黃帥帥 李 炎 崔景東 韓福成
寒冷地區(qū)某既有辦公建筑圍護結構優(yōu)化改造研究
黃帥帥 李 炎 崔景東 韓福成
(蘭州交通大學環(huán)境與市政工程學院 蘭州 730070)
既有公共建筑能耗中,圍護結構節(jié)能潛力巨大。以蘭州某既有辦公建筑為例,采用DeST-C軟件模擬圍護結構不同材料厚度、窗型,得出系列負荷,通過對數(shù)據(jù)分析、比較,得出如下結論:外墻外保溫適宜材料為50mm的擠塑板,最大熱負荷節(jié)能率為45.66%;屋面適宜保溫材料為65mm的擠塑板,最大熱負荷節(jié)能率為4.25%;外窗各個朝向全部更換玻璃,推薦選用內張膜中空玻璃(雙膜),最大熱負荷節(jié)能率為7.36%;單獨更換南向外窗材料,推薦選用真空鍍膜復合中空玻璃,最大熱負荷節(jié)能率為1.78%。
寒冷地區(qū);既有辦公建筑;圍護結構;節(jié)能改造;DeST-C
隨著社會進步,生活水平提高,建筑能耗巨增,其中公共建筑能耗迅速增加。據(jù)統(tǒng)計,在大型公共建筑中,空調采暖用電能耗約占總建筑能耗的60%左右,其中圍護結構所引起的能耗約占40%~50%左右[1],所以做好圍護結構的節(jié)能非常有必要。我國既有公共建筑占比增加,以及用能需求的增長等因素導致了公共建筑能耗總量的大幅增長,對既有辦公建筑改造迫在眉睫[2]。采用DeST-C軟件,以蘭州某既有辦公建筑為例,模擬圍護結構外墻、屋面及外窗的建筑能耗,計算模擬前后的節(jié)能率,得出蘭州地區(qū)既有辦公建筑節(jié)能改造的相關節(jié)能措施,為蘭州地區(qū)甚至整個寒冷地區(qū)既有辦公建筑圍護結構節(jié)能改造提供一定的思路與參考。
蘭州地處西北內陸,屬于溫帶大陸性氣候,北緯36°03′、東經103°40′,建筑熱工設計分區(qū)為寒冷A區(qū),應當滿足冬季保溫要求,部分地區(qū)兼顧夏季防熱。最熱月平均溫度為22.45℃,最冷月平均溫度為-5.53℃,年平均溫度為10.3℃,空調室外計算干球溫度為19.1℃。蘭州地區(qū)氣候干燥,春夏界限不分明,夏季短促,氣溫高,秋季降溫快,冬季寒冷漫長,每年供暖季節(jié)時間為11月1日至次年3月31日[3]。
本次模擬的公共建筑是蘭州市某棟辦公建筑,建于1994年,2005年對圍護結構進行改造。該建筑為鋼筋混凝土結構,總建筑面積7153m2,地上十二層,局部十三層,主要為辦公室、會議室;地下一層,為單位食堂、倉庫等;建筑主體高度45.0m,建筑綜合窗墻比0.27[4],各個朝向窗墻比見表1,體形系數(shù)0.306,為二類高層公共建筑。該辦公建筑各部分圍護結構構造、尺寸及傳熱系數(shù)見表2。
表1 各個朝向窗墻面積比
表2 圍護結構具體構造、尺寸及傳熱系數(shù)
按現(xiàn)行《公共建筑節(jié)能設計標準》GB 50189-2015要求,寒冷地區(qū)甲類公共建筑體形系數(shù)為0.306時,圍護結構熱工性能限值見表3[8]。
表3 圍護結構熱工性能限值
表2與表3比較后表明:既有辦公建筑外圍護結構的外墻、屋面、外窗的傳熱系數(shù)均超過目前現(xiàn)行公共建筑節(jié)能標準限值,對既有辦公建筑的外墻、屋面、外窗進行節(jié)能改造。
蘭州地區(qū)氣象參數(shù)采用DeST軟件中提供的氣象參數(shù)數(shù)據(jù)庫,內外圍護結構材料和實測建筑物相同,見表2。模型參數(shù)設置包括地點設置、內外圍護結構參數(shù)設置、房間類型設置、室內熱擾、空調溫度上下限值和通風參數(shù)等[5],如表4和表5所示。
表4 不同類型房間室內空調參數(shù)
表5 不同類型房間室內熱擾參數(shù)
