武汉既有居住建筑外窗改造的技术经济分析

胡贵华李玉云蒋修英

1武汉科技大学城市建设学院

2中南建筑设计院股份有限公司

武汉既有居住建筑外窗改造的技术经济分析

胡贵华1李玉云1蒋修英2

1武汉科技大学城市建设学院

2中南建筑设计院股份有限公司

为了解决武汉市既有居住建筑外窗节能改造过程中存在的技术经济性难题，通过现场勘测与市场调研，采用DeST-h能耗模拟软件对遴选的可实施的既有建筑节能改造方案能耗模拟，分析了外窗改造的节能潜力，并根据市场造价，讨论了可实施的外窗改造方案的经济性及社会效益。综合节能标准、改造效果与方案经济性进行分析比选，得到了适用于武汉市居住建筑外窗节能改造的优选方案。

既有居住建筑 外窗改造 节能潜力 静态投资回收期

0 引言

《关于做好既有居住建筑节能改造工作的通知》鄂建墙[2012]8号中明确提到：我省在推进既有居住建筑节能改造过程中应坚持以窗改为主，适当综合的基本原则，即以门窗节能改造为主，鼓励同步实施遮阳改造；具备条件的，可实施屋面保温改造、外墙外保温或综合性改造方式。相关研究数据表明：窗户是围护结构的薄弱部分[1]，通过玻璃、窗框传热引起的损失约占建筑围护结构能耗的35%，是外墙能耗的两倍多[2]，故外窗的节能改造对居住建筑节能起到了至关重要的作用。

为了讨论武汉市既有居住建筑节能改造过程中存在的技术、经济性难题，通过咨询外窗等企业以及现场测试、调研，采用DeST-h软件，选择一栋典型上世纪80年代既有住宅建筑模型进行能耗模拟，分析外窗改造的节能潜力。本文将从节能效率、经济效益及社会效益三方面对建筑外窗节能改造方案展开探讨。

1 武汉既有居住建筑模型

1.1 住宅模型基本信息

选取的模拟对象为一栋武汉某小区住宅楼，户型为2室1厅2卫，每层共6户。该建筑共9层，第一层为架空层，层高3m，2～9层为居住部分，层高2.9m。建筑朝向为南偏西22°，体形系数0.31，东、西向窗墙比为0.017，南向为0.33，北向为0.20；总建筑面积8104m2，其中空调采暖面积4311.48m2。图1为该栋建筑的平面图。

图1 建筑模型标准层平面图

1.2 住宅模型参数设置

住宅围护结构基本参数[3]如表1所示。从表中参数可知，该建筑围护结构的热工性能较差，均达不到相关节能标准的基本要求。

表1 典型20世纪80年代武汉住宅围护结构参数

2 外窗节能改造分析

外窗对建筑能耗的影响有：1）外窗的传热系数大小对建筑夏季空调和冬季供暖室内外温差传热的影响；2）窗户受太阳辐射影响而造成建筑室内得热；3）空气渗透，夏季和冬季室外空气过多的向室内渗漏，导致建筑的空调采暖能耗增大[4]。因此，武汉建筑外窗的节能改造应包括外窗气密性、传热系数以及遮阳系数改造三个方面。

2.1 外窗气密性改造

2.1.1 外窗气密性改造节能措施

外窗气密性改造一是使外窗隔音性能增强，二是减少渗透，渗透包括空气与雨水等[5]。已有的节能改造措施：1）对保存较好的已有建筑外窗，可通过增加密封条的方法来提高现有门窗气密性；2）建筑换窗改造在选择窗型时，尽量按固定窗、平开窗、推拉窗的顺序选取，以达到减少建筑的空气渗透的目的；3）在玻璃与窗框或者窗框与窗洞等连接部位处改进密封方法。第一种方法简单、价廉、寿命短；第二、第三种方法易导致外墙与外窗接合处的密封性能变差，渗透增大，而且影响居民的正常生活。根据武汉既有居住建筑的勘察评估，上述三种方法都不适宜武汉既有居住建筑改造。

