既有建筑围护结构节能改造技术及经济分析

李建忠

(中铁上海设计院集团有限公司,上海 200070)

近年来,我国建筑规模迅速扩大,21世纪头 20年内建筑业仍将迅速发展。预计到2020年底,全国房屋面积将达到686亿m2。随着人民生活水平的提高,建筑能耗必然出现较快增长,同时非节能建筑数量的积累,不但会给我国能源供应带来巨大压力,国家将更难以承受对节能改造的经济支出,大气环境也将越来越差。对既有建筑进行节能改造,以避免能源、资源的浪费,提高建筑热舒适度,已成为我国当前紧迫的、必须尽快解决的重大问题[1]。

我国目前也只是在少数城市对有限的既有住宅建筑进行示范性改造。而量大面广的非节能型住宅的节能改造是我国建筑节能的关键,如果在这方面不取得重大进展,住宅建筑节能问题就不能彻底解决[2]。

既有建筑节能改造,是指对不符合民用建筑节能强制性标准的既有建筑的围护结构、供热系统、采暖制冷系统、照明设备和热水供应设施等实施节能改造的活动。从建筑节能设计角度,针对某既有建筑(外墙:实心砖墙、屋面:钢筋混凝土屋面、外窗:铝合金普通单框双玻璃10 mm)外围护结构节能改造技术及经济分析研究。

1 建筑结构节能设计

建筑节能,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。进行建筑节能设计,应考虑城市综合环境、气候条件、总体布局；建筑物的形体变化、朝向等综合因素对节能的影响[3～4]。建筑的围护结构直接影响民用建筑的能耗,据调查,围护结构的耗热量占建筑采暖热耗的1/3以上。因此,建筑物节能的主要途径应从墙、门、窗、顶等围护结构着手,通过逐步优化围护结构设计,尽量减少其能量散失,更好地满足保温、隔热、透光、通风等各种需求,达到最佳的节能效果。

围护结构外表面受到的日晒时数和太阳辐射强度,以屋面为最大,东西向围护结构其次,东南和西南又次之,南向较小,北向最小,因此必须重视建筑节能设计,正确选择房屋的朝向,防止日晒。在住宅体型设计时,注意用最少的围护结构面积形成满足功能要求的室内空间体积,外墙表面积越小越有利于建筑节能,平面应形状规整,尽量减少外围护结构面积,其意义在于减少不必要的墙体外表面积,避免热损失。把热环境要求较低的厨房、厕所、过厅等布置在北向,适当减少北窗开窗面积,而将居室布置方向朝南,充分利用太阳能,保持室内较高的温度[5]。窗户对住宅热环境的影响相当大,它既是太阳辐射的得热部件,又是主要的失热部件,故合理确定窗墙面积比是节能的重要措施之一[6]。

2 外围护结构节能改造方案

2.1 外墙节能改造方案

采暖建筑的外墙应具有足够的保温能力,寒冷地区冬季室内温度高于室外,热量从高温一侧传到低温一侧[7]。提高外墙保温性能大致有以下技术措施。

(1)方案①：XPS板薄抹灰外墙外保温

此保温体系构造层次依次如下：240 mm黏土砖墙；10 mm厚水泥砂浆找平层；30 mm厚保温层(XPS板)；3 mm厚抗裂砂浆+网格布；锚栓；外墙涂料。

依据我国民用建筑热工设计规范可计算出XPS板薄抹灰外墙外保温系统的热物理参数,此保温系统的传热系数K为0.67 W/(m2·K),热惰性指标D为3.701。

(2)方案②：胶粉聚苯颗粒保温浆料外墙保温系统

此保温体系构造层次依次如下：240 mm黏土砖墙；20 mm厚水泥砂浆找平层；40 mm厚胶粉聚苯颗粒保温浆料；3 mm厚抗裂砂浆；玻纤网格布；弹性底涂、柔性采腻子；外墙涂料。

此保温系统的传热系数K为0.85W/(m2·K),热惰性指标D为4.107。

(3)方案③：无机玻化微珠外保温系统

240 mm黏土砖墙；20 mm厚水泥砂浆找平层；40 mm厚玻化微珠保温砂浆；耐碱网布；3 mm厚抗裂砂浆；外墙涂料。此保温系统的传热系数K为0.85 W/(m2·K),热惰性指标D为4.133。

根据《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》中有关围护结构各部分的传热系数和热惰性指标的规定(表1)可知,这几种改造方案均满足了相关规定指标。

