既有建筑的保温与节能改造

庞朝日 赵静 郭春静 张欣瑜 张梓洁

摘要：既有建筑作为城市建筑总量中重要的组成部分，大多数存在建设时间早、建设量大、建筑能耗高等问题，是建筑节能工作推进的重点。面对这一情况，对既有建筑实行绿色节能改造是当前降低建筑能耗最有效的途径。以燕山大学建筑馆为例，从保温、节能等方面提出改造方向，并进行探讨与思考。

关键词：既有建筑改造； 保温； 节能

中图分类号：TU761.1+2文献标志码：A

0引言

随着近年来碳达峰、碳中和目标的提出以及节能减排等国家政策的推动，既有建筑改造愈发得到关注。我国大部分既有建筑建成时间较早，设计和施工方面缺乏节能措施，整体出现能耗高、安全性差等问题。截止到2021年，我国建筑能耗已占到全国能源消费总量的46.5%，但能源效率目前仅为33%，比发达国家落后20年，能耗强度大大高于发达国家及世界平均水平。

将这些高能耗既有建筑全部拆除重建显然是不可行的，会造成更大的能源与资源的浪费，有悖于可持续发展的理念。因此，充分发挥既有建筑的改造潜力，选择切实有效、合理的技术措施对其进行全面绿色改造十分必要。对既有建筑的绿色改造设计，要求在节能的同时还要减少污染、保护环境，并充分利用自然通风采光，为使用者创造出自然、舒适的空间。因此研究既有建筑的绿色建筑改造刻不容缓。结合国家城市化进程的发展战略，发现既有建筑现存的问题，并对其改造提出切实可行的建议，是本项目的主要目的。

1现状分析

1.1基地分析

燕山大学建筑馆位于河北省秦皇岛市燕山大学东校区，建成于1986年，已投入使用长达36年之久，属于燕山大学第一教学楼建筑群范围。日前，燕山大学第一教学楼建筑群已获批市级历史保护建筑。因此，对其改造时应注意对其原貌的保护。

场地内有着高差为3.9 m的坡地，建筑北侧为3层高的第一教学楼，南侧为羽毛球场，东西两侧为绿地景观，环境良好。建筑主要功能为办公，主体3层，局部4层，高度达12.45 m，建筑基底面积为1 354.2 m2，建筑面积为4 570 m2，建筑体型系数为0.25。

建筑布局成回字形结构，房间沿走廊单面布置，另一面形成内庭院活动场地，建筑西北与东南拐角处布置楼梯，西南与东北拐角处布置卫生间。立面设计上，其建筑风格与第一教学楼保持一致，简洁但富有变化，厚重的外框是其特色。

1.2气候特征

秦皇岛地处寒冷地区，属暖温带半湿润海岸带大陆性季风型气候区，受海洋影响气候温和，冬夏季风明显，具有四季分明、冬季干冷多风、夏季潮湿多云无酷暑、春秋温暖适中的特点。因距蒙古高压中心较近，全年受其控制的风最长，主要风向受季风影响，随季节的变化规律是：每年3月为东风，5月为西风，7月为东南及南风，11月为东北风。总之，夏季多西南风，冬春季多东北风。

通过对秦皇岛市1966—2018年的气候舒适度进行查找资料发现，近53年夏季冬季气候舒适度均呈增暖趋势，冬季增暖幅度大于夏季；热不舒适日数自20世纪90年代开始激增且持续偏多，寒冷不舒适日数呈逐年代减少态势［1］。故秦皇岛地区的建筑必须充分考虑夏季适宜的自然通风要求，冬季需要防寒和保温的要求。

