柏树大厦围护结构改造的节能效果分析

胡艺萌，聂 悦（上海市建筑科学研究院有限公司， 上海 201108）

为应对全球性的气候变化， 2018 年制定的《巴黎协定》揭示了全球绿色低碳转型的主要方向，督促各国必须促进环保事业快速发展。中国承诺将采取更加有力的措施，二氧化碳排放量力争于 2030 年前达到峰值，努力争取 2060年前实现碳中和目标。导致气候变化的人为因素一般被分为工业、交通及建筑 3 大领域。经专家预测，工业与交通行业的碳排放有减缓趋势，而建筑业的碳排放比例将达到 50%左右。在建筑全生命周期内，建材和施工阶段的碳排放量仅占总能耗的 15% 左右，而建筑能耗对建筑碳排放的影响更大[1-2]。因此，大力推动建筑节能事业有助于早日实现建筑行业的碳减排目标。

相比国家强制性规范要求的新建建筑，既有建筑才是需要被重点关注的高耗能建筑。此类既有建筑由于建成时间及使用年限均较长，导致围护结构皆有不同程度的损坏，有保温隔热性能差且供暖、制冷系统效率低下的特点[3]。为解决造成建筑能耗总量过大的现状，既有建筑的节能改造工作刻不容缓。

1 研究目的及意义

本研究针对围护结构对建筑节能效果的影响，以既有建筑柏树大厦为例，分析典型运行模式下的建筑围护结构（包括外墙、外窗、屋面）热工参数对探究建筑负荷及能耗的影响，并探究不同参数对建筑节能的影响程度，以助于帮助设计师在改造方案阶段进行建筑性能化设计，利于提高既有建筑改造的节能效益。

2 既有建筑围护结构节能改造现状

2.1 国外研究现状

欧美国家对外围护机构的保温隔热性能较为重视，于较早时期便提出了相关的理论及试验研究成果。关于外墙保温技术，有突尼斯的学者计算了 30 a 的建筑全生命周期，考虑不同保温层厚度对应的节能效果和投资回收期，研究得出墙体朝向对保温层最佳厚度影响最小的结论[4]。安装于不同位置的同一保温材料的传热效果也被研究证实有较大的区别[5]。Karin 等[6]的研究成果证明了为有效减少空调制冷能耗，在增加保温层厚度以提升围护结构性能的同时，还需要关注建筑内热源及太阳得热的影响。在具体的围护结构改造方面，外墙、屋顶及外窗的节能技术改造都是重点之一。目前欧美国家普遍采用有机保温板及岩棉材料作为外墙保温材料，对既有建筑的外墙保温方式改造一般分为外墙内保温改造和外保温改造；对于屋顶保温材料常采用轻质泡沫板，或者采用坡屋顶、双层屋顶及屋面绿化等节能构造及技术方式，提升既有建筑的屋面保温隔热特性[7]。我国对于外窗的传热系数要求正在不断加强，然而相比德国 2002 年规定的窗户传热系数值为1.7 W/（m2·K），至 2010 年要求加强为不超过 1.0 W/（m2·K），可见国外的外窗要求还是较为严格，我国的门窗节能潜力仍有较大空间[8]。

2.2 国内研究现状

我国也在不断完善建筑围护结构节能改造的相关标准与政策，并使用能耗模拟软件分析建筑节能效果。有学者[9]指出了因地制宜对于既有建筑节能改造的重要性，专家应根据地区的实际情况，评估适宜且有效的节能改造技术，建立特定的评价标准体系。研究[10]显示，对某公共建筑进行能耗模拟分析后，外墙的保温层厚度需要综合考虑建筑的节能需求及围护结构材料的经济性。潘冬梅等[11]引入了冷热负荷加权比、增益比及全年累计冷热总负荷变化率 3 个指标，研究建筑朝向及保温层厚度对建筑节能效果的影响。有关夏热冬暖气候区的办公建筑能耗特性研究表明，玻璃幕墙是办公建筑节能改造的重点，Low-E 玻璃相比镀膜玻璃和普通玻璃有更明显的节能效果[12]。

