低價高效提升老舊廠房保溫性能的方法探討

吳玉輝

（北京真空電子技術(shù)研究所，北京 100015）

我國的建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)化推進(jìn)工作迄今有30 多年，建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)體系日趨完善。在建筑節(jié)能概念尚未普及的早期階段，國內(nèi)建筑設(shè)計領(lǐng)域普遍對圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能的關(guān)注度不夠。一些老舊建筑，保溫隔熱能力有可能先天不足，需要進(jìn)行節(jié)能改造。

公共建筑和既有居住建筑的節(jié)能改造，經(jīng)過多年實踐與推廣，先后出臺了一系列規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)圖。工業(yè)建筑在提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能和建筑節(jié)能效果之間的關(guān)系更為復(fù)雜，沒有專用的改造標(biāo)準(zhǔn)圖或規(guī)范，但可以借鑒《公共建筑節(jié)能改造技術(shù)規(guī)范》［1］（以下簡稱《公改標(biāo)》）所歸納的方法。在我國北方，部分老舊廠房存在圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫隔熱能力不足、供暖空調(diào)系統(tǒng)能耗過大的問題。如何低價高效地提升此類建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能，需要在實踐中摸索。

以下結(jié)合一個北方老舊廠房圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造案例，對此問題加以探討。

1 項目現(xiàn)狀概述

該廠房位于寒冷地區(qū)，建成于20 世紀(jì)初，建筑面積為4 120 m2，主體為單層廠房，高度為7.6 m，局部為兩層辦公樓。墻體及屋面均為雙層彩鋼壓型板，內(nèi)襯75 mm 厚玻璃絲保溫棉；窗戶為鋁合金單玻推拉窗，有部分窗玻璃錯位、開裂，和部分窗戶變形、無法關(guān)閉。同時，采暖空調(diào)系統(tǒng)的原始設(shè)計參數(shù)與實際情況差別較大，設(shè)備管線老舊，散熱能力不足。改造前，冬季廠房室內(nèi)平均溫度僅5 ℃，水管、暖氣管數(shù)次凍裂。

2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能分析診斷

2.1 U 型平面導(dǎo)致建筑外表面熱損失大

該廠房為U 型平面（見圖1），計算可知其體型系數(shù)為0.3，雖能滿足《建筑節(jié)能與可再生能源利用通用規(guī)范》[2]（以下簡稱《節(jié)能通規(guī)》）第3.1.3 條關(guān)于甲類建筑的體型系數(shù)規(guī)定，但U 型平面布局相較于相同外輪廓的長方形平面布局，建筑外圍護(hù)面積增加比例高達(dá)53%，對供暖能耗與效果的影響不容忽視。

圖1 廠房平面示意圖

《工業(yè)建筑節(jié)能設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》[3]（以下簡稱《工標(biāo)》）對建筑體型系數(shù)沒有規(guī)定，但在其第4.3 節(jié)《圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工設(shè)計》4.3.2 條規(guī)定的條文解釋中，表2 收集了46 個工業(yè)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能參數(shù)，其中體型系數(shù)范圍為0.06～0.19，分布情況為：0.1 以下占50%，0.1～0.15 占41.3%，0.15 以上占8.7%。由此可判斷，對于工業(yè)建筑，0.3 的體型系數(shù)超出合理范圍。

U 型平面布局適用于對進(jìn)深要求比較嚴(yán)格的辦公和學(xué)校等民用建筑。對于廠房，矩形平面在空間利用的經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能效率上，都更有優(yōu)勢。

2.2 建筑窗戶面積偏大，且窗玻璃為單玻

廠房北側(cè)為兩層辦公樓，辦公樓的北、東、西3 個立面均采用通長條形窗；廠房部位以分散布置的矩形窗為主，局部采用連續(xù)窗。總窗墻面積比為0.25，各向窗墻面積比依次為：北向，0.54；東、西向，0.17；南向，0.25。

根據(jù)《節(jié)能通規(guī)》第3.1.10 條規(guī)定的公共建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能限值，該廠房北面和東、西、南3 個立面窗戶的傳熱系數(shù)K值分別不能超過1.8 W/m2·k和2.5 W/m2·k；根據(jù)《工規(guī)》第4.3.2 條表5 規(guī)定，該廠房各立面外窗的傳熱系數(shù)限值為3.3 W/m2·k。

