搜索
夏热冬冷地区既有公共建筑围护结构节能改造策略研究——以宁波大学建工楼示范项目为例程云，郑荣跃，黄莉，高洪双(宁波大学建筑工程与环境学院，浙江宁波315211)摘要：公共建筑因其能耗高，节能改造潜力大，一直是节能改造的重点。本文针对夏热冬冷地区，结合宁波大学建工楼节能改造世行赠款示范项目实体案例，在围护结构能耗分析的基础上，通过措施优选，提出该地区外围护结构节能改造策略，为夏热冬冷地区同类建筑节能改造提供参考。关键词：节能改造；夏热冬冷；公共建筑；围护结构；中图分类号：TU391文献标志码：A文章编号：根据建筑热工设计分区，我国分为严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区和温和地区。夏热冬冷地区涉及16个省、自治区和直辖市，而浙江就是典型的夏热冬冷地区。该地区冬冷夏热，夏季闷热，冬季湿冷，气候条件差。长期以来，夏热冬冷地区因人们长期生活习惯和节能认知的缺少，该地区既有建筑热工性能极差。但随着夏热冬冷地区经济的突飞猛进，人们对住房舒适性的要求增加，导致建筑空调使用时间延长和建筑采暖的增加，该地区节能工作已不容忽视。如今，新建建筑节能在国家强制要求下较易实现，而大量存在的高能耗既有建筑节能问题日益突出。欧洲发达国家非常注重既有建筑节能改造且技术成熟，德国用于既有建筑节能改造和维修的投资已经占了建筑节能投资总额的60%错误!未找到引用源。。截至2008年，我国既有建筑面积达到400亿m2，其中公共建筑面积约78亿m2，总耗电3800亿度（不包括北方集中采暖能耗）[2]。一般公共建筑能耗水平已高达普通居住建筑的5倍，大型公共建筑更是普通居住建筑的10-15倍[3]。在能源危机和环保问题日益突出的大背景下，公共建筑因数量大，能耗高，急需节能改造。夏热冬冷地区既有公共建筑节能改造技术复杂，要兼顾夏季隔热与冬季保温，现有的研究仅限于单幢建筑，且对适宜夏热冬冷地区围护结构节能改造综合策略研究尚不够明确，无适宜的改造模式和技术路线，如文献4对上海地区不同改造措施的宾馆和办公典型建筑进行了能耗和经济分析，文献5对武汉行政办公楼节能改造进行了模拟研究。为此，本文以宁波大学建工楼节能改造示范项目为实例，探究适宜于夏热冬冷地区围护结构节能改造策略。本文首先通过PBECA软件模拟进行建工楼既有建筑能耗分析，得出节能改造重点，其次分别从外墙、外窗、屋面不同传热系数的节电率来分析外围护最优的传热系数并以此选择出适宜的改造措施，形成外围护结构节能改造策略。宁波大学建工楼节能改造示范项目是“全球环境基金GEF赠款中国城市建筑节能和可再生能源利用项目”的一个子项目，该工程将为整个夏热冬冷地区节能改造工程提供示范和借鉴。1建工楼节能计算分析1.1工程概况宁波大学建工楼，建于1999年，主要包括A楼、B楼、结构实验室，于2000年进行扩建增加A扩和B扩，其三维视图见图1。建筑为钢筋混凝土框架结构，总建筑面积9305m2，合计空调房间面积4145m2，非空调房间面积5160m2，体形系数0.37。A楼为五层高21.3m且为建工楼中高度最大，另外B楼四层，A扩三层，B扩两层，结构收稿日期：2013-11-18项目：全球环境基金GEF赠款中国城市建筑节能和可再生能源利用项目（P130786），实施时间2013年1月1日至2017年12月31日。作者简介：程云（1990—），女，安徽淮北人，汉族，研究生，从事建筑节能研究（E-mail：cyyc333@126.com）.通讯作者：郑荣跃（1964—），男，浙江宁波人，汉族，教授，从事岩土、工程管理、建筑节能研究（E-mail：rongyue@nbu.edu.cn）.实验室为单层。外墙无保温措施，外窗结构实验室采用金属框单层玻璃窗，其余均为塑钢单层玻璃窗，屋面部分采用保温措施，且因曾扩建原因，保温措施并不统一。初步来看，建工楼热工性能差，具有较大的节能改造潜力。图1建工楼三维视图1.2能耗计算为了解改造前建工楼既有能耗和各围护结构能耗权重状况，首先对建工楼进行能耗模拟计算。本文选用PBECA节能设计软件，该软件以浙江省《公共建筑节能设计标准》（DB33/1036-2007）50%的节能建筑为参照建筑，继而通过权衡判断，对参照建筑和建工楼冷热负荷能耗进行比较判断。模拟参数设置为：夏季室温26°C，冬季20°C；照明功率11W/m2；新风量30m3/hp；电器设备功率普通空调房间为20W/m2，会议室5W/m2；人均使用面积普通空调房间为4m2/人，会议室为2m2/人[6]。通过模拟得出建工楼既有总能耗以及围护结构热工参数。表1进行了建工楼和规范热工参数的对比，发现建工楼的墙体、门窗、屋面、地面的热工性能指标均不满足浙江省规范要求，所以未达到节能50%的标准。