281北京地区既有居住建筑节能改造与分析

北京地区既有住宅建筑节能改造与分析北京建筑工程学院暖燃重点实验室陈红兵刘玲玲李德英摘要：本文通过对北京某高层住宅建筑的实地调研，分析了其围护结构的现状和存在问题，计算了建筑热工性能参数与节能潜力，并提出了两种节能改造方案，为同类既有住宅建筑的节能改造提供了依据和参考。关键词：既有住宅建筑节能改造外墙外保温1概述对于北方严寒和寒冷地区的建筑，采暖能耗占建筑总能耗的比例很高。《国家节能中长期专项规划》中明确建筑节能规划目标：“十一五”期间，总计节能1.01亿吨标准煤，累计建设节能建筑面积21.46亿m2。具体分解目标为：新建节能50%的建筑15.92亿m2，节能7030万吨标煤；既有建筑节能改造5.54亿m2，节能3100万吨标煤。既有建筑的节能改造主要通过改善建筑围护结构的保温性能，达到减小建筑能耗和燃料消耗量、降低污染物排放的目的。1.1建筑现状1.1.1建筑基本情况该建筑总建筑面积8700m2，地上16层，地下2层。地上1-16层为普通住宅，地下1-2层原是设备层和地下人防，现改造为单身宿舍。该建筑标准层每层8户，分3居室、2居室和1居室三种户型；共有居民128户。1.1.2围护结构现状地板做法：1）130mm厚弱钢筋混凝土楼板。2）70mm厚钢筋混凝土叠合层。3）20mm厚1：2.5水泥砂浆压实赶光。屋面做法：1）钢筋混凝土预制板。2）40mm厚200＃混凝土叠合层。3）20mm厚1：3水泥砂浆找平层。4）一毡二油隔气层。5）1：8水泥焦碴找2%坡度（0-140mm厚平均70mm厚）6）干铺150mm厚加气混凝土块保温层。7）20mm厚1：3水泥砂浆找平层。8）二毡三油防水层。外墙：280mm厚混凝土预制大板。180mm厚钢筋混凝土＋40mm厚聚苯保温＋60mm厚钢筋混凝土。通风道：200mm×300mm混凝土预制风道。外门窗：空腹钢门窗。公共部分：单元楼门为单层玻璃木门，常年开启，保温性能差，楼梯间、电梯间、公共廊道匀为空腹钢门，常年开启，保温性能差，如图1。用户门窗：住户门窗不一，部分用户仍在使用建造初的单层玻璃实腹式钢窗，锈蚀严重，气密性很差；大多住户在装修时，自行更换了铝合金门窗、单层或多层塑钢窗，极少数新装修住户还贴了热反射薄膜。图1单元楼门和公共空间的空腹钢门1.2存在问题通过现场调研，发现该建筑存在如下问题：1）建筑结构的欠缺导致热量散失大。由于该住宅为内浇外挂方式的外围护结构，其施工的特点就是“外挂”，即将预制好的混凝土外墙板直接与楼板各内承重墙体连接。由于采用单元预制的形式，墙板与墙板之间存在缝隙，缝隙密封较差，墙体保温性能差。2）屋面有一定的保温措施，但因时间长，部分老化，效果不好，顶层用户的热舒适性差。3）部分用户仍使用单层玻璃实腹式钢窗，锈蚀严重，气密性很差，保温性能差。4）在采暖季，楼门常处于开启状态，冷风侵入耗热量增加。2热工性能与节能潜力2.1热工性能计算2.1.1体形系数建筑物的体形系数是指建筑物与室外大气接触的外表面积与其所包围的体积的比值。外表面积中，不包括地面和不采暖楼梯间隔墙和户门的面积。依据标准[1]，北京地区建筑物体形系数宜控制在0.30及0.30以下。根据建筑图计算得，该建筑物体形系数3.027.0S，符合节能标准。2.1.2窗墙比窗墙比即外窗（包括阳台门的透明部分）的面积与建筑外墙的面积比。根据标准[1]，北向、东西向和南向的窗墙比应分别低于25%、30%和35%。