既有乡村建筑超低能耗改造技术研究

2023-01-15张丽华王丽娜徐刘净

工程建设与设计 2022年23期

张丽华，王丽娜，徐刘净

（卧牛山建筑节能有限公司，南京 211100）

1 引言

建筑能耗主要来源包括两部分：一是冬季热量流失造成的供暖能耗增加，二是夏季外围护结构隔热性能差造成的制冷能耗增加。建筑要想达到降低冬季热损失，提高夏季隔热性能的目标，需要改善围护结构的保温性能，降低外窗、外墙的传热系数，适当增加外遮阳，提高围护结构的气密性。

既有建筑是指已经竣工验收并交付使用的建筑物，它有自身主体结构无法改变的特点，因此，节能改造时，保温方案需要去适应原有建筑的结构，不能照搬新建建筑的节能方案，需要根据每个既有建筑个体的特点去选取合适的满足超低能耗要求的技术方案。既有建筑改造为超低能耗建筑大致包括以下部分。

一是优化建筑外围护结构热工性能，改善和提高围护结构各部分的保温隔热性能，有效减少传热损失和空气渗透热损失。围护结构不同部位主要分为：外墙体保温、屋面保温、地面保温、门窗热工性能、气密性能改进及增加遮阳措施等方面。

二是满足超低能耗建筑的高效热回收、低能耗除湿技术和高效热泵的新风空调系统配置。

三是引入可再生能源系统，从而补充常规能源的使用，如太阳能光伏屋面、太阳能热水器[1]。

本项目以南京典型别墅为例，探讨夏热冬冷地区木结构建筑屋面构造建筑的外围护结构节能改造方案。

2 项目现状

本项目地处南京，属于夏热冬冷地区，主体结构为空心砖砌体墙和木结构坡屋顶，无地下室。总建筑面积为292 m2，该建筑内各房间均位于采暖区，建筑高度为8.7 m，层高为3.4 m。

3 改造方案

3.1 外墙外保温

墙体是建筑外围护结构的主体，其所用保温材料性能直接影响建筑的耗热量。外墙保温形式有外墙外保温、外墙内保温和外墙夹芯保温3种类型。对于外墙保温，三者都能够提高冬季外墙内表面温度，使室内气候环境有所改善，其中外墙外保温的应用效果比较好，基本不影响住户的正常生活，也不会减少室内使用面积，更适用本项目的节能改造中。

使用PHPP软件模拟了外墙保温厚度在70～560 mm，其他配置参数不变的情况下建筑年制热需求的变化量，如图1所示。所有方案可以划分为3个区间：A区（保温厚度≤200 mm）随着保温厚度的增加，建筑制热制冷能耗下降明显；B区（保温厚度200～400 mm）随着保温厚度的增加，建筑制热制冷能耗下降趋于平缓，在此区间增加保温厚度需要考虑经济成本；C区（保温厚度≥400 mm）随着保温厚度的增加，建筑制热制冷能耗基本不再改变，在此区间再增加保温厚度已无太大意义。制冷+除湿的需求与制热需求变化类似。

图1 外墙保温厚度对建筑制冷制热需求的影响

项目实际施工时，为了阻断热桥，减少通缝，两层保温板错缝铺贴、严禁出现通缝；第一层石墨板采用点框法，第二层采用条粘法，砂浆满铺保温板。穿墙管预留孔洞直径宜大于管径100 mm以上，管道与洞口之间的缝隙应采用岩棉或聚氨酯等保温材料填实；外围护结构内侧采用防水隔汽膜粘贴。防水隔汽膜与管道和结构墙体的搭接宽度均不小于40 mm；外围护结构外侧应采用防水透气膜粘贴，防水透气膜与管道和结构墙体的搭接宽度均不小于40 mm。

