建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能改造技術(shù)優(yōu)選研究

高子棟 展琳琳 濟(jì)南中威檢測(cè)技術(shù)有限公司

1 前言

隨著能源問題與溫室效應(yīng)的不斷加劇，我國政府于2020 年提出“2030 碳達(dá)峰、2060 碳中和”的政策目標(biāo)[1]。從建筑的全生命周期過程來看，建筑行業(yè)的能耗、碳排放量在全社會(huì)總能耗、總碳排放量中占據(jù)相當(dāng)大的比例，屬于碳排放大戶[2]。我國建筑節(jié)能要求采取“分步式”發(fā)展方式，建筑節(jié)能率已由二十世紀(jì)八十年代的30%提升到2010 年的75%，為助力我國雙碳目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)如今有些省市甚至提出了居住建筑“節(jié)能80%”的要求，向超低能耗被動(dòng)式建筑又邁進(jìn)了一步。

我國人口眾多，既有建筑數(shù)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(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)較大，建筑熱工設(shè)計(jì)保溫標(biāo)準(zhǔn)偏低，保溫隔熱性能較差的問題，其運(yùn)行能耗過高嚴(yán)重制約著我國建筑行業(yè)向綠色、低碳、環(huán)保方向的發(fā)展，因此對(duì)我國既有公共建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行節(jié)能改造勢(shì)在必行，也是實(shí)現(xiàn)我國“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的有力措施，有助于實(shí)現(xiàn)建筑行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展[3]。外圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能改造主要是通過改善建筑物外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能，使建筑物室內(nèi)溫度盡可能接近舒適溫度，以減少通過輔助設(shè)備如采暖、制冷設(shè)備來達(dá)到適宜室溫的負(fù)荷，最終達(dá)到節(jié)能的目的，與此同時(shí)，既有公共建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能改造后力求獲得可觀的經(jīng)濟(jì)效益[4]。針對(duì)上述情況，本文以某賓館1#樓為研究對(duì)象，對(duì)其外圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行節(jié)能改造。通過考察其外墻、外窗、屋頂?shù)葮?gòu)造組成及其傳熱系數(shù)對(duì)其進(jìn)行節(jié)能診斷與判定；在此基礎(chǔ)上，分別提出外墻、外窗及屋面不同節(jié)能改造方案；按照節(jié)能改造方案功能與成本合理匹配的原則，將節(jié)能改造功能評(píng)價(jià)和經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)方法運(yùn)用到節(jié)能改造方案的優(yōu)選中，得出最優(yōu)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能改造方案。期望本文研究?jī)?nèi)容和方法能為我國既有建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能改造技術(shù)方案優(yōu)選方向提供技術(shù)參考。

2 某節(jié)能改造賓館工程概況介紹

該節(jié)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(shù)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(shè)一小會(huì)議室，6層設(shè)大中小會(huì)議室，7、8層為電梯機(jī)房。該節(jié)能改造賓館建筑平均入住率為80%，年采暖時(shí)間為11 月中旬到次年3月中旬，平均為130天，年制冷時(shí)間為5月下旬到10月中旬，平均時(shí)間為150天。

3 建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能診斷與判定

該節(jié)能改造賓館工程建筑建于1989年，其結(jié)構(gòu)形式為傳統(tǒng)的磚混結(jié)構(gòu)。通過現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)及計(jì)算得知：該建筑外墻采用厚度為240mm粘土紅磚砌筑，傳熱系數(shù)為2.04W/(m2·K)，沒有采取節(jié)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(shù)為3.9W/(m2·K)，自遮陽系數(shù)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(shù)為5.58W/(m2·K)，沒有保溫隔熱措施。此外，根據(jù)以往能源賬單統(tǒng)計(jì)，1#樓在節(jié)能改造前用于照明、動(dòng)力、空調(diào)（制冷）設(shè)備的耗電量為1273839.58（kW·h）/a，價(jià)格為0.876元/（kW·h）；用于建筑的采暖、生活熱水供應(yīng)耗煤量為1486.31tce/a，價(jià)格為300元/tce。由此可知，該賓館1#樓外圍護(hù)結(jié)構(gòu)無任何保溫措施，熱工性能差，用能設(shè)備能耗大，需要對(duì)其進(jìn)行整體節(jié)能改造，以滿足現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)和建筑的實(shí)際節(jié)能要求。