2.1.2 外窗气密性改造节能潜力分析

换气次数对建筑能耗影响模拟结果见表2。由表中数据可知，当换气次数从1.6次/h降到节能标准的1.0次/h时，建筑全年能耗降低13.79%，其中夏季制冷能耗减少了0.43%，冬季供暖能耗降低24.98%，可见外窗的气密性改造对建筑冬季供暖的节能效果极其显著。

表2 换气次数对建筑能耗影响

2.2 外窗传热系数模拟分析

模拟方案：采用单一变量控制法，即在其他参数保持不变的情况下，仅改变外窗的传热系数，可得到不同传热系数改造对建筑全年的空调采暖能耗影响。以原建筑模型外窗传热系数k=6.6W/(m2·K)、综合遮阳系数为0.74模拟得到的能耗为比较基准。

外窗传热系数对建筑能耗影响模拟结果见图2。对图中数据可知道：当外窗传热系数由4.7W/(m2·K)降到2.2W/(m2·K)时，建筑全年节能率变化为5.59%～11.52%，其中，随着传热系数的减小，夏季空调节能率从4.99%变化到3.61%，冬季供暖节能率则由6.25%逐渐增加到20.29%。可见，武汉既有居住建筑外窗传热系数改造对冬季供暖需要较大的住户具有十分可观的节能改造价值。

图2 外窗传热系数对建筑能耗影响

从图2中曲线变化趋势可知：随着外窗传热系数的降低，供暖季的节能率不断提高，但建筑制冷季的节能率则不断降低，当外窗传热系数降到3.0W/(m2·K)时，节能率为9.63%。再随着传热系数的减小，节能率变化趋于平稳，即节能改造效果愈发不显著。

利用IBM SPSS软件对摸拟数据进行曲线拟合分析，主要分析外窗传热系数与建筑总节能率之间的函数关系，得到各回归模型及参数估计值见表3（自变量为外窗传热系数，W/(m2·K)；因变量为总节能率，%）。拟合曲线如图3所示。对表3分析可知：表中R值表示拟合度，其意义就是各类回归曲线与样本点的拟合程度，R数值越大，表明拟合程度越好；Sig表示模型显著性：Sig值＜0.05表示利用样本代表总体的可信度达到95%，是统计学意义的边界线；0.05＞Sig＞0.01则被认为具有统计学意义；本次拟合数据Sig值为0，则表明该模型函数具有显著的统计意义。

表3 模型汇总和参数估计值

图3 外窗传热系数与建筑节能率拟合曲线

由以上分析可得，二次方程的拟合曲线参数R2=1.00，Sig=0，故其拟合的结果最为理想，拟合曲线方程为：

式中：Y为节能率，%；K为外窗传热系数，W/(m·2K)。

2.3 外窗遮阳系数模拟分析

外窗遮阳模拟方案：仅改变外窗遮阳系数对建筑进行能耗模拟，探讨遮阳系数改变对建筑能耗的影响。模拟结果见图4。分析图中数据可知，当外窗遮阳系数SC由0.7降到0.2时，建筑全年的节能率变化为0.57%～7.01%，其中，建筑夏季空调节能率变化为2.30%～31.67%，冬季供暖节能率-0.88%～-13.64%。可见外窗遮阳系数的改造对建筑冬、夏能耗的影响效果是截然相反的，但对夏季制冷能耗的影响程度明显大于冬季供暖能耗。

图4 综合遮阳系数对建筑能耗的影响

遮阳改造时，如对外窗采取活动外遮阳措施，当综合遮阳系数由0.7降到0.2时，建筑全年的节能率变化为1.05%～14.43%，相比固定外遮阳或玻璃贴膜，节能率约提高2倍，节能效果更加显著。因此，在外遮阳改造时，如果能兼顾建筑冬夏两季对阳光的不同需求，降低遮阳系数对供暖能耗影响的负作用[6]，采用活动遮阳的改造形式，节能改造效果更佳。