由于廠房北向窗戶均屬于辦公部分，其余立面窗戶分屬于辦公和廠房兩部分，故北向窗戶傳熱系數(shù)限值應(yīng)為1.8 W/m2·k，其余各向窗戶傳熱系數(shù)限值按插入法取值為3.0 W/m2·k。廠房采用的鋁合金單玻窗的整窗傳熱系數(shù)K 值為6.5 W/m2·k，是上述規(guī)定限值的2.2 與3.6 倍。

2.3 空調(diào)區(qū)域與非空調(diào)區(qū)域之間的圍護(hù)結(jié)構(gòu)不符合熱工性能限值

該廠房凈高超過7 m，內(nèi)部設(shè)置的辦公區(qū)，僅用3 m 高的輕質(zhì)隔斷墻與廠房區(qū)隔開，上部則用石膏板吊頂分隔。辦公區(qū)為人員經(jīng)常活動與停留區(qū)域，裝有空調(diào)，高大廠房區(qū)域為非空調(diào)區(qū)域，二者之間的圍護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)參考供暖房間與非供暖房間之間的樓板與隔墻的傳熱系數(shù)K值，不能超過1.0 W/m2·k 與1.2 W/m2·k。

3 確定節(jié)能改造方案

由于預(yù)算改造資金相當(dāng)有限，對上述3 條節(jié)能問題，需要區(qū)別對待。第1 條、3 條問題涉及的改造工程量與難度偏大，節(jié)能量相對于造價不突出，故不予考慮。作為本次節(jié)能改造重點的第2 條問題，也需要結(jié)合具體房間，進(jìn)行有針對性的改造。

具體改造措施可以分為兩部分：減小窗墻比與改善門窗部位的傳熱系數(shù)。詳細(xì)說明如下。

3.1 減小窗墻面積比

實施步驟為：

（1）依據(jù)不同的室內(nèi)發(fā)熱量條件、工作性質(zhì)、作息時間、室內(nèi)溫度要求，對各功能房間分為4 類：

①燒氫間、燒釉間等輕微產(chǎn)熱、24 h 運轉(zhuǎn)的生產(chǎn)車間；

②8 h 運轉(zhuǎn)的其余生產(chǎn)車間；

③辦公室、會議室、員工食堂、廁所等生活空間；

④樓梯間、走廊等交通空間，和成品庫、周轉(zhuǎn)庫等儲存空間；

（2）根據(jù)各類房間自然采光與自然通風(fēng)所需開窗面積的合理范圍［4］，計算出超過該范圍的開窗面積數(shù)值；并結(jié)合房間所屬類別和具體部位，確定哪部分窗戶可進(jìn)行封堵式保溫改造。例如，位于西北角的廁所，采用通長轉(zhuǎn)角窗，窗戶面積為30.4 m2，按窗地面積比1/10核算后，確定該房間只需保留1 組推拉窗（圖2）。對于有接待功能的2 層會議室，考慮到該房間的景觀和美觀需求，維持現(xiàn)狀窗墻比3/10。

圖2 廁所窗戶改造示意圖

（3）采用外表面材料、色澤與現(xiàn)狀彩鋼板墻體類似的50 mm 厚金屬保溫夾芯板，對該部分窗戶內(nèi)側(cè)進(jìn)行封堵，中間留出13 mm厚的空氣層。圖3 為改造后的實景照片。

圖3 窗戶封堵后實景照片

（4）節(jié)能計算

以廠房一層廁所為例，計算不同窗墻面積比的冬季外圍護(hù)結(jié)構(gòu)能耗，室內(nèi)外溫差取25 ℃。

①改造前

外圍護(hù)結(jié)構(gòu)面積45.4 m2，其中外窗30.4 m2，彩鋼板墻體面積15 m2，窗墻比為67%。外窗破損面積按0.1 m2考慮；原有彩鋼板墻體傳熱系數(shù)[5]為0.041×1.1/0.075=0.6 W/m2·k，考慮材料老化等因素，取0.8 W/m2·k，則該房間外圍護(hù)結(jié)構(gòu)耗熱量=15×0.8×25+30.4×6.5×25+0.1×25×25=5 302 W。

