基于“双碳”目标的老旧小区建筑节能改造技术应用

摘要：基于“双碳”目标的背景，以河南省郑州市某老旧小区为例，探讨建筑节能改造技术的应用。通过系统的外墙、外窗、屋顶改造，以及海绵化改造，建筑的节能效果显著提升。研究结果表明，改造后老旧小区建筑采暖负荷从改造前的93.52 kW/m2 降至33.98kW/m2，制冷负荷从改造前的7.97 kW/m2 降至5.10 kW/m2，总能耗减少50% 左右；改造后老旧小区建筑外墙传热系数从改造前的2.95W/m²·K 降至0.42 W/m²·K，屋顶传热系数从改造前的6.62 W/m²·K 降至0.30 W/m²·K，外窗传热系数从改造前的5.78 W/m²·K 降至2.82 W/m²·K。同时，通过应用光伏发电系统，不仅减少了对传统电网的依赖，还显著降低了碳排放。因此，改造方案不仅有效提高了老旧小区建筑的能效，还为老旧小区节能改造提供了重要参考。

关键词：“双碳”目标；老旧小区；建筑节能改造

近年来，全球气候变化的日益加剧使得各国纷纷制定应对措施，力求减缓温室气体的排放并实现可持续发展。我国作为全球最大的碳排放国之一，提出了“到2030 年实现碳达峰、2060 年实现碳中和”的“双碳”目标[1]，对各行业碳排放提出了严峻挑战。建筑能耗是我国能源消耗和碳排放的主要来源之一，约占全国总能耗的40% 以上，因此建筑领域因其高能耗和高碳排放特性成为节能减排重点关注的领域之一。老旧小区建筑由于建造时间较早，技术标准落后，普遍存在墙体、屋顶、门窗保温性能差与能效低下等问题，成为建筑领域节能改造的重点目标[2]。尤其是在冬夏两季，老旧小区的建筑能耗高峰明显，供暖和制冷系统效率低下，造成了巨大的能源浪费和碳排放[3]。因此，在“双碳”目标下，如何有效推动老旧小区建筑的节能改造，减少建筑运行过程中产生的碳排放，成为建筑领域亟待解决的问题。

1 老旧小区概况

河南省郑州市某老旧小区（下称“案例老旧小区”），建成于1995 年，共由20 栋楼组成，采用砖混结构，建筑总面积为58974 m2。由于在建设时采用的建筑标准较低，未能充分考虑节能和环保需求，导致案例老旧小区建筑围护结构的保温性能较差。具体而言，案例老旧小区的外墙、窗户、屋顶在设计与施工时并未采用现代节能材料，致使建筑热工性能较低，冬季和夏季的室内外温差尤其大，热损失显著，不仅增加了采暖和制冷的能耗，还大幅提升了居民的能源费用开支，导致居民生活质量下降。加之，供暖设备老旧，管道保温效果差，且供暖系统的调控能力不足，不能根据外界温度的变化进行有效调节，进一步加剧了能源浪费，使得案例老旧小区供暖系统的能源利用率较低，而且夏季制冷依赖传统的空调系统，能源消耗高且效率不佳。另外，建筑的年久失修也是导致案例老旧小区建筑能耗高的一个重要原因，随着建筑使用年限的增长，外墙保温层逐渐老化，窗户密封性下降，屋顶隔热性能减弱，建筑整体能效水平不断下降。因此，进行建筑节能改造，提升能源利用效率，成为案例老旧小区实现建筑节能减排目标的关键步骤。

2 建筑节能改造方案设计

2.1 外墙节能改造

2.1.1 改造思路

案例老旧小区建筑外墙由于年代久远，外墙表面已出现大块脱落，使得外墙保温效果不佳，从而导致冬季热量损失严重、夏季冷量流失较多，因此为了有效提高建筑的热工性能并减少能耗，必须对小区建筑外墙进行节能改造。基于“双碳”目标，通过使用新型保温材料并设计保温隔热系统，对外墙进行保温隔热加固，有效提升建筑的保温隔热效果。