1.3现存问题

基于前期对燕山大学建筑馆的调研和分析，发现建筑馆存在较多问题：光环境方面，在建筑使用过程中，各空间用电需求量较大，建筑回字形的布局方式也造成建筑内部采光需要依靠照明设施长时间开启的情况，造成建筑整体耗电量较大；风环境方面，建筑馆内部的通风方式主要为侧窗通风和内庭院通风，由于四周房间多为私密办公空间，与走廊的界面较为封闭，导致侧窗通风并不能给建筑内部带来良好的风环境，而建筑中央的内庭院玻璃顶为固定的桁架结构，中间封闭，四面开敞，也不利于夏季通风和冬季保温，造成师生工作及活动环境较差；保温性方面，建筑馆外窗前两年已更换为节能窗，但外墙和屋面的保温层未做更新，建筑内部能耗较高，亟需进行节能改造（图1、图2）。

2改造措施

通过对建筑现状改造的可行性分析，提出对建筑馆进行绿色节能改造措施，重点在保温、节能两大方面。

2.1采用太阳能供电系统（节能）

秦皇岛为全国太阳能资源Ⅱ类地区，太阳能资源较丰富，据统计秦皇岛多年平均日照小时数2 850 h，多年平均日照辐射量5 000～5 833 MJ/m2，对于开发太阳能资源，发展光伏发电具有良好的自然条件［2］。

高校办公建筑内的供电和照明系统是重要的能源消耗设备，在进行绿色建筑改造过程中，对其进行节能设计是必然的。对于供电系统而言，可考虑安装太阳能光伏电板。光伏发电系统是利用太阳能发电的一种新能源技术，该系统能够充分将自然能源转化为电能以满足建筑馆的用电需要，既可极大极限提高发电效率，又可降低建筑馆运行成本。

在城市中，光伏系统普遍安装在阳光充沛的建筑屋顶上，不占用额外的地面空间，可以弥补城市用电的缺口，同时达到了节能环保的目的。在本次改造中，拟将太阳能电池板安装在建筑馆的屋顶，充分地利用太阳能，使其有效地转化为电能，在炎熱的夏季还可以有效地遮挡阳光直接暴晒屋顶，为建筑屋顶降温，起到建筑空调降温的作用［3］。这不仅大大降低了屋顶温度和室内温度，还可以延长屋顶防水材料使用寿命，甚至能够间接地减少室内空调的使用频率，进而达到资源的高效利用。

同时也应该注意的是，不同倾斜角与朝向的安装，太阳能电池的发电量将会不同，当光伏组件安装方向为最佳倾斜角时，有利于最大化收集太阳辐射［4］。

建筑馆屋顶面积可达800 m2，光伏板的覆盖面积较大，若屋顶全覆盖光伏发电板，光伏板朝南向安装，倾斜角度为45°，最多可安装296块450 W发电板（2 m×1 m），装机容量可达133.2 kW，日平均发电量399.6 kWh。

2.2采用可控的内庭院玻璃顶（保温、节能）

秦皇岛为温带大陆性气候，冬季寒冷干燥，多风沙天气，为实现建筑馆内庭院的冬季保温及日常遮雨的功能，已有的建筑馆在内庭院顶部设计了玻璃顶，但较封闭的玻璃顶导致建筑馆内庭院通风环境较差，特别在夏季时内庭院闷热，原有空间无法提供师生良好的活动环境，空间使用效果较差。为改善建筑馆内庭院的风环境，同时保留冬季内庭院的保温作用，此次研究将对玻璃顶进行改造，通过对玻璃顶的智能控制实现对内庭院风环境的改善。

改造后的玻璃顶由一个单元重复搭建而成，单元由可变部分与固定部分组成，可变部分通过电控开关实现玻璃板的打开与闭合，而固定部分与水平方向呈一定角度，利于内庭院内外视线的穿透。电控开关可以与相应的气候传感器相连，使玻璃顶能够适应天气变化而进行打开与闭合的变化。冬季时，可变部分闭合，减小内外空气的对流，达到保温的效果；夏季时，可变部分打开，促进内庭院内外空气对流，实现通风降温的效果。在日常状态，可根据天气、温度等因素调节玻璃顶开放角度，达到对建筑馆内庭院环境的改善（图3）。

