江淮地區(qū)既有居住建筑節(jié)能改造研究

曹穩(wěn)，許陳，劉智洋,馬輝 （.安徽科技學(xué)院建筑學(xué)院，安徽 蚌埠 3300；.蚌埠市建筑設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)有限公司，安徽 蚌埠 3300）

1 引言

“雙碳”行動(dòng)是應(yīng)對(duì)氣候變暖的全球發(fā)展行動(dòng)，建筑領(lǐng)域雖然不是能耗產(chǎn)碳最高的行業(yè)，但由于龐大的技術(shù)預(yù)產(chǎn)聯(lián)系，成為推動(dòng)國(guó)家低碳轉(zhuǎn)型的重要領(lǐng)域[1]。在“雙碳”行動(dòng)中，建筑的節(jié)能環(huán)保更加得到人們的重視，尤其是具有良好節(jié)能效果的居住建筑，不僅居住舒適，同時(shí)對(duì)整個(gè)環(huán)境也相對(duì)友好，更利于未來的發(fā)展。據(jù)調(diào)查，2000 年以前建成的亟待改造的老舊小區(qū)存量建筑面積約31.1億m2，可見我國(guó)既有居住建筑的改造將是一個(gè)長(zhǎng)期任務(wù)[2]。因建造早期缺乏保溫材料，相關(guān)技術(shù)尚未完善，導(dǎo)致建筑能耗高、舒適度差，大量既有老舊建筑急需改造。通過調(diào)研江淮地區(qū)既有居住建筑，并在Ecotect Analysis軟件中模擬分析，發(fā)現(xiàn)建筑改造前能耗高于改造后，在冬季和夏季不可避免地需要借助空調(diào)來調(diào)節(jié)室內(nèi)的舒適度，改造前空調(diào)的耗能要高于改造后空調(diào)的耗能。

隨著“雙碳”行動(dòng)的實(shí)施，國(guó)內(nèi)地區(qū)都在進(jìn)行既有建筑改造，致力于更高效地進(jìn)行改造，提高居住舒適度，同時(shí)為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)作準(zhǔn)備。通過探索市場(chǎng)發(fā)展動(dòng)態(tài)性既有建筑節(jié)能改造主體動(dòng)力演化肌理研究方向，以期推動(dòng)既有建筑節(jié)能改造市場(chǎng)高效發(fā)展[3]?；诖苏归_對(duì)江淮地區(qū)既有建筑的節(jié)能改造，尤其是蚌埠地區(qū)既有建筑的節(jié)能改造性研究，使其為江淮地區(qū)的節(jié)能改造提供借鑒。

2 現(xiàn)狀分析

為了使數(shù)據(jù)更具有價(jià)值以及普遍性，通過調(diào)查位于江淮地區(qū)的蚌埠的幾個(gè)區(qū)，分別在每個(gè)區(qū)中選擇若干個(gè)小區(qū)進(jìn)行調(diào)研，并進(jìn)行實(shí)地考察、拍照收集、網(wǎng)上搜集，詳細(xì)的統(tǒng)計(jì)信息如表1 所示。最終選定蚌埠市龍子湖區(qū)金水花園小區(qū)作為主要的調(diào)研對(duì)象，該小區(qū)建造于20世紀(jì)初，建造初期外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)并沒有增加保溫材料，其圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造主要以多孔磚雙面石灰水泥砂漿為主。同時(shí)利用Ecotect Analysis軟件，結(jié)合蚌埠氣候特點(diǎn)，對(duì)建筑室內(nèi)采光通過模擬日照進(jìn)行了分析（圖1），其采光系數(shù)平均值7.44%，以便為接下來節(jié)能研究提供參考，增強(qiáng)數(shù)據(jù)的可靠度。

表1 現(xiàn)狀調(diào)研

圖1 采光分析

3 典型模型信息

原有建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造做法如表2 所示，基于此對(duì)原有建筑進(jìn)行節(jié)能改造，包括外墻和外窗的改造，并基于原有建筑造型進(jìn)行建模，如圖2 所示，其中改造后建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造做法如表3 所示。

