璃間填以干燥空氣或氮氣,以防產(chǎn)生凝結(jié)水。配合節(jié)能窗的開發(fā),低反射玻璃Low-E玻璃等新型具有高科技含量的中空玻璃不斷投入市場,中空玻璃內(nèi)置百葉,內(nèi)置安全防盜網(wǎng)的節(jié)能型門窗等新產(chǎn)品也正在不斷面市[8]。

(1)方案①：采用雙層普通中空玻璃窗(推拉),它的傳熱系數(shù)為2.8 W/(m2·K),遮陽系數(shù)為0.83；

(2)方案②：采用鋁合金低輻射中空玻璃窗,它的傳熱系數(shù)為2.5 W/(m2·K),遮陽系數(shù)為0.64。

2.4 遮陽改造方案

改造方案：增設(shè)水平固定外遮陽(在外窗上加設(shè)1 m寬的水平遮陽板)。

從上面選取的改造方案,通過對比其熱工作性能,可以看出改造前后此既有建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工作性能得到了很大的改善,匯總?cè)绫?所示(選取了節(jié)能改造方案(7)中有關(guān)外墻、屋面及門窗的傳熱系數(shù)作比較,詳見后文)中的方案作為比較對象。

表2 改造前后圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能比較

3 節(jié)能改造方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

3.1 分析計算相關(guān)參數(shù)設(shè)定

(1)計算地點：上海；(2)所用氣象數(shù)據(jù)文件：NANCHtg.BIN；(3)空調(diào)房間室內(nèi)計算溫度；冬季全天為18 ℃；夏季全天為26 ℃；(4)室外氣象計算參數(shù)采用典型氣象年；(5)采暖和空調(diào)時,換氣次數(shù)為1.0次/h；(6)采暖、空調(diào)設(shè)備為家用氣源熱泵空調(diào)器,空調(diào)額定能效比取2.30,采暖額定能效比取1.90；(7)室內(nèi)照明得熱為0.014 1 kWh/(m2·d),室內(nèi)其他得熱平均強(qiáng)度為4.3 W/m2；(8)圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造面積取760.9 m2。

3.2 多個節(jié)能方案的能耗分析

在所給的節(jié)能改造方案中,外墻保溫有3種,屋面2種,外窗2種。本文主要研究外墻、屋面及外窗三者的節(jié)能改造效果,這樣節(jié)能改造措施組合方式共有12種,通過天正TBEC得到各自的耗能量,具體見表3。

從表3可以看出節(jié)能改造成后,此既有建筑的年耗電量降低了,最大幅度降了38.26 kWh/m2,最高節(jié)能率達(dá)到65%。

(1)3種外墻外保溫方案的節(jié)能性比較

方案(1)～(3)、(4)～(6)、(7)～(9)、(10)～(12)這4組節(jié)能改造方案只是外墻節(jié)能方案不同,其他節(jié)能構(gòu)造是一樣的,這4種外墻保溫方案中,以方案①XPS板薄抹灰外墻外保溫的節(jié)能率最高,達(dá)到55%,并且這3個外墻節(jié)能方案中節(jié)能最高率比最低的耗電量低不超過7%。這說明對此既有建筑進(jìn)行外墻改造時,若僅僅從耗能方面來選取保溫方案是不夠,因為這3種方案耗能量差別不是很大,還應(yīng)考慮其他因素,如價格、保溫系統(tǒng)的適應(yīng)性、防火性要求等因素。

表3 節(jié)能改造方式(1)～(12)具體構(gòu)造組合

(2)2種屋面保溫方案的節(jié)能性比較

從表3中不同節(jié)能屋面的全年耗電量可以看出,屋面節(jié)能改造的2種方案在節(jié)能率方面相差不大,也很不明顯,因此本文只是隨機(jī)選取了3組進(jìn)行了比較,如圖2所示。

注：方案對比一中3個方案分別為：既有建筑、方案(1)、方案(4)；方案對比二中3個方案分別為：既有建筑、方案(2)、方案(5)；方案對比三中3個方案分別為：既有建筑、方案(3)、方案(6)。圖2 屋面節(jié)能改造方案耗電量比較

從圖2可以看出屋面節(jié)能改造中的2種方案在此既有建筑節(jié)能改造中的節(jié)能率的差別很小,若除去所建能耗模型時的一些假設(shè),可以近似認(rèn)為這2種節(jié)能方案的節(jié)能率是基本相同的,因此對屋面節(jié)能改造需從這2種方案中選其一時,需綜合考慮其他方面的因素的要求,這樣才能使得屋面節(jié)能改造所選的方案達(dá)到最佳的節(jié)能技術(shù)適宜性。

(3)2種外窗改造方案節(jié)能性比較

門窗保溫改造方案中表示當(dāng)外窗由鋁合金中空雙玻璃窗更換為鋁合金低輻射中空玻璃窗時,其傳熱系數(shù)由2.8 W/m2降為2.5 W/m2,遮陽系數(shù)由0.83變?yōu)?.64,其節(jié)能效果如圖3所示。

注：方案對比一中2個方案分別為：方案(1)、方案(7)；方案對比二中2個方案分別為：方案(4)、方案(10)；方案對比三中2個方案分別為：方案(6)、方案(12)。圖3 外窗節(jié)能改造方案比較