既有建筑外墻的節(jié)能改造主要有外墻外保溫和外墻內保溫兩種方式。內保溫較易產生熱橋,增大墻體熱損失,造成局部墻體內表面溫度降低,存在結露現(xiàn)象,同時內保溫還會占用室內使用面積,影響用戶生活。外保溫改善室內熱環(huán)境,有效阻斷外墻混凝土梁、構造柱的熱橋,提高外墻保溫的有效性和整體性,防止外墻內表面冬季出現(xiàn)結露,明顯提高外墻內表面的溫度,室內溫度穩(wěn)定性較 好[3]。所以,對于既有建筑節(jié)能改造選用外墻外保溫方式較多。
外墻外保溫具體改造方法是刮去外墻的飾面層,在建筑外墻上貼附保溫材料,從而起到阻隔室內外熱量交換的作用[7]。采用外墻外保溫方式,保持屋頂及外窗等外圍護結構不變,改變保溫材料種類和厚度,計算不同材料、不同厚度的建筑能耗,得出適宜于外墻節(jié)能改造的保溫材料及厚度。
既有辦公建筑建筑外墻材料為:水泥砂漿(20mm)+聚苯乙烯泡沫塑料(50mm)+重砂漿黏土(240mm)+石灰砂漿(20mm),外墻平均傳熱系數(shù)為0.5942W/(m2·K),要求限值為≤0.45W/(m2·K),需要對外墻進行節(jié)能改造。
圖1 不同材料、不同保溫層厚度外墻傳熱系數(shù)
通過調研選取聚苯板(EPS)、擠塑板(XPS)、聚氨酯(PUR)、珍珠巖四種保溫材料模擬建筑的累計冷熱負荷,保溫材料厚度從30到90mm,每隔5mm厚度遞增為一個研究點[4]。添加保溫層后,不同材料、不同保溫層厚度的外墻傳熱系數(shù)見圖1。
對圖1數(shù)據(jù)分析可知:
(1)達到外墻傳熱系數(shù)限值,聚苯板厚度需80mm,擠塑板厚度需50mm,聚氨酯厚度需65mm,珍珠巖厚度需95mm;
(2)在相同厚度條件下,4種保溫材料的傳熱系數(shù)由小到大是:擠塑板(XPS)<聚氨酯(PUR)<聚苯板(EPS)<珍珠巖;
(3)聚苯板的厚度由30mm增加至80mm時,傳熱系數(shù)下降0.85%/mm,由80mm增加至90mm,傳熱系數(shù)下降0.4%/mm;擠塑板的厚度由30mm增加至50mm時,傳熱系數(shù)下降1.01%,由50mm增加至90mm時,傳熱系數(shù)下降0.43%/mm;聚氨酯的厚度由30mm增加至65mm時,傳熱系數(shù)下降0.92%/mm,由65mm增加至90mm時,傳熱系數(shù)下降0.41%/mm。由此可見,四種保溫材料的傳熱系數(shù)隨著保溫層厚度的增加都呈現(xiàn)出降低的趨勢,且降低的變化率在逐漸減緩。
由DeST-C計算,四種不同保溫材料、不同厚度情況下,建筑物的全年累計冷熱負荷,計算結果如圖2和圖3所示。
對圖2和圖3數(shù)據(jù)分析可知:
(1)聚苯板的厚度由30mm增加至80mm時,累計熱負荷下降0.32%/mm,由80mm增加至90mm,累計熱負荷下降0.18%/mm;擠塑板的厚度由30mm增加至50mm時,累計熱負荷下降0.42%/mm,由50mm增加至90mm時,累計熱負荷下降0.19%/mm;聚氨酯的厚度由30mm增加至65mm時,累計熱負荷下降0.36%/mm,由65mm增加至90mm時,累計熱負荷下降0.19%/mm;珍珠巖的厚度由30mm增加至60mm時,累計熱負荷下降0.40%/mm,由60mm增加至90mm,累計熱負荷下降0.23%/mm;由此可見,隨著外墻保溫材料厚度的增加,建筑全年累計熱負荷逐漸降低,且降低的變化率逐漸變緩;
(2)聚苯板的厚度由30mm增加至80mm時,累計冷負荷增加0.06%/mm,由80mm增加至90mm,累計冷負荷增加0.03%/mm;擠塑板的厚度由30mm增加至50mm時,累計冷負荷增加0.08%/mm,由50mm增加至90mm時,累計冷負荷增加0.04%/mm;聚氨酯的厚度由30mm增加至65mm時,累計冷負荷增加0.07%/mm,由65mm增加至90mm時,累計冷負荷增加0.03%/mm;珍珠巖的厚度由30mm增加至60mm時,累計冷負荷增加0.08%/mm,由60mm增加至90mm,累計冷負荷增加0.04%/mm;由此可見,建筑全年累計冷負荷逐漸增加,增加的速率也在逐漸變緩。
圖2 不同厚度、外墻材料的建筑累計熱負荷
圖3 不同厚度、外墻材料的建筑累計冷負荷