②改造后

原有外窗僅保留3.4 m2，其余27 m2外窗內(nèi)側(cè)用50 mm 厚金屬保溫夾芯板在其內(nèi)側(cè)進(jìn)行封堵。計算可知，（鋁合金單玻窗+13 mm空氣間層+50 mm 金屬夾芯板）復(fù)合體的傳熱系數(shù)為0.7 W/m2·k，與外墻傳熱系數(shù)相當(dāng)；改造后，窗墻比相當(dāng)于降低為7.5%，外圍護(hù)結(jié)構(gòu)耗熱量則降低為1 464 W，為改造前數(shù)值的28%。

3.2 改善門窗部位的傳熱系數(shù)

具體措施包括：

①將辦公室、會議室等房間單玻窗改造為雙層窗；

②對燒氫間、燒釉間、樓梯間、走廊、庫房等處保留的單玻窗貼隔熱膜；

③在貨物不經(jīng)常出入的大門內(nèi)側(cè)安裝保溫門簾；

④對所有門、窗縫隙進(jìn)行彈性密封處理。

確定方案的過程為：

（1）先計算出各項改造措施的節(jié)能性價比值，再依據(jù)不同房間性質(zhì)，分別采取不同改造措施，以期在預(yù)算有限前提下，達(dá)到組合節(jié)能性價比最高。

節(jié)能性價比值是筆者在這個項目過程中，特意計算的一個可以和造價掛鉤的節(jié)能指標(biāo)。計算方法如下：

一項圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造措施的節(jié)能性價比值=改造前后傳熱系數(shù)的差值×室內(nèi)外溫差×單位面積/造價。（冬季室內(nèi)外溫差按25 ℃計算）

（2）各項圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造措施的節(jié)能性價比值

①單玻窗戶窗玻璃上貼隔熱膜

貼隔熱膜每平米造價35 元；該項措施可將單玻窗戶整窗傳熱系數(shù)由6.5 W/m2·k 降低至3.9 W/m2·k 左右，節(jié)能性價比值=（6.5～3.9）×25×1/35=1.86 W/元。此項作法節(jié)能性價比最高，但節(jié)能效果相對最低，適用于燒氫間、燒釉間、樓梯間、走廊、庫房等室溫要求不高的房間；

②單玻窗內(nèi)側(cè)用50 mm 厚金屬夾芯板封堵

[鋁合金單玻窗+13 mm 空氣間層+50 mm金屬夾芯板]復(fù)合體的傳熱系數(shù)為0.7 W/m2·k，熱阻為1.43 m2·k/W，相較鋁合金單玻窗的熱阻值提高了8 倍。該改造措施的節(jié)能性價比值為0.96 W/元，數(shù)值比貼膜低，但節(jié)能效果好，是提升廠房保溫性能的主要措施。

③將單玻窗改造為雙層窗，整窗傳熱系數(shù)可由6.5 W/m2·k 降低至2 W/m2·k 左右，窗戶能耗降低2/3，節(jié)能效果顯著。該舉措每平米造價在600元左右，節(jié)能性價比值為0.19 W/元，低于其他二項改造措施，但室內(nèi)立面可不受影響，適用于對辦公室、會議室等人員和訪客經(jīng)常停留部位。

4 圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能改造效果

該廠房的圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫改造與采暖空調(diào)系統(tǒng)維修改造二項工作同步推進(jìn)，同步完成，雙管齊下，收到了立竿見影的改造效果。

現(xiàn)場測量結(jié)果顯示，改造后廠房冬季室內(nèi)溫度達(dá)到了國家規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)：

①辦公室、會議室、員工餐廳等常規(guī)高度房間 20～22 ℃

②燒氫間、燒釉間等高大空間 15～18 ℃

5 結(jié)語

該廠房圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造方案的確定過程是對《公改標(biāo)》歸納方法的一次認(rèn)真執(zhí)行與靈活運用，即先進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能分析診斷，結(jié)合項目造價限制，對癥下藥，確定采取減小窗墻比、改善門窗部位傳熱系數(shù)這兩個節(jié)能舉措；然后，依據(jù)各功能房間的具體條件和室溫要求，確定合理的窗地面積比，同時考慮各項圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造措施的節(jié)能性價比值，確定各房間的具體改造措施。這些舉措的實踐效果令人滿意：改造花費不多，施工快速簡單，廠房外立面未受影響，圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫效果顯著改善。