北京市既有建筑外窗節(jié)能改造效果分析

李 楠，李越銘，王皆騰

(北京市房地產(chǎn)科學技術(shù)研究所 建筑節(jié)能技術(shù)研究室，北京 100021)

建筑是耗能大戶，建筑物在建造和運行過程中需要消耗大量的自然資源和能源，是溫室氣體排放的主要來源之一。國際能源署(IEA)指出，建筑能耗占世界終端能耗總量的35%，是最大的終端用能部門［1］。據(jù)統(tǒng)計我國建筑能耗已占到社會總能耗的30．2%，隨著人民生活水平的提高，建筑能耗占社會總能耗的比重會越來越高［2］。在未來我國社會和經(jīng)濟不斷發(fā)展的情況下，如果人均建筑能耗達到發(fā)達國家水平，建筑能耗總量將大大提高，甚至大大超過國家能耗總量40 億tec 的上限，嚴重威脅國家能源安全［3］。

我國已經(jīng)把建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會作為國民經(jīng)濟與社會發(fā)展中長期規(guī)劃的一項戰(zhàn)略任務(wù)，發(fā)展綠色節(jié)能建筑是實現(xiàn)節(jié)能減排和改善民生的重要舉措。在我國巨大的建筑存量中，有研究認為有高達95%的既有建筑不符合節(jié)能標準要求［4］。因此，為實現(xiàn)持續(xù)健康發(fā)展，降低建筑能耗，就必須加強對既有建筑的節(jié)能改造。

1 既有建筑外窗調(diào)研

北京市作為我國首都，其發(fā)展水平處于全國前列，但快速發(fā)展的同時也使北京面臨更為嚴峻的能源和環(huán)境挑戰(zhàn)。在北京市的能源總消耗中，建筑能耗是其中的關(guān)鍵部分，據(jù)統(tǒng)計，2004 年北京市建筑能耗為1444 萬t 標準煤，占當年全市能源消耗總量的28．1%［5］。2009 年全市建筑能耗為1 945．6 萬噸標準煤，占全市能源消耗總量的29． 6%［6］，至2015 年該比例將達33．6%。

然而隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，居民對熱舒適性要求越來越高，例如，對于圍護結(jié)構(gòu)保溫性能較差的老舊建筑，為提高熱舒適性居民就需要通過額外供暖和空調(diào)方式來提高室內(nèi)溫度，從而導致建筑能耗不斷上升。

北京市有實施節(jié)能設(shè)計標準以前建成、尚未實施節(jié)能改造的普通公共建筑7 465 萬m2(不含中央在京單位產(chǎn)權(quán))、居住建筑7 124 萬m2。其中80%以上的非節(jié)能居住建筑是各企事業(yè)單位的自管住宅，市屬企事業(yè)單位的自管住宅占絕大部分［6］?！笆濉逼陂g，北京市要完成6 000 萬m2的既有建筑節(jié)能改造任務(wù)，約為非節(jié)能既有建筑總量的39%，其中居住建筑節(jié)能改造完成3 000 m2，為此，北京市將投入資金113．2 億元［7］。

調(diào)研還發(fā)現(xiàn)，北京市2000 年左右建成的建筑外窗基本為單玻鋼窗或者單玻鋁合金窗，密封老化，保溫及氣密性能較差。而外窗的保溫效果對于建筑的熱舒適性影響很大，通過提高外窗的熱阻和密封性來縮短采暖空調(diào)的時間和降低采暖空調(diào)的強度，以節(jié)約采暖空調(diào)能耗。

2 既有建筑外窗改造案例分析

由上述分析可知，對既有非節(jié)能建筑進行外窗節(jié)能改造，可以降低建筑采暖空調(diào)能耗及提高室內(nèi)溫度，但相應(yīng)量化指標具體多少還不得而知，下面通過實驗來加以探究。

為獲得外窗節(jié)能改造節(jié)能性的具體量化結(jié)果，本文選取北京市某建于1996 年的辦公樓，該辦公樓窗戶為單層玻璃鋁合金窗，由于外窗使用時間較長，膠條磨損嚴重，氣密性較差，保溫性能較低，見圖1。

圖1 改造前窗戶概況

該樓朝北房間在冬季供暖期職工普遍反映室內(nèi)較冷，職工在上班期間經(jīng)常需要額外開空調(diào)取暖。而在冬季室外氣溫較低時，普通壁掛空調(diào)室外機(蒸發(fā)器)的蒸發(fā)溫度也相應(yīng)較低，使得空調(diào)機制熱效率非常低，造成能源的大量浪費。因此，選擇辦公樓四層北面中間位置的辦公室A 進行外窗節(jié)能改造實驗。

2．1 改造前后室內(nèi)外溫度實測分析

改造前在確保A 房間不開空調(diào)的情況下連續(xù)進行11 天的室內(nèi)外溫度實測，溫度記錄儀記錄間隔時間為5 min，具體測試結(jié)果如圖2。

