江蘇鎮(zhèn)江地區(qū)圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能改造對居住建筑能耗的影響

焦 琥，朱華德，盧 鎮(zhèn)，貢 達(dá)（江蘇鎮(zhèn)江建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000）

江蘇鎮(zhèn)江地區(qū)圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能改造對居住建筑能耗的影響

Contribution of Building Envelop Renovation to Residential Building Energy Consumption

焦 琥，朱華德，盧 鎮(zhèn)，貢 達(dá)（江蘇鎮(zhèn)江建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000）

以鎮(zhèn)江地區(qū)典型老舊小區(qū)6層建筑為模型，利用清華斯維爾節(jié)能設(shè)計軟件(BECS)計算單獨(dú)采用外墻、外窗、屋頂以及綜合采用節(jié)能措施后的能耗。在此基礎(chǔ)上研究鎮(zhèn)江地區(qū)常用圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能改造技術(shù)對居住建筑能耗的影響。這為既有居住建筑的節(jié)能改造設(shè)計提供參考。

既有居住建筑；圍護(hù)結(jié)構(gòu)；節(jié)能改造；能耗

夏熱冬冷地區(qū)既有居住建筑普遍缺乏節(jié)能措施，室內(nèi)舒適性較差[1]。近年來，隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，鎮(zhèn)江地區(qū)居民越來越多的采取措施解決住宅夏冬季的室內(nèi)熱環(huán)境問題，住宅空調(diào)和采暖需求逐年上升。既有居住建筑節(jié)能改造不僅能夠降低供暖空調(diào)能耗，而且可以改善人居環(huán)境，已經(jīng)成為鎮(zhèn)江地區(qū)政府部門節(jié)能減排的一大利器[2]。

建筑的“節(jié)能增效”包含“節(jié)能”、“增效”兩層含義[3]，“節(jié)能”主要從設(shè)計角度減少用能總量，即采用以被動式圍護(hù)結(jié)構(gòu)技術(shù)最大限度地創(chuàng)造冬暖夏涼的室內(nèi)環(huán)境，減少機(jī)電設(shè)備使用時間?！霸鲂А奔匆圆捎酶咝Ч?jié)能設(shè)備和技術(shù)達(dá)到節(jié)能效果。一般而言，居住建筑對用能設(shè)備的使用較少，且由居民自行決定。圍護(hù)結(jié)構(gòu)可以由居民、物業(yè)或政府統(tǒng)一進(jìn)行，因此圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能改造是相關(guān)部門研究的重點(diǎn)。目前我市既有居住建筑面積 4 092.82 萬 m2，其中建于 20世紀(jì) 90 年代左右的老舊住宅小區(qū)面積 884.54 萬 m2，這些建筑的圍護(hù)機(jī)構(gòu)保溫隔熱性能普遍較差。老舊住宅小區(qū)的墻體主要以 240 mm 黏土磚為主，屋面主要以平屋面為主。住宅基本無保溫隔熱性能，頂層住戶熱環(huán)境極差，居民飽受夏熱煎熬。外窗主要以單玻普通鋁合金窗和鋼窗為主，少量的是木質(zhì)外窗，很少考慮節(jié)能要求，窗墻比大都超過30%，均未考慮外遮陽形式，熱工性能極差[4-6]。

綜上所述，鎮(zhèn)江地區(qū)既有居住建筑的節(jié)能改造勢在必行，開展既有居住建筑改造的圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能技術(shù)研究顯得非常必要。為此本文以鎮(zhèn)江地區(qū)典型老舊小區(qū) 6 層建筑為模型，利用 BECS 節(jié)能設(shè)計軟件，計算單獨(dú)采用外墻、外窗、屋頂以及綜合采用節(jié)能措施后的能耗，研究和分析我市常用圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能改造技術(shù)對居住建筑能耗的影響，為既有居住建筑的節(jié)能改造設(shè)計提供參考。

1 物理模型

本文的物理模型為鎮(zhèn)江地區(qū)典型老舊小區(qū)的 6 層住宅樓，建筑面積為 4 349.67 m2，建筑高度為 17 m，體形系數(shù)為 0.32。該住宅功能包括臥室、客廳、廚房、樓梯間、衛(wèi)生間等，標(biāo)準(zhǔn)層分布如圖 1 所示。

鎮(zhèn)江地區(qū)典型老舊小區(qū)的 6 層住宅樓圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式以多層磚混結(jié)構(gòu)為主。墻體主要以 240 mm 黏土磚(普通砂漿砌筑+普通砂漿抹面+普通涂料)為主，傳熱系數(shù)為 1.74 W/(m2·K)，墻體出現(xiàn)粉刷層脫落、開裂的現(xiàn)象嚴(yán)重。屋面主要是以平屋面為主，結(jié)構(gòu)形式為混凝土現(xiàn)澆屋面+防水層+找平層(保護(hù)層)+預(yù)制隔熱板，傳熱系數(shù)為 1.5 W/(m2·K)。外窗主要以單玻普通鋁合金窗和鋼窗為主，傳熱系數(shù)為 6.4 W/(m2·K)，遮陽系數(shù)為 0.70，窗墻比大都超過 30%。