(3)在相同保溫材料厚度下,4種保溫材料的累計熱負荷由小到大依次為:擠塑板(XPS)<聚氨酯(PUR)<聚苯板(EPS)<珍珠巖;4種保溫材料材料的累計冷負荷從大到小依次為:擠塑板(XPS)>聚氨酯(PUR)>聚苯板(EPS)>珍珠巖。
以外墻不加保溫層為基準,通過計算得出既有辦公建筑的累計冷熱負荷,即不加外墻保溫材料時,累計熱負荷為603027kWh,累計冷負荷為415637.32kWh,由此可以分析、計算出不同保溫材料、保溫層厚度的節(jié)能率,如圖4和圖5所示。
圖4 不同厚度、外墻保溫材料累計熱負荷節(jié)能率
圖5 不同厚度、外墻保溫材料累計冷負荷節(jié)能率
對圖4和圖5數(shù)據(jù)分析可知:
(1)對于累計熱負荷,擠塑板(XPS)、聚氨酯(PUR)、聚苯板(EPS)、珍珠巖四種保溫材料的最大節(jié)能率分別為45.66%、43.96%、42.00%、40.03%;對于累計冷負荷,擠塑板(XPS)、聚氨酯(PUR)、聚苯板(EPS)、珍珠巖四種保溫材料的最大節(jié)能率分別為10.36%、9.85%、9.26%、8.72%。
(2)相同保溫層厚度下,四種保溫材料的節(jié)能比由大到小依次為:擠塑板(XPS)>聚氨酯(PUR)>聚苯板(EPS)>珍珠巖。
既有建筑的屋面節(jié)能改造就是為建筑屋面增設某些構造,以使整個屋面的熱工性能能夠達到國家相關規(guī)范的要求,同時有效地避免屋面構造層內部的冷凝和凍結。屋面保溫效果的優(yōu)劣,對建筑能耗的影響很大。所以,加強屋面的保溫隔熱性能,對于建筑節(jié)能具有很大幫助。
在選擇屋面保溫材料時,一般選擇和外墻保溫相類似的材料。目前,既有建筑屋頂?shù)墓?jié)能改造措施有:保溫平屋面,保溫平屋頂又可以分為正置式屋頂和倒置式屋頂,其中正置式屋頂保溫層處于防水層之下,倒置式屋頂保溫層在防水層之上[3]。本文中的既有建筑的屋面屬于倒置式屋頂,保持外墻及外窗等外圍護結構不變,改變屋面保溫材料種類和厚度,計算不同材料、不同厚度的建筑能耗,得出適宜于屋面節(jié)能改造的保溫材料及厚度。
既有辦公建筑建筑屋頂材料為:水泥砂漿(20mm)+聚苯乙烯泡沫塑料(80mm)+油毛氈(5mm)+鋼筋混凝土(200mm)+水泥砂漿(20mm),倒置式屋面,屋面平均傳熱系數(shù)為0.448W/(m2·K),要求限值為≤0.40W/(m2·K),需要對屋面進行節(jié)能改造。
通過調研選取聚苯板(EPS)、擠塑板(XPS)、聚氨酯(PUR)三種保溫材料模擬建筑的累計冷熱負荷,保溫材料厚度從30到100mm,每隔5mm厚度遞增為一個研究點[5],添加保溫層后,不同材料、不同保溫層厚度的屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)如圖6所示。
圖6 不同材料、不同保溫層厚度屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)
對圖6數(shù)據(jù)分析可知:
(1)達到屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)限值,聚苯板厚度需100mm,擠塑板厚度需65mm,聚氨酯厚度需80mm;
(2)相同厚度的情況下,3種保溫材料的傳熱系數(shù)由小到大為:擠塑板(XPS)<聚氨酯(PUR)<聚苯板(EPS);
(3)聚苯板的厚度由30mm增加至65mm時,傳熱系數(shù)下降1.23%/mm,由65mm增加至100mm,傳熱系數(shù)下降0.86%/mm;擠塑板的厚度由30mm增加至65mm時,傳熱系數(shù)下降1.33%/mm,由65mm增加至100mm時,傳熱系數(shù)下降0.91%/mm;聚氨酯的厚度由30mm增加至80mm時,傳熱系數(shù)下降1.08%/mm,由80mm增加至100mm時,傳熱系數(shù)下降0.88%/mm。由此可見,三種保溫材料的傳熱系數(shù)隨著保溫層厚度的增加都呈現(xiàn)出降低的趨勢,且降低的變化率在逐漸減緩。