表2 建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造做法（改造前）

表3 建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造做法（改造后）

圖2 金水花園建筑模型

運(yùn)用Ecotect Analysis 軟件對(duì)上述改造措施進(jìn)行建模，模型如圖3 所示。保持建筑和改造后的建筑模型平面布局一致，墻洞大小也未改變。按照《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ 134-2010）中規(guī)定的室內(nèi)舒適溫度范圍18～26℃稍寬[4]。其中全空調(diào)系統(tǒng)房間為臥室、客廳、餐廳，并設(shè)定空調(diào)室內(nèi)溫度范圍上限為26℃，下限溫度為18℃，空氣交換率為1.00，即每一小時(shí)換氣一次。

圖3 Ecotect Analysis軟件模型

4 改造效果研究

4.1 立面效果

主要對(duì)外墻、屋頂和外窗進(jìn)行改造，其中結(jié)合小區(qū)現(xiàn)狀和對(duì)該小區(qū)居民問訪，對(duì)改造材料進(jìn)行一些調(diào)整。外墻采用聚合物抹面砂漿，原有建筑立面破舊，甚至出現(xiàn)墻皮脫落的現(xiàn)象，如圖4 所示。普通抹面砂漿的和易性較差、粘結(jié)力較差、收縮率大、彈性模量大，容易開裂，而外保溫層體系的保護(hù)層抹面砂漿必須具有抗收縮性、柔韌性、耐久性等性能[5]。因此，保溫層外抹面砂漿進(jìn)而防止立面墻皮的脫落，增強(qiáng)耐用性及安全性。

圖4 原有小區(qū)原立面圖

外圍護(hù)結(jié)構(gòu)中墻體占了很大一部分，以節(jié)能50%的標(biāo)準(zhǔn)為例，外墻占了建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)總能耗的27%，所以墻體節(jié)能技術(shù)的發(fā)展是建筑節(jié)能的重要方向[6]。外墻作為建筑中外表面積最大的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，在建筑保溫隔熱中占據(jù)著相當(dāng)重要的位置。外墻節(jié)能保溫構(gòu)造可分為外墻內(nèi)保溫、夾層保溫和外保溫三大類，其節(jié)能原理是通過依附在墻體結(jié)構(gòu)上的保溫材料阻隔熱量傳遞，減少室內(nèi)外空氣熱交換，從而達(dá)到隔熱保溫的目的[7]。綜合考慮，最終本案例采用外保溫，并對(duì)屋頂和外窗同時(shí)也進(jìn)行改造。圖5 為改造后的建筑立面，在原本屋頂增加100mm 憎水膨脹珍珠巖板，以增強(qiáng)屋頂隔熱防水的物理性能，同時(shí)外窗也將原本的單層玻璃換成6Low-e+12A+6 厚單層玻璃。Low-e 玻璃滿足建筑物的采光需求以及極低的輻射率，大幅度優(yōu)化窗戶的保溫?zé)嵝阅?，使得建筑保溫在冬季得到有效提升，提高室?nèi)人員的舒適程度[8]。

圖5 改造小區(qū)立面圖

4.2 室內(nèi)溫度

有效地防護(hù)和利用室內(nèi)氣候因素，合理地解決房屋日照、保溫、隔熱、通風(fēng)、防潮等問題，可以創(chuàng)造良好的室內(nèi)氣候環(huán)境。其中主要是太陽(yáng)光照在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面，提高其表面溫度，通過熱傳導(dǎo)以影響室內(nèi)溫度變化，同時(shí)影響人體對(duì)環(huán)境的舒適感。另一部分由通風(fēng)帶入室外的熱量，這部分熱量通常占很大一部分，但是通風(fēng)失熱也占很大一部分。還有一小部分的室內(nèi)熱源散熱帶給室內(nèi)的熱量，包括人員、照明和室內(nèi)用電設(shè)備散熱，這些因素對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境都有一些影響。

墻體增加保溫層后墻體的傳熱系數(shù)達(dá)到0.7W·m-2·K-1，未進(jìn)行改造的建筑墻體傳熱系數(shù)為1.62W·m-2·K-1，從傳熱系數(shù)方面可以發(fā)現(xiàn)有較為明顯的改善。建筑的窗墻面積比為0.34，南、北向均為0.34，皆符合節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定限值，體形系數(shù)和窗墻面積比符合節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值[9]。通過Ecotect Analysis 分析在自然通風(fēng)的情況下，建筑室內(nèi)使用程度最高同時(shí)也是家庭成員最活躍的區(qū)域--客廳的溫度，在最冷日和最熱日變化結(jié)果如圖6 和圖7 所示?？梢园l(fā)現(xiàn)在自然通風(fēng)的情況下，在最熱日改造后的室內(nèi)溫度比改造前的室內(nèi)溫度相對(duì)較低，在最冷日改造后的室內(nèi)溫度高于改造前的室內(nèi)溫度，改造達(dá)到了預(yù)期的效果。