4 建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能改造備選技術(shù)方案

在上述節(jié)能診斷分析的基礎(chǔ)上，按照50%節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)該賓館1#樓外墻、屋頂和外窗進(jìn)行節(jié)能改造。綜合考慮了節(jié)能改造成本、保溫隔熱效果以及節(jié)能改造技術(shù)的適用性和可行性等因素，對(duì)其外墻、屋面和外窗分別提出了以下3 個(gè)節(jié)能改造備選方案。

4.1 外墻節(jié)能改造備選技術(shù)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(duì)基層墻體進(jìn)行檢查的基礎(chǔ)上，將飾面空鼓或酥松部位鏟除并修補(bǔ)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(fā)泡水泥板外保溫系統(tǒng)。具體改造備選方案如表1所示。

表1 外墻節(jié)能改造備選方案

4.2 屋面節(jié)能改造備選技術(shù)方案

本文采用倒置屋面保溫系統(tǒng)對(duì)該賓館屋面進(jìn)行節(jié)能改造，先在鋼筋混凝土上鋪設(shè)瀝青油氈、油氈紙防水層，再加水泥砂漿保護(hù)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(shè)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(jié)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(jié)能改造備選技術(shù)方案

依據(jù)既有公共建筑節(jié)能改造技術(shù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)其外窗的節(jié)能改造，在滿足熱工條件的基礎(chǔ)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(jié)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(nèi)側(cè)加一層保溫性能好的鋁合金單層玻璃窗，避免層間結(jié)露、在原有單層玻璃窗內(nèi)側(cè)貼膜3種方案。本節(jié)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(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能改造技術(shù)方案功能性比較

采用前期研究得出的層次分析法評(píng)價(jià)體系，對(duì)上述外圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能改造備選方案的各項(xiàng)功能性指標(biāo)進(jìn)行打分，并根據(jù)各項(xiàng)功能性指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)計(jì)算得出各備選方案的功能得分[4]。

5.1 外墻改造技術(shù)方案功能性評(píng)價(jià)

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(gòu)成的系統(tǒng)傳熱系數(shù)相對(duì)較小，能達(dá)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(fā)泡水泥板的效果最好，但抗壓強(qiáng)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(guī)模使用階段。經(jīng)過對(duì)外墻節(jié)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(biāo)層對(duì)應(yīng)的方案層指標(biāo)評(píng)價(jià)值計(jì)算表

5.2 屋面改造技術(shù)方案功能性評(píng)價(jià)

屋面節(jié)能改造備選方案中方案A22 比A21 多增加了一層植被層，相應(yīng)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(duì)保溫系統(tǒng)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(zhì)量輕的特點(diǎn)，相應(yīng)的如鋪設(shè)此種保溫系統(tǒng)，對(duì)屋面增加的荷載會(huì)較小。經(jīng)過對(duì)屋面節(jié)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(biāo)層對(duì)應(yīng)的方案層指標(biāo)評(píng)價(jià)值計(jì)算表

5.3 外窗改造技術(shù)方案功能性評(píng)價(jià)

外窗節(jié)能改造備選方案中A31 和A32 較改造前玻璃的層數(shù)增加，方案A31 采用低輻射中空玻璃，相對(duì)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(jié)露，存在一定難度；方案A33采用貼膜的方式，外窗的傳熱系數(shù)相對(duì)于改造前沒有降低，但起到了一定的遮陽效果，經(jīng)過對(duì)外窗節(jié)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(biāo)層對(duì)應(yīng)的方案層指標(biāo)評(píng)價(jià)值計(jì)算表