2.1.2 增设外墙保温隔热系统

增设由粘结层、保温层、连接层、增强防护层、饰面层5 个功能层组成的外墙保温隔热系统，且每个功能层都具有特定功能，采用粘贴和机械锚栓辅助固定相结合的方式对每个功能层进行固定，既确保了系统的稳固性，又能有效地延长系统使用寿命。为确保整体的隔热效果和稳定性，粘结层主要作用是将整个保温隔热系统牢固地粘贴在建筑外墙上，使用具有良好粘结性能的胶黏剂，确保保温层与外墙之间的有效结合；保温层是整个系统的核心部分，主要负责隔热保温，选用自重轻、保温性能优异、材料性质稳定、不易受潮和变形的挤塑聚苯板（XPS）作为保温材料，可大幅度地减少热量的传导；连接层主要作用是加强保温系统与墙体的粘结性，保证保温层不脱落，采用锚栓为主要固定材料，通过物理加固方式进一步提高系统的稳定性；增强防护层采用石膏粉刷，并铺设耐碱网布，其主要功能是防止保温系统发生裂缝，起加固作用；饰面层主要起到了美观的功能，同时具备防水、防火的性能，主要采用外墙涂料，有效阻挡雨水渗透，减少火灾风险，保护整个保温系统免受自然环境的侵害。

2.2 外窗节能改造

2.2.1 改造思路

外窗是建筑围护结构中热量流失的关键部位之一，案例老旧小区建筑由于使用的是导热性较强的单层玻璃窗，导致室内外温度交换频繁，供暖和制冷的能耗增加。因此，外窗节能改造是案例老旧小区建筑提升能源利用效率的有效途径之一。该改造思路是对案例老旧小区建筑的外窗玻璃进行更换，选用节能窗型，并调整窗框比，显著降低窗户的热传导率，提高建筑的节能效果。

2.2.2 将外窗玻璃更换为中空玻璃窗

通过采用将外窗更换为2 层或3 层中空玻璃窗的节能改造方案，并结合低辐射玻璃（Low-E）技术，显著降低案例老旧小区建筑外窗的热传导率，提高建筑的节能效果。一是，将案例老旧小区建筑外窗的单层白色及彩色玻璃更换为Low-E 中空玻璃，使传热系数K 从改造前的4.0 W/m2·K 降至2.5 W/m2·K，遮阳系数SC 从改造前的0.75～0.85降至0.35～0.45。二是，将推拉窗更换为上悬窗或开平窗，有效减小空气的渗透。三是，将在0.25～0.34 之间的窗框比，调整为较合理的0.18～0.28 之间，在满足采光需求下，有效降低热量流失。

2.3 屋顶节能改造

2.3.1 应用倒置式屋顶保温隔热技术

2.3.1.1 改造思路

屋顶作为建筑结构中直接暴露于外界的部分，其热传导和辐射性能对建筑整体能耗有重要影响。案例老旧小区建筑屋顶保温性能较差，导致顶层住户在夏季面临严峻的热舒适性问题，增加了建筑的空调制冷负荷。为解决这一问题，并提高屋顶的能源效率，主要采用倒置式屋顶保温隔热技术，结合绿色种植屋顶，有效降低屋顶的热量损失，提升案例老旧小区建筑的节能效果。

2.3.1.2 在屋顶防水层之上增加保温隔热层

倒置式屋顶保温隔热技术是在屋顶防水层之上增加保温隔热层，使保温材料置于防水层的外部。这种结构设计，能够减少因温度变化导致的防水层老化，提高屋顶系统的耐久性；同时，保温层的存在可以有效阻隔热量通过屋顶传导，减少夏季热量进入室内的速度，提升建筑的热稳定性。屋顶采用倒置式保温隔热节能改造结构如图1 所示，保温层设在防水层与隔离层之间，采用硬泡聚氨酯板材料，具有保温和防水功能；保护层为厚度25 m 水泥砂浆凝固后的表面层。结合绿色种植技术，在保护层上面种植绿色植物，利用植物的蒸腾作用，以及土壤和植物层对屋顶进行自然隔热，进一步降低屋顶表面的温度。此外，种植屋顶作为绿色基础设施的一部分，还能够改善小区的微气候，以及增加城市绿化面积，减少城市热岛效应。

2.3.2 利用光伏发电技术

2.3.2.1 改造思路

随着“双碳”目标的提出，可再生能源的广泛应用成为实现建筑节能与减排的重要手段。光伏发电技术作为一种成熟的可再生能源技术，能够为建筑提供清洁、稳定的电力来源，特别适用案例老旧小区的节能改造。在建筑屋顶铺设太阳能光伏板，充分利用太阳能发电，从而减少建筑用能对传统电网的依赖，进一步降低建筑的碳排放。

2.3.2.2 在屋顶上铺设光伏组件

在案例老旧小区建筑屋顶铺设光伏组件，利用太阳能光伏发电系统将太阳能直接转化为电能供建筑使用。光伏发电系统可与建筑电网并网运行，将多余的电能回输到公共电网，或采用储能系统将电能储存以备不时之需。此外，在建筑屋顶面积充足或光照充足的季节，太阳能光伏发电系统还能为整个小区提供部分或全部的电力需求。