圖6 最熱日溫度平均值

圖7 最冷日溫度平均值

4.3 建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)得熱

夏熱冬冷地區(qū)是指我國(guó)最冷月平均溫度滿足0～10℃，最熱月平均溫度滿足25～30℃，日平均溫度≤5℃的天數(shù)為0～90 天，日平均溫度≥25℃的天數(shù)為49～110 天的地區(qū)[10]。該地夏季炎熱，最高溫度可達(dá)到40℃，而冬季寒冷，持續(xù)時(shí)間久，該地區(qū)還不屬于冬季供暖區(qū)，建筑能耗主要集中在空調(diào)的夏季制冷和冬季制熱。因此為了進(jìn)一步驗(yàn)證在保溫材料的作用下室內(nèi)是否起到了保溫隔熱的作用，是否有增強(qiáng)舒適度的效果，通過Ecotect Analysis 分析改造前后的建筑在自然通風(fēng)情況下的數(shù)據(jù)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)最熱日得熱以及最熱日熱損失如圖8 和圖9 所示，改造后的隔熱與改造前相比有著較大的改進(jìn)。

圖8 最熱日圍護(hù)結(jié)構(gòu)平均得熱

圖9 最熱日圍護(hù)結(jié)構(gòu)平均熱損失

又對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)在冬季最冷日的日均得熱和日均熱損失進(jìn)行了分析，如圖10和圖11 所示，發(fā)現(xiàn)同樣在保溫層作用下改造后的保溫性能要比改造前的保溫性能要好。綜上可以進(jìn)一步證明，具有保溫層的圍護(hù)結(jié)構(gòu)達(dá)到了預(yù)期的保溫隔熱效果，為提升室內(nèi)熱環(huán)境以及降低能耗提供了初步數(shù)據(jù)支持。

圖10 最冷日圍護(hù)結(jié)構(gòu)平均得熱

圖11 最冷日圍護(hù)結(jié)構(gòu)平均熱損失

4.4 建筑能耗

夏熱冬冷地區(qū)過去是非采暖地區(qū)，建筑設(shè)計(jì)不考慮采暖要求和夏季空調(diào)降溫，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能差，進(jìn)而導(dǎo)致能源利用效率較低[11]。為了驗(yàn)證保溫層是否有利于建筑節(jié)能，增強(qiáng)其準(zhǔn)確性，計(jì)算了在全空調(diào)系統(tǒng)建筑的逐月能耗（圖12）和總能耗（圖13）。發(fā)現(xiàn)在增加保溫層的建筑物逐月能耗都有所降低，改造前建筑一年的總能耗為331.95Mw·h，改造后建筑一年的總能耗為267.48Mw·h，改造前后能耗降低64.47Mw·h，節(jié)能效率為19.4%，節(jié)能率=（改造前能耗-改造后能后）/改造前能耗。

圖12 全空調(diào)情況下的建筑逐月能耗

圖13 全空調(diào)情況下的建筑總能耗

改造后每月能耗減少的比例為一月份18.4%、二月份18.2%、三月份17.2%、四月份13.4%、五月份30.9%、六月份32.9%、七月份23.6%、八月份24.3%、九月份34.3%、十月份19.2%、十一月17.3%、十二月17.6%。通過外墻的導(dǎo)熱、太陽(yáng)的輻射等將熱量從外界傳遞到室內(nèi)，這些是與外墻的傳熱系數(shù)有關(guān)，因此傳熱系數(shù)的變化能夠改變建筑能源的消耗[12]。在夏熱冬冷地區(qū)，空調(diào)使用率相對(duì)其他地區(qū)較為頻繁，所以通過改造建筑外墻保溫材料，從而達(dá)到一個(gè)舒適的環(huán)境，進(jìn)而減少空調(diào)使用率，同時(shí)也達(dá)到了降低能耗的目的。

