既有公共建筑节能改造探讨

曾洁，袁善飞

（1.中外建工程设计与顾问有限公司，北京 100048；2.北京领晟建筑规划设计事务所，北京 101599）

1 引言

2020 年的联合国大会上，习近平主席阐述了“中国二氧化碳排放力争于2030 年前达到峰值，努力争取2060 年前实现碳中和”的具体目标，“碳达峰、碳中和”正式成为国家战略；2021 年的全国两会政府工作报告，“碳达峰”行动方案、优化能源结构和大力发展新能源被列为政府工作重点。“3060”双碳目标将是未来中国各个行业发展、转型最重要的指导依据，而建筑行业作为传统碳排放大户，更应积极探索转型突破路径，努力发展绿色建筑，降低建筑耗能，提高可再生材料使用比例，加快推进装配标准化进程。因此，节能设计创新以及智慧化项目管理将成为低碳经济下建筑产业发展的重要研究方向。

2 我国建筑能耗现状及推进建筑节能设计的必要性

据统计，我国建筑全寿命周期能耗占全国能源消费总量的比重为46.5%，建筑运行阶段占全国能源消费总量的比重为21.7%。2018 年，全国建筑运行阶段能耗为10 亿tce（tce 是1 t标准煤当量，是按标准煤的热值计算各种能源量的换算指标），其中，公共建筑能耗占比38.3%，单位面积能耗29.73 kgce/m2[1]。从发展挑战看，我国建筑总量仍将持续增长，经济发展处于转型期，人民群众生活水平处于提升期，对居住舒适度及环境健康性能的要求不断提高，大量新型用能设备进入家庭，对做好建筑节能与绿色建筑发展工作提出了更高要求[2]。在此背景下，各地相继出台了更高的建筑节能设计标准。如2020 年，北京发布的DB11/891—2020《居住建筑节能设计标准》率先将居住建筑节能率由75%提升至80%以上，比行业标准相关条文更加严格和细化。而对于公共建筑，尤其是节能现状十分不理想的既有公共建筑的节能改造，整体进程起步较晚，指导政策、规范细化制定滞后，改造市场非常巨大。随着近几年对节能重视程度的提高以及能源管理模式的转变，如北京、上海、深圳等城市改造指导政策细化文件不断出台，公共建筑节能改造市场将快速发展。本文以北京市海淀区某养老建筑改造项目为例，通过改造前后能耗计算论述节能改造的潜力及意义。

3 工程概况

项目位于北京市海淀区，属于寒冷B 区，最初建成于20世纪90 年代末，建筑规模为18 350.17 m2，地上3 层，原使用功能为宾馆，拟更新改造后作为集生活用房、文娱及健身用房、医疗及康复用房为一体的老年人全日照料设施使用。由于项目建成时间超过20 年，前期经较长时间运营，后期长时间空置，缺乏维护，老化严重，土建安全性存在风险，给排水、暖通、电气系统等机电系统均无法正常使用。改造的设计要求除满足新功能使用外，还要基于现状最大限度地实现绿色、节能和环保。

4 改造前的节能诊断

建筑主入口立面采用3 层通高玻璃幕墙，主入口雨棚陈旧。建筑外墙无保温材料，外墙墙体分370 mm 厚实心黏土砖和300 mm 厚陶粒混凝土砌块两种。外窗为普通塑钢推拉窗，气密性不能满足现行规范要求。屋面保温为50 mm 厚挤塑聚苯板，因防水层老化失效，屋面排水不畅，保温层吸水，保温效果大幅降低。通过查阅资料、现场踏勘等方式进行节能诊断，利用仿真软件进行现状各部位传热系数测算，具体数据如表1所示。

由表1 可见，现状建筑围护结构不满足现行设计标准，经结露验算，外墙内表面最低温度7.52 ℃，屋顶内表面最低温度4.73 ℃，均结露。此外，建筑还存在采暖通风空调系统、生活热水供应系统、供配电与照明系统效率过低且供配电系统三相不平衡等问题，针对上述部位及系统进行改造，具有较大的节能改造潜力。

表1 现状外围护结构传热系数计算

5 外围护结构热工性能改造方案

因建筑的外围护结构热工性能与建筑的负荷和能耗有着直接关联。因此，对建筑的外墙、屋面、外窗进行节能改造，能较好地优化保温性能，降低建筑能耗。本工程的改造目标参照GB/T 50378—2019《绿色建筑评价标准》三星级标准，围护结构热工性能较GB 50189—2015 《公共建筑节能设计标准》提高20%，或负荷降低15%。改造方案分别从外墙、屋面、外窗及幕墙进行。