圖1 鎮(zhèn)江地區(qū)典型老舊小區(qū)6層住宅樓標(biāo)準(zhǔn)層分布

2 計算模型

本文利用 BECS 進(jìn)行能耗的動態(tài)模擬計算與分析。BECS 是一套運(yùn)行在 AutoCAD 平臺上的建筑節(jié)能設(shè)計軟件，用于居住建筑和公共建筑的節(jié)能審查和能耗評估。動態(tài)分析模塊采用具有自主產(chǎn)權(quán)的清華大學(xué) DEST 計算核心，可以對建筑物進(jìn)行全年 8 760 h 的能耗模擬，并提供詳細(xì)的中間結(jié)果便于節(jié)能的優(yōu)化、調(diào)整，對于居住建筑還可以進(jìn)行真實(shí)的能耗模擬，從而可以進(jìn)行戶型能耗標(biāo)定。圖 2 為軟件建立的計算模型圖。

圖2 鎮(zhèn)江地區(qū)典型老舊小區(qū)6層住宅樓計算模型圖

3 鎮(zhèn)江地區(qū)常用圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能改造技術(shù)

老舊小區(qū)圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造前后的熱工性能見表 1。

表1 鎮(zhèn)江地區(qū)老舊住宅小區(qū)圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能改造前后的熱工性能

3.1 外墻改造

圍護(hù)結(jié)構(gòu)墻體保溫技術(shù)的發(fā)展對建筑節(jié)能至關(guān)重要。其最根本的就是保溫體系的開發(fā)和保溫材料的選用[4]。從改造應(yīng)少擾民的角度考慮，我市對既有住宅小區(qū)改造的外墻保溫隔熱設(shè)計一般為外墻外保溫技術(shù)。市場上推廣的保溫技術(shù)系統(tǒng)較多，常用的保溫材料如擠塑聚苯板 (XPS)、模塑聚苯板(EPS)、發(fā)泡水泥板以及無機(jī)保溫砂漿。近年來，鎮(zhèn)江地區(qū)三茅宮、江濱新村等小區(qū)項(xiàng)目越來越多使用保溫膩?zhàn)?反射隔熱涂料的改造方式，反射隔熱涂料能對 200 nm～2 500 nm范圍的太陽紅外線和紫外線進(jìn)行高反射，有效阻斷熱能傳導(dǎo)。本文也選擇以我市老舊小區(qū)改造應(yīng)用較多的保溫膩?zhàn)?反射隔熱涂料的外墻改造做法進(jìn)行模擬計算。

3.2 屋面改造

屋面是接受陽光照射的主要界面，其保溫隔熱構(gòu)造是住宅節(jié)能的重要措施。在鎮(zhèn)江地區(qū) 20 世紀(jì)八九十年代的老舊小區(qū)多為平屋面，屋面僅設(shè)置瀝青防水層，不設(shè)置保溫層，夏季屋面收到太陽輻射非常強(qiáng)烈，頂層住戶的室內(nèi)熱環(huán)境差，空調(diào)能耗較高。一般來說，我市屋面改造常采用平屋面加保溫系統(tǒng)或平屋面改坡屋面的方式。同時為了更加注重綠色環(huán)保，屋面平改坡結(jié)構(gòu)形式已經(jīng)由輕鋼龍骨調(diào)整為輕型木桁架。這樣既減輕了建筑的荷載，又降低了改造成本。本文也以老舊小區(qū)改造應(yīng)用較多的輕型木桁架平改坡方式進(jìn)行模擬計算。

3.3 外窗改造

外窗的傳熱耗熱量和空氣滲透耗熱量占整個圍護(hù)結(jié)構(gòu)耗熱量的 50%，因此外窗是影響熱環(huán)境和能耗最重要的因素[5]。對既有建筑進(jìn)行外窗節(jié)能改造也是最具操作性和經(jīng)濟(jì)性的改造方式。提高窗的保溫性能和靈活控制遮陽是夏季隔熱、冬季保溫，降低空調(diào)采暖負(fù)荷的重要措施[6]。根據(jù)調(diào)研，鎮(zhèn)江地區(qū)的外窗節(jié)能改造根據(jù)用戶要求和原窗戶質(zhì)量的不同主要分為更換玻璃和整窗拆換兩種方式。本文選用 5+12A+5 的中空玻璃塑鋼窗替換原有的鋁合金單玻窗，5+12A+5 中空玻璃窗的傳熱系數(shù) 2.8 W/(m2·K)，遮陽系數(shù) 0.65 進(jìn)行模擬計算。