由DeST-C計算,不同保溫材料、不同厚度情況下,建筑物的全年累計冷熱負荷,計算結果如圖7和圖8所示。
圖7 不同厚度、屋面材料的建筑累計熱負荷
圖8 不同厚度、屋面材料的建筑累計冷負荷
對圖7和圖8數(shù)據(jù)分析可知:
(1)聚苯板的厚度由30mm增加至65mm時,累計熱負荷下降0.02%/mm,由65mm增加至100mm,累計熱負荷下降0.01%/mm;擠塑板的厚度由30mm增加至65mm時,累計熱負荷下降0.02%/mm,由65mm增加至100mm時,累計熱負荷下降0.008%/mm;聚氨酯的厚度由30mm增加至80mm時,累計熱負荷下降0.02%/mm,由80mm增加至100mm時,累計熱負荷下降0.008%/mm;由此可見,隨著外墻保溫材料厚度的增加,建筑全年累計熱負荷逐漸降低,且降低的變化率逐漸變緩;
(2)聚苯板的厚度由30mm增加至65mm時,累計冷負荷增加0.001%/mm,由65mm增加至100mm,累計冷負荷增加0.0006%/mm;擠塑板的厚度由30mm增加至65mm時,累計冷負荷增加0.001%/mm,由65mm增加至100mm時,累計冷負荷增加0.0005%/mm;聚氨酯的厚度由30mm增加至80mm時,累計冷負荷增加0.001%/mm,由80mm增加至100mm時,累計冷負荷增加0.0005%/mm;由此可見,建筑全年累計冷負荷逐漸增加,且增加的趨勢逐漸變緩;
(3)在相同保溫材料厚度下,3種材料屋面的累計熱負荷從小到大依次為:擠塑板(XPS)<聚氨酯(PUR)<聚苯板(EPS);3種材料的累計冷負荷從大到小依次為:擠塑板(XPS)>聚氨酯(PUR)>聚苯板(EPS)。
以屋面不加保溫層為基準,通過計算得出既有辦公建筑的累計冷熱負荷,即不加屋面保溫材料時,累計熱負荷為352846.21kWh,累計冷負荷為457337.65kWh,由此可以分析、計算出不同保溫材料、保溫層厚度的節(jié)能率,如圖9和圖10所示。
圖9 不同厚度、屋面保溫材料累計熱負荷節(jié)能率
圖10 不同厚度、屋面保溫材料累計冷負荷節(jié)能率
對圖9和圖10數(shù)據(jù)分析可知:
(1)由圖可知,隨著保溫層厚度的增加,累計冷熱負荷的節(jié)能率呈現(xiàn)出逐漸增加并趨于平緩的趨勢;
(2)對于累計熱負荷,擠塑板(XPS)、聚氨酯(PUR)、聚苯板(EPS)三種保溫材料的最大節(jié)能率分別為4.25%、4.10%、3.93%;對于累計冷負荷,擠塑板(XPS)、聚氨酯(PUR)、聚苯板(EPS)三種保溫材料的最大節(jié)能率分別為0.19%、0.18%、0.17%;
(3)相同保溫層厚度下,三種保溫材料的節(jié)能比由大到小依次為:擠塑板(XPS)>聚氨酯(PUR)>聚苯板(EPS)。
建筑門窗連接著建筑室內外,作為建筑的外圍護結構之一,窗的能耗在整個建筑能耗中占據(jù)很大比重,據(jù)相關研究表明,外窗造成的熱量損失約占建筑采暖能耗的30%~50%。影響外窗能耗的因素有室內外溫度、建筑朝向、窗墻比、窗型的選擇、玻璃選擇、窗框材料的選擇、遮陽方式選擇、氣密性等,可以通過控制窗墻比、窗的可開啟大小以及內遮陽等方式來減少建筑能耗[7],但是玻璃類型的選擇和窗框材料的選擇對建筑能耗的影響尤為重要,故本文對外窗節(jié)能改造主要以改造鑲嵌材料為主。
既有辦公建筑外窗材料為普通中空玻璃(12mm),外窗平均傳熱系數(shù)為2.9W/(m2·K),各個朝向外窗要求限值見表6。
表6 各個朝向外窗傳熱系數(shù)限值
選取鍍low-e膜中空(低透型)、內張膜中空玻璃(單膜)、真空鍍膜復合中空玻璃、內張膜中空玻璃(雙膜)四種玻璃類型進行建筑負荷模擬計算,各種玻璃參數(shù)見表7。
表7 各種玻璃參數(shù)
計算分兩種情況進行,全部更換外窗材料和單獨更換南向外窗材料,模擬分析結果如圖11和圖12所示。