5.1 外墙节能改造

常见的外墙保温做法主要包括外墙外保温、外墙内保温以及夹层保温。考虑既有公共建筑节能改造涉及冷热桥处理、基层处理等，优选采用外保温，不仅能够达到良好的保温隔热效果，还能够避免室内使用面积被占用。本项目外墙改造选用200 mm 厚G 型热固复合聚苯板050 级保温，燃烧性能为A2级，传热系数达到0.23。该材料具有很好的憎水性、尺寸稳定性，因保温层厚度较大，施工采取双层错缝粘贴，减少冷桥。

5.2 屋面节能改造

将原有屋面的构造做法全部拆除，基层清理干净。重新对保温和防水进行设计和施工。混凝土平屋面的构造做法可分为正置式屋面和倒置式屋面两种。简单概括二者不同之处是正置式屋面保温隔热层在防水下方，倒置式屋面保温隔热层在防水上方。本次改造采用倒置式屋面，采用200 mm 厚憎水性挤塑聚苯板保温材料，具有保温隔热、延长防水层使用年限、减少后期维修等优点。

5.3 外门窗节能改造

作为建筑节能设计的重要内容之一，合理的门窗节能设计能够有效地降低建筑物运转的能耗率。以北京为例，由于冬季面临严寒，夏季面临酷暑的问题，为了能够实现室内气流的有效运转，达到冬暖夏凉的目的，设计师需要以降低能耗为目标优化门窗节能设计。门窗的热工性能体现在型材和玻璃两个方面。可以通过调整型材厚度、腔室数量和填充保温材料提供热工性能。中空玻璃通过填充惰性气体和暖边间隔条提高性能。在本次改造中，门窗系统选用了115 系列铝木复合平开窗，玻璃配置5 单银Low-E+12Ar+5+12Ar+5 单银Low-E，整窗传热系数≤1.0，太阳得热系数0.25。

5.4 新能源在建筑节能与建筑设计中的利用

作为一种新型的可再生的清洁能源，太阳能资源具有可持续、污染少的特点，凭借着太阳能资源的独特优势，太阳能资源在建筑节能与建筑设计中具有极高的应用覆盖率。光伏建筑一体化技术将光伏组件与建筑物结合，不占用地面空间，是光伏绿色能源在城市中广泛应用的最佳方式。利用该技术，不仅可以满足建筑的供能需求，还可以通过针对性的改造，实现既有建筑防水、保温、降噪等基本功能的更新和建筑形象的提升[3]。如何从建筑设计角度，在公共建筑改造中利用光伏新技术，是设计需要考虑的重要课题。北京市年平均日照时数在2 000～2 800 h。本项目位于郊区，周边建筑密度及建筑层数较低。朝向正南正北，周边无建筑物遮挡。建筑3 层，建筑平面类似长方形，屋面面积大。综合建筑现状和空间形式，考虑建筑中公共餐厅及多功能厅两个大空间的现状屋面为前业主改造加建的钢结构，与原结构主体连接处出现多处裂缝，本次改造予以拆除后新建光伏一体化屋面。屋面对美观度要求较低，设计采用了黑色晶硅组件，上部采用3.2 mm 厚玻璃，背部采用6 mm 厚玻璃，晶硅类BIPV 组件单位装机功率高，单位功率可达200 W/m2；转化效率可达16%~22%，用来满足建筑照明。

5.5 改造前后能效对比

基于BIM 软件，建立能耗模型，对建筑改造前后进行能耗对比的仿真计算，能耗变化见表2。

表2 改造前后能耗对比表

通过外围护结构改造以及光伏一体化的利用，节能率提升了62.03%。按照建筑面积18 350.17 m2计算，改造后供暖供冷综合能耗节能518 942.81 kW·h，节能效果显著。

6 结语

鉴于新经济发展模式对于各个行业发展提出的低碳要求，建筑行业势必迎来深刻变革，降低新旧建筑能耗将成为未来行业面临的突出课题，而既有公共建筑因其基数规模大、整体能耗强度高的特点，对其节能改造具有很强的必要性。通过整合其他学者研究成果及本人实践经验总结，对于既有公共建筑节能改造主要针对外墙、屋面、门窗3 大系统进行改造升级，并引入光伏等新能源作为辅助遮阳、供能手段，改造后科学的精细化运营管理，三者结合是当前最具有可行性的节能改造模式之一，具有较强的实践参考价值。如何降低我国建筑单位能耗量，不仅仅关系着我国“3060”双碳目标能否实现，更关系着国人的生存环境能否进一步改善，是实现人们对于美好生活愿景的必然途径，因此，探索有效降低能耗的节能技术和管理模式是每个建筑从业人员都应该思考的重要课题。