3 柏树大厦案例分析

本研究以柏树大厦改造项目为例，分析建筑围护结构改造前后的负荷与能耗结果变化。

3.1 建筑基础概况

位于上海市虹口区大柏树商圈中心的柏树大厦，原建筑于 1992 年竣工，已投入使用 25 a。该建筑临近轨道交通3 号线大柏树站；北至中山北一路，南靠岳阳医院，东临沪办大厦，西贴明道大厦。大厦总建筑面积为 49 666 m2，建筑容积率为 3.42。建筑总体情况：A 区主楼为办公区域，地上 30 层、半地下 1 层，单层面积约为 1 170 m2，标准层层高 3.1 m；B 区副楼为展览会议功能，地上 10 层、半地下 1层，单层面积约 1 120 m2，3～8 F 层高 4.2 m，9～10 F 层高 3.5 m；C 区裙楼为门厅、配套功能及机房，地上 2 层，半地下 1 层，层高 5.0 m。

通过对柏树大厦的改造设计整理得到改造前后的建筑围护结构设计。

（1）改造前。裙房外立面采取湿贴红棕色大理石，两座塔楼外立面原铺贴墙面砖，后因部分面砖脱落而增加防护网并加涂白色外墙涂料，外窗均选用铝合金窗框加单片玻璃的设计，塔楼 A 的 21～30 F 部分及楼梯间外侧的外墙，采用隐框玻璃幕墙。因投入使用多年，目前裙房部分石材表面出现泛碱及水渍明显，塔楼部分原白色涂料水渍及各种污渍痕迹严重，同时一部分开启扇难以正常使用。

（2）改造方案。改造方案计划提高柏树大厦的整体外立面形象，改造其裙楼及塔楼的外墙、塔楼外窗部分及玻璃幕墙，其中原有的玻璃幕墙部分加固，不改变原有玻璃幕墙面板，仅增横向窗框加固。

3.2 模拟参数设置

通过问询、实地调研和资料收集的方法，整理得到柏树大厦改造前、后的围护结构设计基本信息，包括围护结构的具体做法及热工参数，如表1 所示。建模所需的建筑相关参数及时刻表均参照国家标准GB 50189－2015《公共建筑节能设计标准》取值, 并采用 IES-VE 2014 软件进行建筑负荷模拟。

表1 围护结构设计参数信息

3.3 模拟结果分析

（1）改造前后负荷分析。柏树大厦项目改造前后围护负荷结果对比如图1 所示。由图1 可知，分析可得围护结构改造后，围护结构负荷累计降低幅度为 67.7%。改造前后围护结构传热对比结果如图2 所示。由图2 可知，改造后围护结构性能提升，围护结构传热量减少 49.4%。改造前后外窗太阳辐射得热量对比结果如图3 所示。由图3 可知，改造后因为遮阳系数降低，太阳辐射得热量减少 35.2%。

图1 改造前后围护结构负荷对比结果

图2 改造前后围护结构传热对比结果

图3 改造前后外窗太阳辐射得热量对比结果

柏树大厦改造前后的冷负荷占比结果如图4 所示。由图4 可见围护结构负荷占总制冷负荷比例由改造前的 45% 降低为改造后的 33%，且太阳辐射得热部分仍在总负荷中占比最大，改造后仍占总负荷的 25%。

图4 改造前后冷负荷比例对比结果

（2）改造前后耗电量分析。根据收集到的设计图纸及业主反馈的改造信息，得到柏树大厦改造前后的冷热源及空调系统变化如表2 所示。建模时主要考虑冷源的改造影响，建筑主要热源及空调系统沿用原设计方案。改造前后的建筑耗电量如图5 所示。由图5 分析可得改造前柏树大厦年采暖电耗为 60.4 kWh/m2，年制冷电耗为 27.7 kWh/m2；改造后年采暖电耗为 27.5 kWh/m2，年制冷电耗为 15.3 kWh/m2。因此，改造后年供暖空调通风耗电量降低 51%，其中围护结构改造贡献 41%。

表2 改造前后冷热源及空调系统信息

图5 改造前后采暖、制冷耗电量对比结果

4 结 语

本研究基于既有建筑因耗能过大亟须节能改造的现状。以柏树大厦围护结构改造项目为案例，探究建筑围护结构热工参数对建筑冷、热负荷的影响。分析得到柏树大厦的冷热负荷中占比最大的为外窗传热，在改造过程中外窗作为围护结构保温的薄弱点，应该给予重点关注。同时，围护结构性能优化对建筑采暖、供冷的影响程度差别明显，其中采暖负荷的变化大于制冷负荷的变化。另一方面，研究结果显示该案例改造后采暖及空调能耗的减少有近一半的贡献率均来源于围护结构的性能提升。因此，针对既有建筑改造的节能效果分析，需要首先明确围护结构性能提升是非常重要且有效的改造方向，并结合既有建筑的维护结构现状，选择适宜的节能改造方案，以助于提升既有建筑的总体节能效益。