空調(diào)能耗占比波動(dòng)幅度比較大，絕大部分被調(diào)研的建筑空調(diào)能耗處在較高水平，對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化是降低建筑能耗的重點(diǎn)[13]。通過Ecotect Analysis 軟件分析模擬，在保溫材料的作用下建筑總能有所降低，同時(shí)室內(nèi)有了更加穩(wěn)定舒適的環(huán)境，進(jìn)而降低室內(nèi)空調(diào)的使用率。通過對(duì)小區(qū)改造前后對(duì)比發(fā)現(xiàn)，改造后的建筑能耗相對(duì)減少，對(duì)環(huán)境起到節(jié)能減排作用，有利于未來的發(fā)展。

4.5 建筑不舒適度

在降低能耗方面可以發(fā)現(xiàn)，在保溫層的作用下有較為明顯的效果，但增加了保溫層的圍護(hù)結(jié)構(gòu)是否有利于降低室內(nèi)的不舒適度，為此又通過Ecotect Analysis 軟件分析模擬計(jì)算了建筑的室內(nèi)不舒適度，分別計(jì)算了室內(nèi)逐月的不舒適度（圖14）和室內(nèi)總的不舒適度（圖15）。通過軟件分析得到，改造前建筑室內(nèi)的不舒適度為20502.8DegHr，改造后建筑室內(nèi)的不舒適度為14593.8DegHr，改造后建筑室內(nèi)的不舒適度降低了5909DegHr，不舒適率降低28.8%，不舒適率=（改造前-改造后）/改造前。

圖14 建筑室內(nèi)逐月不舒適度

圖15 建筑室內(nèi)總不舒適度

改造后每月熱不舒適度減少的比例為一月份27.1%、二月份27.1%、三月份24.1%、四月份16.1%、五月份36.9%、六月份55.1%、七月份42.5%、八月份47.1%、九月份67.1%、十月份12.1%、十一月21.7%、十二月24.8%。

通過Ecotect Analysis 軟件分析模擬計(jì)算得到的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，建筑保溫層不僅對(duì)降低能耗有著明顯的作用，對(duì)降低室內(nèi)的不舒適度也有著明顯效果。在自然通風(fēng)的條件下增加了保溫的建筑，在夏季和冬季有著比較明顯的隔熱保溫作用，對(duì)室內(nèi)的舒適度有著較大的提升。注意通過Ecotect Analysis 軟件分析模擬得到的數(shù)據(jù)和現(xiàn)實(shí)相比存在一定的誤差，因此得到的結(jié)果僅提供參考，切不可在實(shí)際改造過程中過度依賴軟件分析得到的結(jié)果。

5 結(jié)論

本文通過對(duì)江淮地區(qū)既有建筑的能耗進(jìn)行調(diào)查研究，以圍護(hù)結(jié)構(gòu)是否有保溫層為變量，在自然通風(fēng)和全空調(diào)系統(tǒng)下分別對(duì)室內(nèi)的溫度變化、圍護(hù)結(jié)構(gòu)得熱、熱損失以及室內(nèi)舒適度進(jìn)行對(duì)比分析，最終得出以下結(jié)論。

①根據(jù)調(diào)查及研究分析，既有建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)因?yàn)槿狈Ρ貙?，致使熱工性能未能達(dá)到節(jié)能設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)，室內(nèi)的舒適度較差，不得不大量使用空調(diào)來維持室內(nèi)的舒適度，進(jìn)而使得能耗較高。

②對(duì)比圍護(hù)結(jié)構(gòu)得熱以及熱損失率可以發(fā)現(xiàn)，有保溫層的圍護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)部熱量不宜散失，在冬季可以防止熱量散失，在夏季保溫層有著保溫隔熱的作用，不易獲得熱量，在全空調(diào)的情況下耗能較少，可以維持室內(nèi)的舒適。

③在實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的背景下，既有建筑尤其是那些缺乏保溫層建筑，需要加以改造，通過增加保溫層，以降低能耗。在本次實(shí)驗(yàn)中得到能耗降低率為19.4%，不舒適度降低了28.8%，效果較為明顯，在降低能耗提高舒適度方面有著較為高效的作用，既有建筑的節(jié)能改造中心可以放在保溫層的應(yīng)用上。

④增加外保溫層，建筑在保溫隔熱和降低能耗方面有著明顯效果，但需要注意這些數(shù)據(jù)是通過軟件分析得到，切不可過度依賴軟件所得到的數(shù)據(jù)，要根據(jù)實(shí)際使用效果來進(jìn)行調(diào)整改善。