如果超出上限，则应相应地降低外墙和屋顶的传热系数。表1窗墙比朝向北向东向西向南向窗墙比36%10%10%22%标准值25%30%30%35%2.1.3围护结构各部分传热系数根据围护结构现状，计算得改造前围护结构传热系数，见表2。表2改造前围护结构传热系数围护结构名称构造围护结构各层材料厚度各层材料导热系数围护结构内表面的换热系数围护结构外表面的换热系数维护结构传热系数1h2hKmKmW/KmW2/KmW2/KmW2/地板钢筋混凝土0.131.58.723.03.12钢筋混凝土叠合层0.071.3水泥砂浆0.020.93屋面钢筋混凝土叠合层0.041.38.723.00.94水泥砂浆0.040.93水泥焦渣0.070.57加气混凝土块0.150.21外墙钢筋混凝土0.181.58.723.00.86(0.95)聚苯乙烯泡沫塑料0.040.047钢筋混凝土0.061.5注：1.普通混凝土KmW/70.130.1，加气混凝土块KmW/22.020.0因没有具体做法，均取中间值计算。2.考虑到外墙预制板接缝间距约cm30及当时施工工艺等因素，外墙传热系数约KmW2/95.0。2.1.4门窗的传热系数针对用户门窗不统一，对不同材料，各类窗户的传热系数整理如表3。表3窗户的传热系数窗框材料类型开启方式玻璃及间隙层厚度mm传热系数KmW2/实腹钢窗单框单玻平开36.4铝合金50单框单玻推拉56.05铝合金80单框双玻（框有绝热层）推拉5＋9＋53.9铝合金90单框双玻推拉5＋6＋54.7塑料单框单玻推拉54.6～4.8塑料单框单玻平开54.6～4.8塑料单框双玻推拉5＋12＋52.6～2.8塑料单框双玻平开5＋12＋52.6～2.8空腹钢门的传热系数为KmW2/7.42.2节能潜力分析将此住宅建筑围护结构传热系数与三步标准作比较，分析此建筑的节能潜力，数据整理见表4。表4外围护结构节能潜力外墙屋顶接触室外空气地板外窗实腹钢窗铝合金（单玻）铝合金（双玻）塑钢（单玻）塑钢（双玻）现状0.950.943.126.46.054.04.72.8三步标准0.600.600.502.80节能潜力37%36%84%56%54%30%40%3节能改造方案分析3.1外墙由于建筑的外墙保温对建筑整体保温性能起到决定性的作用，因此提出以下两种节能改造方案供参考：方案Ⅰ采用胶粉聚苯颗粒外墙外保温系统外墙外保温可采用胶粉聚苯颗粒外墙外保温做法[2]，经分析确定，用胶粉聚苯颗粒做外墙外保温，聚苯板的导热系数取KmW/06.0，则经校核计算，要使外墙的传热系数从KmW2/95.0降低到KmW2/60.0，胶粉聚苯颗粒保温层的厚度至少为30mm。考虑到住户窗户多样，保温气密性差，地面未保温传热系数不达标且门窗冷风渗透严重，适当增加屋顶保温层厚度，取55mm，提高建筑物的平均传热系数。此时，外墙的传热系数为KmW/48.0。方案Ⅱ采用喷涂硬泡聚氨脂外墙外保温系统外墙外保温可采用喷涂硬泡聚氨脂外墙外保温做法[3]，经分析确定，用喷涂硬泡聚氨脂做外墙外保温，喷涂硬泡聚氨脂的导热系数取KmW/025.0，则经校核计算，要使外墙的传热系数从KmW2/95.0降低到KmW2/60.0，胶粉聚苯颗粒保温层的厚度至少为13mm。考虑到住户窗户多样，保温气密性差，地面未保温传热系数不达标且门窗冷风渗透严重，适当增加屋顶保温层厚度，取30mm，提高建筑物的平均传热系数。此时，外墙的传热系数为KmW/42.0。