對圖11和圖12數(shù)據(jù)分析可知:
(1)在既有辦公建筑的基礎上將各個朝向外窗的玻璃全部更換為內張膜中空玻璃(單膜)、內張膜中空玻璃(雙膜)、真空鍍膜復合中空玻璃三種玻璃,根據(jù)模擬的結果來看,三種玻璃的累計冷熱負荷均小于原有辦公建筑的累計冷熱負荷;在既有辦公建筑的基礎上將南向外窗的玻璃全部更換為內張膜中空玻璃(雙膜)、真空鍍膜復合中空玻璃兩種玻璃,根據(jù)模擬的結果來看,兩種玻璃的累計冷熱負荷均小于原有辦公建筑的累計冷熱負荷。
圖11 全部更換外窗材料的建筑累計冷熱負荷
圖12 單獨更換南向外窗材料的建筑累計冷熱負荷
(2)對于累計熱負荷,各個朝向全部更換外窗材料,累計熱負荷由大到小依次為:內張膜中空玻璃(單膜)>真空鍍膜復合中空玻璃>內張膜中空玻璃(雙膜);單獨更換南向外窗材料,累計熱負荷由大到小依次為:內張膜中空玻璃(雙膜)>真空鍍膜復合中空玻璃;
(3)對于累計冷負荷,各個朝向全部更換外窗材料,累計冷負荷由大到小依次為:內張膜中空玻璃(單膜)>內張膜中空玻璃(雙膜)>真空鍍膜復合中空玻璃;單獨更換南向外窗材料,累計冷熱負荷由大到小依次為:內張膜中空玻璃(雙膜)>真空鍍膜復合中空玻璃。
以既有辦公建筑為基礎,計算出的累計冷熱負荷為基準,可以計算出兩種不同情況外窗的節(jié)能率,如圖13和圖14所示。
圖13 全部更換外窗材料累計冷熱負荷節(jié)能率
圖14 單獨更換南向外窗材料的累計冷熱負荷節(jié)能率
對圖13和圖14數(shù)據(jù)分析可知:
(1)全部更換外窗材料,內張膜中空玻璃(單膜)夏季節(jié)能率為3.74%,冬季節(jié)能率為6.18%;內張膜中空玻璃(雙膜)夏季節(jié)能率為7.36%,冬季節(jié)能率為13.82%;真空鍍膜復合中空玻璃夏季節(jié)能率為8.50%,冬季節(jié)能率為8.15%;單獨更換南向外窗材料,內張膜中空玻璃(雙膜)夏季節(jié)能率為1.19%,冬季節(jié)能率為5.10%;真空鍍膜復合中空玻璃夏季節(jié)能率為1.78%,冬季節(jié)能率為6.08%。
僅從節(jié)能方面來考慮,蘭州地區(qū)既要考慮保溫也要兼顧一定的隔熱,所以進行窗戶改造時,推薦選用內張膜中空玻璃(雙膜);單獨更換南向外窗,更為方便、快捷,減少造價和工程量,推薦選用真空鍍膜復合中空玻璃,但是相比較于全部更換各個朝向的外窗材料,節(jié)能率有所降低。
本論文對蘭州地區(qū)既有公共建筑的外墻、屋面、外窗進行節(jié)能技術改造,經系列計算,得到如下結論。
(1)外墻采用外保溫,傳熱系數(shù)限值為≤0.45W/(m2·K),為達此限值,擠塑板厚度需50mm,聚氨酯厚度需65mm,聚苯板厚度需80mm,珍珠巖厚度需95mm;對于累計熱負荷節(jié)能率,四種保溫材料的最大節(jié)能率分別為45.66%、43.96%、42.00%、40.03%;對于累計冷負荷節(jié)能率,四種保溫材料的最大節(jié)能率分別為10.36%、9.85%、9.26%、8.72%。綜合比對,對于蘭州地區(qū),推薦選擇50mm厚度擠塑板(XPS)即可。
(2)屋面進行節(jié)能改造,屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)限值為≤0.40W/(m2·K),為達到此限值,擠塑板厚度需65mm,聚氨酯厚度需80mm,聚苯板厚度需100mm;對于累計熱負荷節(jié)能率,三種保溫材料的最大節(jié)能率分別為4.25%、4.10%、3.93%;對于累計冷負荷節(jié)能率,三種保溫材料的最大節(jié)能率分別為0.19%、0.18%、0.17%;綜合對比,對于蘭州地區(qū),屋面推薦選用65mm厚度擠塑板(XPS)即可。