由IBM SPSS软件对遮阳系数与建筑节能率数据进行分析，导出的拟合函数曲线见图5。可得线性方程的拟合函数：拟合度参数R2=1.00，显著性参数Sig=0，其拟合结果最为理想，故拟合方程为

式中：Y为建筑节能率，%；SC为综合遮阳系数。

图5 综合遮阳系数与建筑节能率拟合曲线

2.4 外窗改造方案分析

武汉地区既有居住建筑进行外窗节能改造的重点是单层塑钢窗和单腔铝合金、单层玻璃窗。由于外窗的类型较多，改造时应根据现场的实际情况，相应地采取最经济、有效的节能改造措施。依据不同现场条件，具体的外窗节能改造措施详见表4。

在节能改造方案的选择时，不能仅以方案的节能效果作为唯一的评判标准，应当综合节能效果与改造方案经济性两方面因素，选择出投入产出比最高的节能方案[7]。故本文引入改造的静态投资回收期T[8]。

式中：M为节能改造年效益，元，节能量计算时，改造前后COP恒定，夏季按2.3，冬季按1.9取值，电价取武汉居民平均用电费0.6元/kWh；K为节能改造的总成本，元；T为节能改造的静态投资回收期，年。

表4 外窗传热系数节能改造方案及适用范围

静态投资回收期虽然没有考虑资金的时间价值，但在一定程度上反映了投资效果的优劣，经济意义明确、直观，计算简便。静态投资回收期T值越小，节能改造的投入产出比就越高，即节能改造效果越好。

外窗的节能改造是一项包括建筑外窗气密性、传热系数及遮阳系数的综合性节能改造。该建筑模型外窗总面积为845m2，表5给出了14种不同改造方案的热工性能、节能效果及改造的静态回收期。节能改造后外窗的换气次数按节能标准的1.0次/h取值。从表5可知，外窗节能改造对建筑能耗影响十分显著，节能率可达20.46%～36.10%，有内置百叶窗的节能效果最好。其中，节能效果最佳的是改造方案4；节能率最小的是方案13，节能率为20.46%。考虑改造方案的静态投资回收期，则方案1的静态投资回收期最短，仅T=5.54年，建筑节能率为23.42%，为节能改造优选方案之一；方案8改造的经济效益最差，静态回收期最长，达T=16.51年。从表5还可知，对建筑南向外窗，仅方案4能满足节能65%的标准[9]；对建筑北向外窗改造，方案1～6、11、12均能满足节能65%要求；对建筑东、西外窗改造，方案3、4能满足节能65%要求，而方案1、2、5、6、11、12传热系数能满足标准要求，但其综合遮阳系数均大于0.5，大于标准限值，如对其外窗改造的同时，再适当的采取固定式或活动式外遮阳措施，方案也能达到65%的节能标准。

表5 外窗改造节能量及经济性分析

3 节能改造环境效益分析

外窗节能改造减排量分析见表6。从表中数据可知，通过采取方案1、方案4、方案13的外窗改造方案，该建筑每年可减排二氧化碳15.02～24.94t，二氧化硫0.12～0.20t，粉尘0.09～0.20t。可见，既有居住建筑外窗的节能改造具有可观的环境效益，对武汉市节能减排工作的开展有着良好的促进作用。

表6 减排量分析表

4 结论

1）外窗气密性对住宅冬季供暖能耗的影响大于夏季，当换气次数从1.6次/h降到1.0次/h时，建筑全年节能率13.79%。

2）随着外窗传热系数的减小，供暖季节能率不断地提高，制冷季节能率则不断降低，当传热系数由4.7W/(m2·K)降到2.2W/(m2·K)时，建筑全年节能率从5.59%增加到11.52%，当传热系数K=3.0W/(m2·K)时，对应的建筑节能率为9.63%，是节能改造的拐点值，但外窗传热系数K=3.0W/(m2·K)时，建筑的南向外窗不满足武汉市城市圈低能耗居住建筑设计标准的传热系数限值要求。