圖2 改造前A 房間室內(nèi)外溫度測試值

圖2 中，a 為室內(nèi)溫度實測值，b 為在測試期室內(nèi)溫度平均值，c 為室外溫度實測值，d 為室外實測溫度平均值。由圖2 知，室內(nèi)平均溫度為15．79℃，遠低于冬季供暖期對室內(nèi)溫度的要求。

目前北京市對老舊小區(qū)的既有建筑進行的節(jié)能改造中，外窗主要是將單玻外窗更換為雙玻外窗，因此，本實驗采用保溫性能為7 級的雙玻外窗，其傳熱系數(shù)K =1．9 W/(m2·℃)(上述外窗檢驗依據(jù)標準為GB/T8484 －2008)。安裝完畢后，在確保不開空調(diào)的情況下，同時對進行經(jīng)過外窗改造的A 房間和未進行外窗改造的B 房間室內(nèi)外溫度進行實測分析。

圖3 改造后室內(nèi)外溫度測試值

圖3 中，e 為室外實測溫度，f 為記錄期內(nèi)室外平均溫度，c 為A 房間的室內(nèi)實測溫度，a 為A 房間的最高溫度值，d 為B 房間的室內(nèi)實測溫度，b 為B房間的室內(nèi)最高溫度。由上述測試結(jié)果分析知，ab=1．7℃，即在同一時間段內(nèi)，外窗改造后A 房間室內(nèi)最高溫度比未進行外窗改造的B 房間室內(nèi)最高溫度高1．7℃。上述分析說明對窗戶進行節(jié)能改造確實可以提高室內(nèi)溫度，增強室內(nèi)熱舒適度。

但上述室溫測試不足之處在于實驗中僅對一個房間進行外窗改造，其周圍房間并未進行外窗節(jié)能改造，從而導致在采暖季該房間將向周圍房間不斷傳遞熱量，在各房間單位面積供熱量相同情況下，導致改造后的該房間室內(nèi)實測溫度偏低于理論溫度。在此情況下，若對整棟樓進行外窗節(jié)能改造，勢必將削弱相鄰房間之間的相互傳熱，因此，上述已改造和未改造的室內(nèi)實測溫差不足以代表整棟樓進行外窗節(jié)能改造后的室內(nèi)實際平均溫度。

故，考慮通過PKPM 軟件對該辦公樓進行三維建模，模擬分析研究整棟樓全部進行外窗節(jié)能改造后各房間可能達到的室內(nèi)溫度、改造前后的單位面積耗熱量以及節(jié)能率。

2．2 模擬計算分析

根據(jù)該辦公樓的建筑圖紙，在PKPM 的能效計算模塊中建立該辦公樓的三維模型。并根據(jù)該辦公樓的圖紙說明和維護結(jié)構(gòu)材料實際構(gòu)成情況在三維模型中對圍護結(jié)構(gòu)物性參數(shù)進行設(shè)定。其中，改造前的外窗為鋁合金單玻外窗，取其換熱系數(shù)為K =6．4 W/(m2·℃)，改造后外窗的導熱系數(shù)根據(jù)所選取外窗的檢驗報告結(jié)論設(shè)定，該辦公樓三維模型如圖4 所示。

圖4 某辦公樓三維模型

在設(shè)定室內(nèi)溫度為18℃的前提下，經(jīng)模擬計算，與參考建筑相比改造前該辦公樓節(jié)能率為0.13，改造后該辦公樓節(jié)能率為0．31。

(1)單位面積耗熱量及節(jié)能率

由上述計算結(jié)果知，對該樓僅進行外窗節(jié)能改造，其節(jié)能率可提高0．18。單位面積耗熱量指標由改造前的27．06 W/m2，降低到改造后的21．26 W/m2，降低了5．8 W/m2，而換算為單位面積耗煤量指標可降低3．8 kg/m2，即每個采暖季可減少37．05 t 的燃煤使用量。

(2)改造前后理論室內(nèi)溫升

上述單位面積耗熱量模擬計算的預(yù)設(shè)目標是達到18℃室溫時改造前后所需要的單位面積耗熱量。但是在實際改造過程中供熱系統(tǒng)所提供的單位面積耗熱量為一定值，因此，為獲得對整樓進行外窗節(jié)能改造后室內(nèi)可能達到的理論溫升，考慮在模型中將外窗相關(guān)參數(shù)設(shè)定為改造后的雙玻塑鋼窗，不斷調(diào)整模型中“能效計算總參設(shè)置”中的室內(nèi)平均溫度設(shè)定值，直至計算結(jié)果中的單位面積耗熱量達到改造前的27．06 W/m2，此時所設(shè)定的室內(nèi)溫度值即為對整棟樓進行外窗節(jié)能改造可能達到的理論室內(nèi)溫度。見圖5。