2.3优化建筑围护结构保温构造（保温、节能）

秦皇岛属于北方寒冷地区，必须满足冬季保温的要求。建筑围护结构热工性能按构件类型可分为三个方面来研究，主要为门窗、外墙、屋面的保温性能研究。建筑系馆的建设时间较早，为钢筋混凝土框架结构，填充墙采用普通机砖，外窗在前两年已更换为65系列三玻两中空平开铝合金保温节能窗，玻璃为5+9A+5+9A+5型，原建筑外墙及屋面未设保温层。计算说明：

外窗传热系数为2.0 W/（m2·K），满足河北省DB13-（J）81-2016《公共建筑节能设计标准》中对寒冷地区体形系数不大于0.30、窗墙面积比不大于0.50的建筑外窗传热系数K≤2.0 W/（m2·K）的标准要求。

原建筑外墙传热系数为2.139 W/（m2·K），不满足河北省DB13（J）81-2016《公共建筑节能设计标准》中对寒冷地区体形系数不大于0.30的建筑外墙传热系数K≤0.50 W/（m2·K）的标准要求。

原建筑屋面传热系数为2.488 W/（m2·K），不满足河北省DB13（J）81-2016《公共建筑节能设计标准》中对寒冷地区体形系数不大于0.30的建筑外墙传热系数K≤0.45 W/（m2·K）的标准要求。

由此看出，新更换的外窗无需改变，而为减少外墙与屋面的传热系数，必须增设外墙与屋面的保温层来提高建筑的保温性能。根据GB 50016-2014（2018年版）《建筑设计防火规范》和河北省DB13（J）81-2016 《公共建筑节能设计标准》，屋面采用B1级70 mm厚挤塑聚苯保温板、外墙采用A级100 mm厚岩棉保温板，外窗保留65系列三玻两中空平开铝合金保温节能窗。计算说明：

屋面70 mm厚挤塑聚苯板保温层热阻为2.12（m2·K）/W，外墙100 mm厚岩棉保温层热阻为1.98（m2·K）/W。根据K=1/R计算得出，屋面传热系数为0.40 W/（m2·K），满足标准要求；外墙平均传热系数为0.34 W/（m2·K），满足标准要求。

对建筑馆围护结构的改造，在不改变现有立面造型情况下，使节能实施过程更加简便，提高了建筑的热工性能，降低了建筑能耗。

3结束语

基于既有建筑节能改造的要求，对燕山大学建筑馆改造前后效果进行对比分析得出：建筑外墙及屋面保温层的更新改造使得建筑节能达到约75%，提高了建筑的热工性能，降低了建筑能耗；屋面安装光伏发电太阳能板达到日节电约399.6 kWh，降低建筑运行成本并达到资源高效利用的目的；内庭院玻璃顶的改造有效地增加室内通风换气次数，极大改善建筑内部通风环境。

本次对燕山大学建筑馆的改造，在满足建筑基本功能需求的同时，一方面改善了建筑馆的人居环境，提高了使用者的舒适性，让建筑设计与改造更关注到人；另一方面在降低建筑耗能量、减少碳排放等方面具有显著作用。

参考文献

［1］徐静，卢宪梅，刘志刚，等.1966—2018年秦皇岛气候舒适度时空变化特征［J］.气象与环境学报，2020（3）：80-86.

［2］孫超.秦皇岛抚宁20MWp中硅光伏接入系统设计［D］.秦皇岛： 燕山大学，2016.

［3］刘琼，李世民.建筑上光伏发电系统的设计与应用［J］.甘肃科技，2021（16）：19-21.

［4］刘成.浅析建筑屋顶光伏发电系统［J］.广播电视信息，2017（5）：98-100.

［课题项目］2021年大学生创新训练计划（项目编号：CXXL2021399）

［作者简介］庞朝日（2001—），女，在读本科，研究方向为既有建筑改造。