表1 围护结构各部分的传热系数和热惰性指标

2.2 屋面保温改造方案

(1)方案①：挤塑聚苯板倒置式屋面保温系统。此保温系统的构造如图1所示。此屋面保温系统的传热系数K为0.739 W/(m2·K),热惰性指标D为3.144。

图1 挤塑聚苯板倒置式屋面保温构造(从上往下)

(2)方案②：聚氨酯硬泡沫保温屋面聚氨酯硬泡沫保温屋面系统构造层次依次为：25 mm厚1∶4干硬性水泥砂浆面层；30 mm聚氨酯硬泡沫保温层；20 mm水泥砂浆；80 mm轻骨料混凝土；120 mm厚钢筋混凝土屋面。此保温屋面的传热系数K为0.592 W/(m2·K),热惰性指标D为3.074。

2.3 门窗保温改造方案

窗的保温主要措施是增加玻璃的层数和密闭缝隙,若采用双层窗,各层玻璃之间应用焊接、胶合或溶合等方式形成中空玻璃,玻璃间填以干燥空气或氮气,以防产生凝结水。配合节能窗的开发,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断投入市场,中空玻璃内置百叶,内置安全防盗网的节能型门窗等新产品也正在不断面市[8]。

(1)方案①：采用双层普通中空玻璃窗(推拉),它的传热系数为2.8 W/(m2·K),遮阳系数为0.83；

(2)方案②：采用铝合金低辐射中空玻璃窗,它的传热系数为2.5 W/(m2·K),遮阳系数为0.64。

2.4 遮阳改造方案

改造方案：增设水平固定外遮阳(在外窗上加设1 m宽的水平遮阳板)。

从上面选取的改造方案,通过对比其热工作性能,可以看出改造前后此既有建筑的围护结构的热工作性能得到了很大的改善,汇总如表2所示(选取了节能改造方案(7)中有关外墙、屋面及门窗的传热系数作比较,详见后文)中的方案作为比较对象。

表2 改造前后围护结构热工性能比较

3 节能改造方案技术经济分析

3.1 分析计算相关参数设定

(1)计算地点：上海；(2)所用气象数据文件：NANCHtg.BIN；(3)空调房间室内计算温度；冬季全天为18 ℃；夏季全天为26 ℃；(4)室外气象计算参数采用典型气象年；(5)采暖和空调时,换气次数为1.0次/h；(6)采暖、空调设备为家用气源热泵空调器,空调额定能效比取2.30,采暖额定能效比取1.90；(7)室内照明得热为0.014 1 kWh/(m2·d),室内其他得热平均强度为4.3 W/m2；(8)围护结构改造面积取760.9 m2。

3.2 多个节能方案的能耗分析

在所给的节能改造方案中,外墙保温有3种,屋面2种,外窗2种。本文主要研究外墙、屋面及外窗三者的节能改造效果,这样节能改造措施组合方式共有12种,通过天正TBEC得到各自的耗能量,具体见表3。

从表3可以看出节能改造成后,此既有建筑的年耗电量降低了,最大幅度降了38.26 kWh/m2,最高节能率达到65%。

(1)3种外墙外保温方案的节能性比较

方案(1)～(3)、(4)～(6)、(7)～(9)、(10)～(12)这4组节能改造方案只是外墙节能方案不同,其他节能构造是一样的,这4种外墙保温方案中,以方案①XPS板薄抹灰外墙外保温的节能率最高,达到55%,并且这3个外墙节能方案中节能最高率比最低的耗电量低不超过7%。这说明对此既有建筑进行外墙改造时,若仅仅从耗能方面来选取保温方案是不够,因为这3种方案耗能量差别不是很大,还应考虑其他因素,如价格、保温系统的适应性、防火性要求等因素。

表3 节能改造方式(1)～(12)具体构造组合

(2)2种屋面保温方案的节能性比较

从表3中不同节能屋面的全年耗电量可以看出,屋面节能改造的2种方案在节能率方面相差不大,也很不明显,因此本文只是随机选取了3组进行了比较,如图2所示。

注：方案对比一中3个方案分别为：既有建筑、方案(1)、方案(4)；方案对比二中3个方案分别为：既有建筑、方案(2)、方案(5)；方案对比三中3个方案分别为：既有建筑、方案(3)、方案(6)。图2 屋面节能改造方案耗电量比较