6 建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能改造技術(shù)方案能耗模擬與經(jīng)濟(jì)性比較

針對(duì)上述提出的不同節(jié)能改造方案，本文首先采用PKPM建筑節(jié)能設(shè)計(jì)分析軟件，通過改變參數(shù)的方式進(jìn)行能耗模擬，分析各節(jié)能改造前后的能源節(jié)能量，進(jìn)而計(jì)算各獨(dú)立方案的靜態(tài)投資回收期TP 和改造部件生命周期內(nèi)的凈現(xiàn)值NPV，得出各改造方案的經(jīng)濟(jì)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(diào)系統(tǒng)，且其運(yùn)行工況一樣，節(jié)能改造前后采暖空調(diào)系統(tǒng)耗能減少量即分別為各改造方案的節(jié)能量。各方案經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算時(shí)，主要考慮其初始投資成本，不考慮使用過程中的維護(hù)成本，節(jié)能量帶來的經(jīng)濟(jì)節(jié)省即為節(jié)能收入，其中人民幣貸款利率值定為6.55%。

6.1 外墻節(jié)能改造技術(shù)方案確定

A11、A12、A13三種外墻節(jié)能改造方案的能耗模擬與經(jīng)濟(jì)性比較結(jié)果如表7所示，假定外墻保溫系統(tǒng)使用壽命為25 年。由表中可以看出，方案A11 和A12 的靜態(tài)投資回收期相近；方案A13 在25 年限內(nèi)凈現(xiàn)值NPV＜0，說明其不具有投資效益。結(jié)合表3分析結(jié)果，方案A11 的功能得分優(yōu)于A12，確定A11 聚氨酯板外保溫系統(tǒng)為本工程建筑外墻的最優(yōu)節(jié)能改造方案。

表7 外墻節(jié)能改造方案經(jīng)濟(jì)性比較

6.2 屋面節(jié)能改造技術(shù)方案確定

A21、A22、A23三種屋面節(jié)能改造方案的能耗模擬與經(jīng)濟(jì)性比較結(jié)果見表8，假定屋面保溫系統(tǒng)使用壽命為25年。由表8可知，方案A22相比A21的靜態(tài)投資期短；方案A23在25年限內(nèi)凈現(xiàn)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(yōu)于A21，因此該建筑屋面節(jié)能改造最優(yōu)方案為采用聚氨酯保溫板保溫的A22。

表8 屋面節(jié)能改造方案經(jīng)濟(jì)性比較

6.3 外窗節(jié)能改造技術(shù)方案確定

A31、A32、A33三種外窗節(jié)能改造方案的能耗模擬與經(jīng)濟(jì)性比較結(jié)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(jié)能改造前后的節(jié)能量不大，靜態(tài)投資期較長(zhǎng)，方案A31、A32的靜態(tài)投資期分別高達(dá)28年、23年，綜合表6中方案A31的功能得分優(yōu)于A32，因此該建筑外窗節(jié)能改造最優(yōu)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(jié)能改造方案經(jīng)濟(jì)性比較

7 結(jié)束語

在雙碳目標(biāo)驅(qū)動(dòng)下，我國既有建筑節(jié)能改造時(shí)間緊、任務(wù)重，如何保證改造工程的節(jié)能效果值得我們進(jìn)一步深入探索。不同地區(qū)、不同類型既有建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能、能耗特點(diǎn)各不相同，對(duì)其進(jìn)行節(jié)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(xiàn)狀的基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)際能耗診斷，進(jìn)而提出功能性可靠、經(jīng)濟(jì)性可行的節(jié)能改造方案，有效避免盲目的節(jié)能改造[5]。為保證節(jié)能改造的有效性，本文采用了層次分析法評(píng)價(jià)體系，通過評(píng)價(jià)、分析不同節(jié)能改造方案的功能性與經(jīng)濟(jì)性，確定了某節(jié)能改造賓館1#樓外墻、屋面、外窗圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能改造最優(yōu)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(qū)、不同類型既有建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能改造提供技術(shù)借鑒。