3.2外窗该住宅建筑的窗户基本都不能达到建设部三步节能标准，该标准要求外窗的传热系数限值为KmWK2/8.2，公共廊道的外窗为单层塑钢窗（KmWK2/7.4），建议统一更换为双层塑钢窗，使其传热系数降到KmWK2/8.2。3.3屋面方案Ⅰ采用贴挤塑聚苯板屋面保温系统鉴于此楼屋顶原有防水层，可在防水层上加贴挤塑聚苯板（XPS密度约335/kgm）,按倒置屋面保温做法施工。挤塑聚苯板的导热系数取0.03/WmK，则经校核计算，要使屋顶的传热系数从2094/WmK降低到20.60/WmK，挤塑聚苯板保温层的厚度至少为18mm。考虑到地面未做保温，要使建筑的平均耗热量指标达到三步节能标准，屋面的传热系数需降至KmW/48.0，而屋面的保温层厚度需要30mm。方案Ⅱ采用喷吐硬泡聚氨酯屋面保温系统此系统适用于任何形状屋面防水保温系统。喷涂硬泡聚氨脂的导热系数取0.025/WmK，则经校核计算，要使屋顶的传热系数从20.94/WmK降低到KmW2/60.0，挤塑聚苯板保温层的厚度至少为15mm。考虑到地面未做保温，要使建筑的平均耗热量指标达到三步节能标准，屋顶的传热系数需降至KmW/44.0，而屋面的保温层厚度需要30mm。3.4楼门该建筑原有楼门（单元的楼梯间入口处）为三扇普通对开木门，采暖期一直处于开启状态，冷风渗透和冷风侵入量大，楼梯间直接和室外相通，热量损失严重。鉴于此，把单元楼门改成两扇保温门（KmWK2/0.2），改善建筑物的保温性能，降低能耗。同时将楼梯间的空腹钢门改为保温门。3.5方案汇总及比较综上所述，该建筑的节能改造方案有两种，不同之处在于外墙和屋面的保温方式不同，如表5所示。改造前后能耗比较，如表6所示。表5节能改造方案汇总改造对象方案Ⅰ方案Ⅱ墙体胶粉聚苯颗粒外墙外保温系统+JS复合防水涂料喷涂硬泡聚氨脂外墙外保温系统+JS复合防水涂料屋面倒置式保温+加贴挤塑聚苯板（XPS）喷涂硬泡聚氨酯屋面保温外窗双层塑钢窗双层塑钢窗门防盗保温楼门防盗保温楼门表6改造前后能耗比较改造前三步节能标准改造方案Ⅰ改造方案Ⅱ外墙传热系数,(KmW2/)0.950.60.480.42外窗传热系数,(KmW2/)5.22.82.22.2屋面传热系数,(KmW2/)0.940.60.480.44建筑物耗热量指标,31.4914.6514.5613.98(2/mW)节能分析――――53.76%55.60%由表6可知，实施节能改造后，两个方案中外墙、外窗和屋面的传热系数均可达到三步节能标准，耗热量指标也低于三步标准的214.65/WmK。方案Ⅰ和方案Ⅱ的节能潜力分别达到53.76%和55.60%。4结语既有住宅建筑的节能改造是在不改变原建筑结构的基础上，对围护结构采取保温措施，以提高保温性能，减少热损失，从而达到节能降耗的效果。我国既有住宅建筑中绝大部分为非节能建筑，达不到相应标准，而既有建筑的节能改造需要大量的人力、物力和财力，经济性差，需要中央财政、地方政府和业主等各方的通力合作，解决改造资金，为缓解能源危机和促进能源可持续发展贡献一份力量。参考文献[1]民用建筑节能设计标准（采暖居住建筑部分），JGJ26-95[2]外墙外保温施工技术规程，DB11/T463-2007[3]外墙外保温施工技术规程，DBJ/T01-102-2005陈红兵，男，1977年7月出生，副教授地址：北京市西城区展览馆路1号北京建筑工程学院暖燃重点实验室100044电话：[e-mail]