从图2可以看出屋面节能改造中的2种方案在此既有建筑节能改造中的节能率的差别很小,若除去所建能耗模型时的一些假设,可以近似认为这2种节能方案的节能率是基本相同的,因此对屋面节能改造需从这2种方案中选其一时,需综合考虑其他方面的因素的要求,这样才能使得屋面节能改造所选的方案达到最佳的节能技术适宜性。

(3)2种外窗改造方案节能性比较

门窗保温改造方案中表示当外窗由铝合金中空双玻璃窗更换为铝合金低辐射中空玻璃窗时,其传热系数由2.8 W/m2降为2.5 W/m2,遮阳系数由0.83变为0.64,其节能效果如图3所示。

注：方案对比一中2个方案分别为：方案(1)、方案(7)；方案对比二中2个方案分别为：方案(4)、方案(10)；方案对比三中2个方案分别为：方案(6)、方案(12)。图3 外窗节能改造方案比较

这是因为低辐射中空玻璃对夏季降低室内冷负荷指标十分明显著。而在冬季,由于室内外温差较大,因此室内热负荷主要由围护结构的传热性能所决定,在采用低辐射中空玻璃后,传热系数较以前降低了22%,但是由于外窗在围护结构中所占面积较小,再加上低辐射中空玻璃较低的遮阳系数对冬季室内通过太阳辐射取暖产生了消极的影响,因此,低辐射中空玻璃在夏季的节能效果要好于冬季,使得低辐射中空玻璃与中空双玻璃相比,全年的耗电量的减少额就没那么明显。

3.3 多个节能改造方案经济分析

根据各节能措施组合的特点及它们全年耗电量,从表3中选出几个具代表的节能措施组合方案进行对比分析,最终选出(2)、(3)、(6)、(7)、(10)、(12),它们建设的成本见表4,其中综合单价是根据目前上海市场调研得到。

表4 几个节能改造组合方案成本分析

同时根据表4中的数据,可知各节能改造措施组合方案的节能收益,电价取为上海居民平均用电量0.6元/度,根据公式A=Δq×B求出各方案的节能收益,其中A为节能收益,Δq为节能量；B为能源价格。根据各节能措施组合方案的改造成本和它们所节省的电量,及“技术适宜性”的要求,在进行节能改造时,不能单纯以方案的节能效果作为唯一的评判指标,而应当综合节能效果与其经济性这两方面因素,因此引入参数f代表各方案的投入产出比,即f=Δq/p。具体如表5所示。

表5 几个节能改造措施组合方案节能收益及性价比分析

从表5可以看出,在所选的6个节能改造方案中经过对比性价比,方案(2)的性价比系数最高；虽然(2)的节能效果不如其他方案明显,但从改造成本来看,方案(2)所花费的改造成本最少,因此在选择改造方案时,不能只考虑节能效率或者改造成本这几个单方面因素,还需结合项目特点、节能技术适宜性等来选择节能改造方案。

4 结论

建筑系统的节能应该从设计开始,充分考虑到系统总体的能源选择和使用、环境保护等方面长期可持续发展的需要,在进行总体综合比较和合理安排下,节能的效果将非常明显,而单一局部的节能应用很可能效益甚小[9～10]。在进行节能方案选择时,不能单纯以方案的节能效果和改造成本作为唯一的评判指标,应结合方案的性价比f进一步确定可行的节能方案。

对既有建筑的节能改造是一项长期且面大量广的工作。通过对上海地区既有建筑的改造,发现改造后的建筑热工性能比改造前有大幅度提高,同时,在选择改造方案时,需结合项目特点、节能技术适宜性等因素来选择节能改造方案,以更有效的利用能量达到节能降耗的目的。

[1] 江经纬.宁波市建筑节能技术及其发展策略[D].上海：同济大学,2008.

[2] 赖家彬.夏热冬暖南区居住建筑节能的思考[J].建筑节能,2008(2).

[3] 谢 浩,张伦林.试论建筑节能设计问题[J].能源技术,2003(1).

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[5] 刘素萍.建筑节能与围护结构[J].建筑节能,2007(7).

[6] 韩 松，等.窗户建筑节能的关键[J].青岛建筑工程学院学报,2002(4).

[7] 李 寅.建筑节能之外墙保温方式探讨[J].建筑节能,2007(2):22-23.

[8] 葛伟青,杨 静.Low2E 玻璃的性能分析及在节能建筑中的应用[J].陶瓷研究与职业教龄前育,2008(2):15-18.

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[10] 林其标.论人居环境可持续发展的建筑观[J].华南理工大学学报：自然科学版,1999(10).