3.2 屋面保温防水

屋面防水层和檐口挑出部位尽量减少和避免锚固件的使用，避免出现热桥[2]。本项目屋面为木结构瓦屋面，模拟了屋面内保温有无下返，下返不同高度时的热桥系数。由于层高的限制，不能无限制地下返，控制下返保温板下沿能在吊顶位置以上。将屋面传热系数定为0.16时，挤塑板（XPS板）厚度为200 mm，如果考虑防火要求，使用玻璃棉替代挤塑板，厚度为250 mm。分别模拟了使用挤塑板和玻璃棉时屋檐部位的热桥，由表1可见，使用玻璃棉时屋檐部位的热桥系数比挤塑板略小一些。

表1 屋面节点不同构造热桥模拟

在超低能耗建筑中为了保证屋面的保温效果，屋面需加设防水层与隔气层，防止水气进入保温层造成保温效果的衰减。

3.3 外窗

外窗的传递热损失是指室内外经过窗户传递的热量中对室内热舒适度产生消极影响的那部分热量。例如，冬天室内的热量流经窗户传递到室外，这部分传递出去的热量就需要供暖进行补充。在夏季，室外的热量流经窗户传递到室内，这部分由室外传递进来的多余热量就需要由制冷系统排出室外[3]。

建筑外窗的安装方式一般有3种：在洞口中装，外平齐，外挂式。为了减少热桥值，新建超低能耗建筑大多采用外挂方式安装被动窗，窗户洞口四周设计为混凝土结构，而既有居住建筑节能改造的对象多为老旧建筑，旧窗户通常居中安装在洞口墙体上；洞口左右侧为混凝土结构的很少[4]。

外挂式安装窗户的年传递热损失最小，中装无附框的传热损失最大，内嵌外平齐次之。本项目外墙为空心砖结构，如果要外挂安装，需要在窗户四周增加抱框柱，提高外墙承载力，无疑增加了施工成本。因此，从安全性及施工便捷角度出发，需要根据能耗及热桥情况合理选择被动窗的安装方式。利用Flixo软件对3种安装方式的节点热桥值进行了模拟。见表2。

表2 外窗安装方式热桥模拟

根据热桥系数计算通过窗户的年传递热损失，外平齐加附框热损失比外挂式增加2.5%；墙体中间部位安装加附框比外挂式增加24.9%。在既有建筑改造中外平齐加附框的安装方式也是一种很好的选择。

3.4 外遮阳

既有建筑改造时加装活动遮阳设施，可以取得良好的热舒适性和节能效果。可调节外遮阳能在不需要太阳光和热时，将其挡在室外，而在需要太阳光和热时，让它进入室内[5]。在夏热冬冷地区要充分考虑建筑外遮阳，在此探讨了各朝向外遮阳对夏季制冷需求和负荷的影响。见表3通过计算南、北、东、西4个朝向的单位面积遮阳对夏季制冷需求和负荷的影响得出，单位面积上东西向的遮阳效果比南北向遮阳效果更好。

表3 外遮阳设置对夏季制冷的影响

在其他配置不变的情况下至少要两个朝向的遮阳才能满足PHPP要求。4个朝向全部遮阳效果更好。但是采光的需求，以及成本的考虑，4个方向全部设置外遮阳不太现实，屋面-外窗（玻璃）-外墙面构成的围护结构体系作为一个整体加以综合考虑，墙体可增设反射隔热涂料层、增设立体绿化层；采用屋面绿化；外窗玻璃采用玻璃贴膜或涂膜等措施。这些技术措施均较为成熟、可操作性强，成本回收期相对较短，具有较为良好技术经济效果，是夏热冬暖地区既有建筑可以广泛使用的节能改造技术措施。

4 满足PHPP既有建筑改造要求的外围护设计

如表4所示，利用PHPP模拟计算了外墙保温、屋面保温和地面保温的厚度，窗户U值以及遮阳的设置，由模拟结果可以得到满足PHPP要求的夏热冬冷地区居住建筑围护结构的配置：外墙传热系数要大于0.16，屋面传热系数大于0.20，地面传热系数0.68，外窗U值采用1.0，以及东和南或者西和南至少两向设置外遮阳的组合才能满足。比《江苏省超低能耗居住建筑技术导则（试行）》中的要求（外墙传热系数≤0.40，屋面传热系数≤0.30，地面传热系数≤0.8）要严格得多。