既有建筑能效提升途径探讨

刘凤娟 西安建筑科大工程技术有限公司检测员，工程师

孙 婷 西安建筑科大工程技术有限公司检测员，工程师

关键字：能效提升；节能改造；建筑能耗

我国既有建筑数量庞大，其中90%以上的既有居住建筑能耗较高，未能达到建筑节能规范的要求，且居住的舒适性较低[1]。为实现可持续发展，改善建筑能耗过高、能源利用率较低的现状，需要对寒冷地区的既有老旧建筑进行节能诊断，并依据诊断结果进行节能改造。

1 建筑概况

此次选取西安市一节能改造小区中的1#居民住宅楼为例，结合目前较为常见的节能改造施工方法进行分析，确定改造的可行性及最优性。该建筑为7 层砖混结构（无地下室）的居住建筑，建筑总高度为21.15 m，建筑面积为4 339.32 m2，建筑体积为11 071.89 m3，所属气候分区为寒冷B 区。建筑窗墙比分别为南向0.34、北向0.30、西向0.07、东向0.07，依据能耗静态分析可得改造前的建筑物耗热量指标粗略估算为35.68 W/m2。对于4 ～8层的居民建筑，西安市的建筑耗热量指标为13.6 W/m2。由此可见，此栋建筑为高能耗建筑，具有很大的节能改造空间。

2 建筑能耗的提升途径

建筑能耗从狭义角度分析，是指在保持自身功能及使用过程中所消耗的能量，包含照明、采暖、电器等，其中采暖和制冷占据60%以上的消耗。潘嘉凝等人指出在实际实施中，通过被动措施（改善围护结构）和主动措施（改善内部暖通空调系统）均能提高建筑的能耗利用率，且被动技术的初期投入较少，节能效益提升高[2]。王德晔等人在对寒冷地区一农村住宅进行建模分析后提出，通过提升围护结构的热工性能，同时改造房间的构造，即可达到降低能耗的目的[3]。叶凯威等人以石家庄市的多层住宅建筑为研究对象，通过测试和分析得出，非透明围护结构（砖墙）相对透明围护结构（外窗）的热稳定性较好，有利于减少冬季能耗，而透明围护结构（外窗）的透光性却可以增加太阳辐射，在冬天改善光源和室温[4]。因此，针对现有居住建筑情况，目前主要的提升途径包括外墙热工性能优化、屋面保温措施改进、外门窗性能优化等。

2.1 外墙改造方法

外围护结构中外墙的占比最大，传热能耗约占建筑物总耗热量的23%～34%。常见的既有建筑外墙为砖墙及普通混凝土墙，大部分外墙无保温措施，室内热环境无法满足要求，且供暖能耗相对较高。徐春桃等人通过研究外墙采用内保温和外保温两种方式，得出外保温形式不仅能更好地减少建筑能耗，还能防止墙体产生裂缝，从而延长建筑的寿命[5]。目前，常用的节能改造做法就是在原有外墙外增加保温材料。常用的保温材料包括XPS 保温板、EPS 保温板、聚氨酯硬质保温材料、真空绝热板及岩棉矿物棉等。此栋建筑改造前的外墙构造为：7 mm 厚水泥砂浆，240 mm 厚黏土多孔砖，20 mm 厚水泥砂浆，外墙平均传热系数为1.69W/（m2·K）。此次改造采用外贴保温板法，原外墙处理后，刷涂5 mm 厚粘结砂浆，粘贴EPS 保温板，再刷涂5 mm厚抹面砂浆，并压入耐碱网格布，并用锚栓进行锚固，最外层刷涂外墙涂料即可。通过粘结不同厚度的EPS 保温板，建筑耗热量指标如表1 所示。