圖5

經(jīng)模擬計算，對整棟樓進行外窗節(jié)能改造，室內(nèi)理論溫度可達22．5℃，比預(yù)設(shè)室內(nèi)溫度升高4．5℃。因此，實測的同一時期改造與未改造房間1．7℃溫差仍有增大空間，即若對整棟樓進行外窗節(jié)能改造，考慮熱損失改造后室溫可以提高3．1℃左右。

2．3 經(jīng)濟效益分析

該辦公樓外窗總面積為S1=958．58 m2，更換的外窗單價為α=400 元/m2。

則該辦公樓外窗改造所需投資額E 為

該辦公樓總建筑面積為S2=12 110 m2，則總耗熱量減少量Q1為

目前，北京市的冬季供暖類型主要有三種［8］，分別為小區(qū)燃煤鍋爐供暖、小區(qū)燃氣鍋爐供暖和市政供暖，其中，小區(qū)燃氣鍋爐所占比例最大將近50%。該種供暖形式收費由基價和實際使用熱量產(chǎn)生費用兩部分組成。

居住建筑

式中 t——供暖時間/h;

Q2——消耗總熱量/W。

公共建筑

式中 t——供暖時間/h;

Q3——消耗總熱量/W。因此，采用具有代表性的小區(qū)燃氣鍋爐供暖收費方案計算外窗改造后該辦公樓總節(jié)約費用Φ

由上述分析可知，若對該辦公樓全部外窗進行節(jié)能改造，共需投入383 432 元，每年因節(jié)能改造而節(jié)省的采暖費用為42 142．8 元。

投資回收期是項目可行性重要財務(wù)評價指標之一，由上述E 與Φ 的計算值，計算靜態(tài)投資回收期N=10．11 年，可見投資回收期過長，因此，市場機制在這樣的既有建筑節(jié)能改造活動中基本失效。

在上述現(xiàn)實情況下，政府需要創(chuàng)新各種手段激勵，可通過財政補貼、稅收優(yōu)惠、貸款貼息和設(shè)立專項資金激勵，也可進行技術(shù)推廣獎勵和工程試點示范等方式激勵。逐步走出既有建筑節(jié)能改造初投資大，回收期長的困境。在這方面，北京市在環(huán)保形勢的巨大壓力下，“十二五”期間大力進行既有建筑節(jié)能改造，特別是既有居住建筑的維護結(jié)構(gòu)節(jié)能改造，改造資金全部來自于政府劃撥，已經(jīng)完成的既有居住節(jié)能改造已取得了初步的社會效益和生態(tài)效益。

3 結(jié)論

通過對北京市既有建筑調(diào)研發(fā)現(xiàn)需要進行節(jié)能改造的既有建筑存量巨大。對某辦公樓A 房間外窗進行改造效果分析發(fā)現(xiàn)，與未進行改造的房間同期室內(nèi)最高溫度升高1．7℃，若對整棟樓進行外窗節(jié)能改造，室溫可以提升3．1℃左右。此外，改造后單位面積耗熱量降低了5．8 W/m2，每個采暖季可為業(yè)主節(jié)約42 142．8 元，對于減少采暖能耗費用、降低碳排放及保護環(huán)境具有一定的實際意義。不足之處在于投資回收期過長，因而若完全采用市場機制進行相應(yīng)節(jié)能改造將導致市場積極性不高，因此，政府需要創(chuàng)新激勵方式，制定新型財政金融政策，以更好地推動既有建筑節(jié)能改造的進程。

［1］清華大學建筑節(jié)能研究中心．中國建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報告2014［M］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2014．

［2］劉小軍，李進，曲勇，等．冷熱電三聯(lián)供(CCHP)分布式能源系統(tǒng)建模綜述［J］． 電網(wǎng)與清潔能源，2012，28(7):63 －68．

［3］江億，彭琛，燕達．中國建筑節(jié)能的技術(shù)路線圖［J］．建設(shè)科技，2012(17):13 －14．

［4］周燕，龔光彩． 既有公共建筑節(jié)能效果實例分析［J］．工業(yè)建筑，2011，41(1):44 －45．

［5］北京市住房和城鄉(xiāng)建設(shè)委員會．北京市“十一五”時期建筑節(jié)能發(fā)展規(guī)劃［R］．2006．

［6］北京市住房和城鄉(xiāng)建設(shè)委員會，北京市發(fā)展和改革委員會．北京市“十二五”時期民用建筑節(jié)能規(guī)劃［R］．2011．

［7］張娟．住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部財政部聯(lián)合推進“十二五”時期北方既有居住建筑節(jié)能改造［J］．建筑，2011(13):26．

［8］孫金棟，鄭樹偉，童葆華．北京市現(xiàn)行供暖系統(tǒng)分析［J］．北京建筑工程學院學報，2005，21(1):15 －16．