4 模型結(jié)果分析

表2 給出了圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能改造前后模擬計算的全年采暖空調(diào)能耗。從表 2 中可以看出，在外墻增設(shè)保溫膩?zhàn)?隔熱涂料的保溫隔熱，屋頂使用輕型木桁架結(jié)構(gòu)的平屋頂改坡屋頂、鋁合金單玻外窗更換為 5+12A+5 中空玻璃塑鋼窗后，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能顯著提高。圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能的改良顯著提高了夏季隔熱及冬季保溫性能，降低了全年采暖空調(diào)能耗量，幾種節(jié)能改造措施節(jié)能效果均較明顯。改造前圍護(hù)結(jié)構(gòu)全年采暖空調(diào)能耗為 37.77 kWh/m2，經(jīng)過單一屋頂改造、外墻改造、外窗改造措施后全年采暖空調(diào)能耗分別為 35.01 kWh/m2，33.26 kWh/m2，31.11 kWh/m2。全年采暖空調(diào)能耗大幅度降低，降低幅度分別為 7.31%、11.94%、17.63%。同時，經(jīng)過綜合節(jié)能改造后圍護(hù)結(jié)構(gòu)全年采暖空調(diào)能耗為 22.49 kWh/m2，改造后住宅的能耗比改造前減少約 40.46%。

表2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能改造前后多層住宅建筑的全年采暖空調(diào)能耗

從表 2 中還可以看出，更換中空玻璃窗后，全年采暖空調(diào)能耗下降 17.63%，能耗降低幅度大于外墻的 11.94%以及屋頂改造的 7.31%，節(jié)能效果優(yōu)于外墻和屋頂改造。因此，在鎮(zhèn)江地區(qū)圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能改造技術(shù)中，僅改變外窗傳熱系數(shù)對能耗影響顯著大于外墻和屋頂，在鎮(zhèn)江地區(qū)常用的圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能改造措施中，宜優(yōu)先選用外窗節(jié)能改造。

表3 給出了圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能改造前后模擬計算的冬季采暖和夏季空調(diào)能耗。從表 3 中可以看出，無論是冬季采暖還是夏季空調(diào)，在經(jīng)過圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能改造后，住宅能耗量均大幅降低。改造前圍護(hù)結(jié)構(gòu)全年采暖和空調(diào)能耗分別為27.68 kWh/m2和 10.09 kWh/m2，經(jīng)過單一屋頂改造、外墻改造、外窗改造及綜合節(jié)能改造措施后全年冬季采暖能耗分別為 25.85 kWh/m2，24.04 kWh/m2，21.86 kWh/m2及 14.82 kWh/m2，降低幅度分別為 6.61%，13.15%，21.03% 及 46.46%。全年夏季空調(diào)能耗分別為 9.16 kWh/m2，9.22 kWh/m2，9.25 kWh/m2及 7.66 kWh/m2，降低幅度分別為 9.22%，8.62%，8.33% 及 24.08%。

表3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能改造前后多層住宅建筑的冬季采暖和夏季空調(diào)能耗

同時，進(jìn)行單一窗戶節(jié)能改造后，圍護(hù)結(jié)構(gòu)冬季采暖能耗比夏季空調(diào)能耗下降比例多 12.7%。究其原因，在夏熱冬冷地區(qū)降低外門窗的傳熱系數(shù)僅在冬季有明顯的節(jié)能效果，夏季效果不明顯；通過提升外門窗的遮陽效果，可顯著降低夏季空調(diào)能耗。本文設(shè)計的外中空玻璃外窗計算模型中，改造前和改造后的外窗傳熱系數(shù)分別為 6.4 W/(m2·K)和 2.8 W/(m2·K)，遮陽系數(shù)分別為 0.70 W/(m2·K)和0.65 W/(m2·K)，傳熱系數(shù)和遮陽系數(shù)分別降低 56.2% 和7.1%。外窗的遮陽系數(shù)稍有降低，這樣降低了太陽輻射得熱，有利于夏季的隔熱，對冬季的取暖有一定影響。但是因?yàn)楦脑旌笸獯暗膫鳠嵯禂?shù)的降低幅度相較遮陽系數(shù)的降低幅度較大，即傳熱系數(shù)對住宅冬季采暖能耗的影響遠(yuǎn)大于遮陽系數(shù)對住宅夏季空調(diào)能耗的影響。

5 結(jié) 語

(1) 在外墻增設(shè)保溫膩?zhàn)?隔熱涂料的保溫隔熱，屋頂使用輕型木桁架結(jié)構(gòu)的平屋頂改坡屋頂、鋁合金單玻外窗更換為 5+12A+5 中空玻璃塑鋼窗后，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能顯著提高，圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能的改良顯著提高了夏季隔熱及冬季保溫性能，降低了全年采暖空調(diào)能耗量。

(2) 僅改變外窗傳熱系數(shù)對能耗影響顯著大于外墻和屋頂，在鎮(zhèn)江地區(qū)常用的圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能改造措施中，宜優(yōu)先選用外窗節(jié)能改造。

(3) 科學(xué)合理的外門窗保溫隔熱的節(jié)能改造技術(shù)路徑為通過降低外窗的傳熱系數(shù)來降低冬季采暖能耗，通過降低外窗的遮陽系數(shù)來降低夏季空調(diào)能耗。

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2016-12-25

焦琥，現(xiàn)供職于江蘇鎮(zhèn)江建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司，主要研究方向?yàn)榫G色建筑咨詢。作者通信地址：江蘇省鎮(zhèn)江市正東路街道酒海街19號308室，郵編：212000。