表1 外墙改造效果

2.2 屋面改造方法

屋面的传热能耗占建筑物总耗热量的11%～16%，对于平屋面，通常采用倒置式保温构造；对于无保温构造的坡屋面，可使用保温吊顶，在屋面下方进行保温吊顶。李妍杰通过对河南省农房改造中的各种屋面、各种保温材料（EPS、XPS、PUR、泡沫混凝土）进行模拟仿真，得出使用平屋面形式的效果最好，保温材料厚度在60 ～120 mm 时，节能效果最明显[6]。此栋建筑改造前的外墙构造为：20 mm 厚水泥砂浆，120 mm 钢筋混凝土，30 mm 厚水泥焦渣找坡层，25 mm 厚水泥砂浆，4 mm 厚SBS 卷材防水，屋面平均传热系数为2.90 W/（m2·K）。此次改造采用在原屋面进行处理后，粘贴XPS 保温板，再刷涂20 mm 厚水泥砂浆即可。通过粘结不同厚度的XPS 保温板，屋面改造效果如表2 所示。

表2 屋面改造效果

2.3 外窗改造方法

建筑围护结构中，外窗性能对建筑能耗和室内热环境有着至关重要的影响，外窗的能耗主要包含窗框材料导致的温差传热、玻璃传热以及外窗缝隙造成的渗透传热。我国的窗框材质从最初的木窗框、铝合金、断桥铝合金金属窗框、PVC 塑料窗，到现在常用的塑钢、铝塑共挤复合材料，以及正在普及的玻璃钢窗框，整体性能都在不断提升。外窗玻璃的品种也从最开始的普通透明玻璃到节能玻璃，再到中空玻璃、真空玻璃不断优化。各种密封胶条、密封垫、弹性密封膏在阻止空气渗透的同时，能够降低外窗传热系数。

张苏东系统分析了各种外窗的原材，并实地调研青岛市既有居住建筑的外窗情况，以太阳能得热系数SHGC 和传热系数K 为主要研究参数，通过仿真计算，提出针对不同窗墙比和不同热工性能围护结构的既有居住建筑进行外窗节能改造的策略[7]。金国辉等人通过对内蒙古自治区某一住宅建筑进行能耗模拟分析，发现适当减小北向窗墙比，有利于控制室内热量散失；适当增大南向窗户尺寸，有助于减少房屋采暖耗热量[8]。崔俊奎等人采用CO2示踪气体法对典型房间进行气密性诊断，按测试的CO2浓度衰减数据计算换气次数，诊断出外窗的气密性差而引起的换气次数较高，导致能耗较高[9]。彭琛等人分析了建筑气密性对供暖能耗的影响，得出气密性越高，供暖能耗越低[10]。为提高外窗的气密性能，岳丽芳等人推荐在寒冷地区应优先采用平开窗，同时在窗扇和窗框之间加装密封胶条，可以有效地减少空气对流换热[11]。依据《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》（JGJ 26—2018）的规定，外窗及敞开式阳台的气密性能不应低于6 级。因此，在改造实施中，可以选择气密性能不低于6 级、热工性能符合本地要求的外窗更换原有旧窗。此次建筑改造前的外窗均为铝合金单玻窗，热工性能远远不能满足现有节能标准的要求，需要对外窗进行更换。表3 列出了更换不同外窗后对建筑整体耗热量指标的影响。

表3 外窗改造效果

3 模拟分析结果

通过归纳前人研究的理论方法可以看出，采用外墙外贴保温板、屋顶敷设保温材料、更换外窗材质，均能大幅度提高建筑物能耗指标。对1#楼进行改造的方法为：外墙外贴55 mm厚EPS 保温板，屋面施加65 mm 厚XPS 保温板，并将建筑的外窗更换为Low-E 中空玻璃塑钢窗（6+12Ar+6），根据建筑耗热量指标计算结果，改造前1#住宅楼的建筑物能耗指标为35.68 W/m2，节能改造后建筑物的能耗指标为9.09 W/m2，节能改造后的建筑物能耗指标降低幅度为74.5%，即建筑清洁能源采暖节能改造能效提升水平为74.5%，符合相关要求，因此可以在寒冷地区大力推行节能改造工程。