這是因為低輻射中空玻璃對夏季降低室內(nèi)冷負(fù)荷指標(biāo)十分明顯著。而在冬季,由于室內(nèi)外溫差較大,因此室內(nèi)熱負(fù)荷主要由圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱性能所決定,在采用低輻射中空玻璃后,傳熱系數(shù)較以前降低了22%,但是由于外窗在圍護(hù)結(jié)構(gòu)中所占面積較小,再加上低輻射中空玻璃較低的遮陽系數(shù)對冬季室內(nèi)通過太陽輻射取暖產(chǎn)生了消極的影響,因此,低輻射中空玻璃在夏季的節(jié)能效果要好于冬季,使得低輻射中空玻璃與中空雙玻璃相比,全年的耗電量的減少額就沒那么明顯。

3.3 多個節(jié)能改造方案經(jīng)濟(jì)分析

根據(jù)各節(jié)能措施組合的特點及它們?nèi)旰碾娏?從表3中選出幾個具代表的節(jié)能措施組合方案進(jìn)行對比分析,最終選出(2)、(3)、(6)、(7)、(10)、(12),它們建設(shè)的成本見表4,其中綜合單價是根據(jù)目前上海市場調(diào)研得到。

表4 幾個節(jié)能改造組合方案成本分析

同時根據(jù)表4中的數(shù)據(jù),可知各節(jié)能改造措施組合方案的節(jié)能收益,電價取為上海居民平均用電量0.6元/度,根據(jù)公式A=Δq×B求出各方案的節(jié)能收益,其中A為節(jié)能收益,Δq為節(jié)能量；B為能源價格。根據(jù)各節(jié)能措施組合方案的改造成本和它們所節(jié)省的電量,及“技術(shù)適宜性”的要求,在進(jìn)行節(jié)能改造時,不能單純以方案的節(jié)能效果作為唯一的評判指標(biāo),而應(yīng)當(dāng)綜合節(jié)能效果與其經(jīng)濟(jì)性這兩方面因素,因此引入?yún)?shù)f代表各方案的投入產(chǎn)出比,即f=Δq/p。具體如表5所示。

表5 幾個節(jié)能改造措施組合方案節(jié)能收益及性價比分析

從表5可以看出,在所選的6個節(jié)能改造方案中經(jīng)過對比性價比,方案(2)的性價比系數(shù)最高；雖然(2)的節(jié)能效果不如其他方案明顯,但從改造成本來看,方案(2)所花費的改造成本最少,因此在選擇改造方案時,不能只考慮節(jié)能效率或者改造成本這幾個單方面因素,還需結(jié)合項目特點、節(jié)能技術(shù)適宜性等來選擇節(jié)能改造方案。

4 結(jié)論

建筑系統(tǒng)的節(jié)能應(yīng)該從設(shè)計開始,充分考慮到系統(tǒng)總體的能源選擇和使用、環(huán)境保護(hù)等方面長期可持續(xù)發(fā)展的需要,在進(jìn)行總體綜合比較和合理安排下,節(jié)能的效果將非常明顯,而單一局部的節(jié)能應(yīng)用很可能效益甚小[9～10]。在進(jìn)行節(jié)能方案選擇時,不能單純以方案的節(jié)能效果和改造成本作為唯一的評判指標(biāo),應(yīng)結(jié)合方案的性價比f進(jìn)一步確定可行的節(jié)能方案。

對既有建筑的節(jié)能改造是一項長期且面大量廣的工作。通過對上海地區(qū)既有建筑的改造,發(fā)現(xiàn)改造后的建筑熱工性能比改造前有大幅度提高,同時,在選擇改造方案時,需結(jié)合項目特點、節(jié)能技術(shù)適宜性等因素來選擇節(jié)能改造方案,以更有效的利用能量達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

[1] 江經(jīng)緯.寧波市建筑節(jié)能技術(shù)及其發(fā)展策略[D].上海：同濟(jì)大學(xué),2008.

[2] 賴家彬.夏熱冬暖南區(qū)居住建筑節(jié)能的思考[J].建筑節(jié)能,2008(2).

[3] 謝 浩,張倫林.試論建筑節(jié)能設(shè)計問題[J].能源技術(shù),2003(1).

[4] 王玉玲,朱江雁.淺談住宅建筑節(jié)能設(shè)計[J].新疆化工,2006(1) .

[5] 劉素萍.建筑節(jié)能與圍護(hù)結(jié)構(gòu)[J].建筑節(jié)能,2007(7).

[6] 韓 松，等.窗戶建筑節(jié)能的關(guān)鍵[J].青島建筑工程學(xué)院學(xué)報,2002(4).

[7] 李 寅.建筑節(jié)能之外墻保溫方式探討[J].建筑節(jié)能,2007(2):22-23.

[8] 葛偉青,楊 靜.Low2E 玻璃的性能分析及在節(jié)能建筑中的應(yīng)用[J].陶瓷研究與職業(yè)教齡前育,2008(2):15-18.

[9] 張慶和.綠色建筑節(jié)能方式探討[J].陜西建筑,2008(6):7-10.

[10] 林其標(biāo).論人居環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的建筑觀[J].華南理工大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版,1999(10).