3）外窗节能改造对建筑能耗影响显著，节能率可达20.46%～36.10%%，外窗改造方案4节能效果最显著，节能率高达36.10%，其静态投资回收期为12.43年；节能率最小的是方案13，节能率为20.46%，其静态投资回收期为12.38年；改造方案1的静态投资回收期最短，仅5.54年，其建筑节能率为23.42%，为节能改造优选方案之一。

4）外窗遮阳系数SC由0.7降到0.2时，建筑全年的节能率变化为0.57%～7.01%，其中夏季空调节能率变化为 2.30%～31.67%，冬季供暖节能率-0.88%～-13.64%，减小外窗遮阳系数的改造对建筑冬、夏能耗的影响效果是截然相反的，但对夏季制冷能耗的影响程度明显大于冬季供暖能耗。兼顾建筑冬夏两季对阳光的不同需求，即采用活动遮阳的改造形式，节能改造效果更佳。活动遮阳包括：内置百叶中空玻璃窗、铝色单层铝片百叶活动卷帘等,当建筑外窗东、西向SC为0.5，南向SC=0.35时，该案例建筑节能率为8.68%，节能改造能满足65%节能标准要求。

[1]谢海荣,陈友明,莫志娇,等.单层窗户玻璃贴太阳控制膜的节能性研究[J].暖通空调,2007,37(7):129-132

[2]闫成文,姚健,周燕.夏热冬冷地区外窗传热系数对建筑能耗的影响[J].重庆建筑大学学报,2008,30(6):120-123

[3]王晓梅,林忠平.夏热冬冷地区新农村住宅用能调查及能耗模拟[J].建筑热能通风空调,2011,30(2):48-51

[4]谢丽.既有建筑节能改造技术经济分析[D].南昌:华东交通大学,2010

[5]任静,李江宏,赵莹.北京市既有建筑外窗改造节能效果分析[J].建筑技术,2011,42(10):877-879

[6]于靖华,田利伟,杨昌智.夏热冬冷地区住宅围护结构能耗的灵敏度分析[J].建筑热能通风空调,2012,31(3):41-45

[7]王永祥,谢丽.南昌既有建筑节能改造技术经济分析[J].华东交通大学学报,2010,27(5):17-21

[8]公共建筑节能改造技术规范(JGJ176-2009)[S].北京:中国建筑出版社,2009

[9]武汉城市圈低能耗居住建筑设计标准(DB42/T 559-2009)[S].武汉:武汉出版社,2009

Ana lys is of the Exte rna l Window Re trofitting for Te c hnology a nd Ec onom y in Wuha n’s Re s ide ntia l Buildings

HU Gui-hua1,LI Yu-yun1,JIANG Xiu-ying2
1 College of Urban Construction,Wuhan University of Science and Technology
2 Central-South Architectural Design Institute Co.,Ltd.

To solve the technical and economic problems that emerge in building exterior window retrofitting of existing residential building in Wuhan,through the field survey and market research,the energy consumption of practical existing buildings is calculated using the DeST-h energy consumption simulation software before and after energy conservation transformation.Analyze the energy saving potential of exterior window transformation,the economy and social benefit of multiple solutions on the grounds of the market cost is discussed.Finally,taking energy-saving standards,energy conservation efficiency and economy into consideration,the optimal scheme of exterior window retrofitting for residential buildings in Wuhan is obtained.

existing residential buildings,exterior window transformation,energy saving potential,static payback period on investment

1003-0344（2015）01-086-5

2013-10-8

胡贵华（1988～），男，硕士研究生；武汉市洪山区雄楚大街199号武汉科技大学（430070）；E-mail:huguihua0426@163.com