2.4 海绵化改造

2.4.1 改造思路

案例老旧小区建筑中及楼宇间铺设的排水管网设计口径小且老化严重，排水标准较低，导致小区极易发生内涝；同时，小区楼宇间道路下垫面硬质化严重，景观绿地空间不足，雨水调蓄设施缺乏，重排轻蓄，造成了水资源浪费。因此，可将海绵城市建设思路与案例老旧小区建筑节能改造相结合，采用下沉式绿地技术来进行改造[4]。

2.4.2 建设下沉式绿地

将下沉式绿地技术融入案例老旧小区建筑节能改造之中，利用地形的高差承接和储存建筑屋顶集结下排与落入楼宇间道路上的雨水，同时增加景观和物种多样性，提升小区水资源利用效率。下沉式绿地的下凹深度为100～200 mm，设置顶部标高高于绿地50～100 mm的溢流口，改造造价约40 元/m2。

3 节能改造前后的效果分析

3.1 节能效果显著

以Open Studio 软件Energy Plus 为计算引擎，采用Sketch Up 建模，对案例老旧小区建筑节能改造后的节能情况进行模拟研究。结果表明，改造后案例老旧小区建筑的采暖负荷从改造前的93.52 kW/m2 降至33.98 kW/m2；制冷负荷从改造前的7.97 kW/m2 降至5.10 kW/m2；总负荷从改造前的115.69 kW/m2 降至53.28 kW/m2。同时，改造后的建筑外墙传热系数从改造前的2.95 W/m2·K 降至0.42 W/m2·K；外窗传热系数从改造前的5.78 W/m2·K 降至2.82 W/m2·K；屋顶传热系数从改造前的6.62 W/m2·K 降至0.30 W/m2·K。

3.2 二氧化碳排放量降低

在“双碳”目标的指导下，建筑的二氧化碳排放量也是节能改造效果的重要评估指标。通过引入光伏发电技术提高能源利用效率和减少能耗，改造后的案例老旧小区建筑碳排放量可减少50% 左右。特别是太阳能光伏发电系统的应用，使得案例老旧小区建筑可通过使用自发绿电量满足自身能源需求，减少了对传统电网的依赖，从而显著降低了二氧化碳的排放量。

3.3 环境与社会经济效益明显

节能改造后的案例老旧小区建筑在节约能源的同时，也减少了二氧化碳和颗粒物等空气污染物的排放，对城市空气质量改善具有促进作用；同时，节能改造后的案例老旧小区建筑热舒适性与居住条件显著提升，可让居民享受到更加健康、舒适的生活环境。因此，案例老旧小区建筑节能改造后的环境效益显著。

除此之外，虽然在节能改造初期，新型保温材料、光伏发电系统和智能化能源管理系统的采购和安装费用，使得案例老旧小区建筑节能改造投资较大。但改造后，每年节省下来的可观的能源费用，使得案例老旧小区在5～10 a内就能收回建筑节能改造投资成本。同时，伴随建筑能耗的显著下降，居民的能源支出也相应减少。因此，案例老旧小区建筑节能改造的社会经济效益明显。

4 结束语

综上所述，通过应用建筑节能改造技术，改造后案例老旧小区的建筑能耗可降低50%左右，建筑的碳排放量显著减少，采暖和制冷系统的能效大幅提升，居民生活质量明显改善。此外，光伏发电技术和智慧能源管理系统的应用，进一步增强了案例老旧小区建筑的节能效果，未来可在不同气候条件下进一步探索新材料和新技术的应用，以推动更多地区的老旧小区建筑节能改造，助力“双碳”目标早日实现。

参考文献

[1] 李洪一，张鹏程，张亚东.“双碳”背景下的老旧小区建筑节能施工改造技术[J].建设科技，2024（14）：75-77.

[2] 栾志超，唐华，林明志，等.节能理念下的老旧小区建筑改造方案设计及效果分析[J].工程建设与设计，2023（24）：7-9.

[3] 杨东东.基于绿色理念的老旧小区建筑节能改造适宜技术研究[J].环境科学与管理，2023，48（2）：28-32.

[4] 姜灿坤，仓玉洁，罗智星.老旧小区建筑节能改造措施适用性研究——以西安市某小区为例[J].城市建筑，2020，17（22）：168-170.

作者简介

曹正华（1982—），男，汉族，山西原平人，高级工程师，大学本科，研究方向为建筑工程施工。

加工编辑：冯为为

收稿日期：2024-10-08