(3)如果各個朝向的外窗材料全部更換,對于累計熱負荷節(jié)能率,內張膜中空玻璃(單膜)、內張膜中空玻璃(雙膜)、真空鍍膜復合中空玻璃節(jié)能率為3.74%、7.36%、8.50%;對于累計冷負荷節(jié)能率,三種玻璃依次為6.18%、13.82%、8.15%。綜合比對,建議選用內張膜中空玻璃(雙膜)。如果單獨更換南向外窗材料,對于累計熱負荷節(jié)能率,內張膜中空玻璃(雙膜)、真空鍍膜復合中空玻璃節(jié)能率為1.19%、1.78%;對于累計冷負荷節(jié)能率,兩種玻璃依次為5.10%、6.08%;綜合比對,建議選用真空鍍膜復合中空玻璃。
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Research on the Optimization and Transformation of the Envelope of an Existing Office Building in Cold Area
Huang Shuaishuai Li Yan Cui Jingdong Han Fucheng
( School of Environmental and Municipal Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou, 730070 )
Among the energy consumption of existing public buildings, the envelope has great potential for energy conservation. Taking an existing office building in Lanzhou as an example, DeST-C Ssoftware was used to simulate different material thickness and window type of envelope structure to obtain a series of loads. Through data analysis and comparison, the following conclusions were drawn: the suitable material for external insulation of external wall was extruded panel with 50mm, and the maximum energy saving rate of thermal load was 45.66%. Roof suitable insulation material is 65mm extruded board, the maximum heat load energy saving rate is 4.25%; All the faces of the exterior Windows should be replaced with glass. Inner tensioned insulating glass (double membrane) is recommended. The maximum energy saving rate of thermal load is 7.36%. It is recommended to use vacuum coated composite insulating glass. The maximum energy saving rate of thermal load is 1.78%.
Cold areas;Existing office buildings;Envelope structure; Energy saving reconstruction; DeST-C
TU111.19+5
A
1671-6612(2020)02-215-09
黃帥帥(1995.3-),男,碩士,E-mail:1066914899@qq.com
2019-06-17