建工楼全年单位面积能耗为83.19KWh/m2，大于参照建筑能耗73.35KWh/m2。总体上，建工楼能耗偏高，需进行节能改造。表1建工楼和规范要求的热工参数对比围护结构部位思禹建工楼KW/（m2·K）浙江省《公共建筑节能设计标准》（DB33/1036-2007）限值KW/（m2·K）屋面1.55≤0.7外墙2.31≤1.0外窗（包括透明幕墙）窗墙比传热系数KW/（m2·K）遮阳系数SW窗墙比传热系数KW/（m2·K））遮阳系数SW单一朝向幕墙东0.1650.97≤0.8≤4.7-----南0.335.241≤0.8≤3.0≤0.5西0.1751≤0.8≤4.7-----北0.285.531≤0.8≤3.5-----地面热阻R（m2·K）/W0.24≥1.21.3能耗分析根据上文建工楼能耗模拟结果，由PBECA缺陷分析可得出围护结构的能耗权重。如图2所示，外窗、外墙、屋面、地面所占比例分别为45.24%、33.93%、4.81%和0.32%，另外通风渗透所在比例为15.69%。可见，外窗和外墙能耗权重最大，其对整个建筑能耗的的影响也最大，且通风渗透所占较大的能耗权重也主要由外门窗所致，所以节能改造首先要针对外窗和外墙；屋面所占能耗权重不大，但是在多层住宅建筑中屋面能耗约占顶层建筑能耗的40%以上[7]，其对顶层建筑能耗影响是不容忽视的，节能改造也应考虑屋面改造；地面所占比例甚少，其对整个建筑能耗影响几乎可以忽略，所以地面节能改造意义不大，可以不考虑。综上分析，需重点对建筑外墙、外窗、屋面进行节能改造。外墙,33.94%外窗,45.24%屋顶,4.81%地面,0.32%通风及渗透,15.69%图2围护结构能耗权重2外墙改造策略2.1外墙平均传热系数对建筑能耗的影响传热系数大小代表着围护结构的热工性能的好坏，传热系数越小围护结构的保温隔热能力越好，但同时成本和可实施难度也增大。外墙传热系数采用包括结构性热桥在内的加权平均值即外墙平均传热系数Km来表示，为了解外墙最适宜的平均传热系数并依此来采用合适的改造措施，形成外墙节能改造策略，本文研究了从建工楼既有Km值2.3W/（m2•K）降至较小值0.3W/（m2•K）之间的外墙平均传热系数对全年节电率的影响。外墙平均传热系数与全年节电率的关系-6.00-4.00-2.000.002.004.006.008.0010.0012.0014.0016.0018.0020.0022.0024.000.30.40.50.60.70.80.911.11.21.31.41.51.61.71.81.92外墙平均传热系数KmW/（m2.K）节电率百分比（%）全年节电率冷负荷节电率热负荷节电率图4外墙平均传热系数对全年节电率的影响由图4所示，Km从右到左依次降低，全年节电率逐步升高，热负荷节电率也逐渐升高，但是冷负荷节电率却小幅度的降低，可见外墙热工性能的提高大大有利于热负荷的降低，对建筑冷负荷有小幅度的不利影响。全年节电率随着外墙平均传热系数的降低呈倒抛物线形状，Km从2.3W/（m2·K）到1W/（m2·K）曲线变化幅度较大，代表此区间外墙平均传热系数的降低有效的实现能耗降低，之后变化幅度趋于平缓，当小于0.8W/（m2·K）之后曲线基本不在变化，说明再降低Km的节电效果已不明显。另外，宁波地区台风较多，保温层厚度一般在40mm之内，外墙平均传热系数一般都大于0.8W/（m2·K）[8]，考虑到施工性及安全性，建议宁波地区外墙节能改造应满足规范要求使外墙平均传热系数保持在0.8~1.0W/（m2·K），此时应用于建工楼改造可实现的全年节电率为6.5~7.2%。2.2外墙改造措施由于外墙外保温系统已被理论和实践证明具有更好的保温隔热效果，且更适宜于节能改造，所以外墙节能改造宜采用外保温形式[9][10]。发达国家采用岩棉、有机保温板等做外墙保温材料，并研发出真空保温板新型保温材料[11]。而我国常见的保温材料有机的有：膨胀聚苯板、挤塑聚苯板、硬泡聚氨酯保温板和胶粉聚苯颗粒保温砂浆；无机材料包括：岩棉板、玻璃棉板和无机轻集料保温砂浆。有机材料中膨胀聚苯板因其保温性能好、经济且施工方便，在北方地区应用较广泛，但是阻燃性能差成为其致命缺点，在夏热冬冷地区一度被禁止使用。无机保温材料耐火性能好，但是我国岩棉和玻璃棉生产质量参差不齐，导致其外墙外保温效果达不到要求，并未被广泛采用。只有轻集料保温砂浆因其施工方便、阻燃性好，虽导热系数稍偏大，但适用于保温性能要求相对较低的夏热冬冷地区。轻集料保温砂浆为满足50%的节能要求所需厚度相对较大，一般要达到30~40mm，出于施工性和安全性考虑，可在外墙装饰上另外增加保温隔热效果，尽量减小轻集料保温砂浆厚度，而隔热涂料就可以满足要求。所以，为实现外墙平均传热系数降至0.8~1.0W/（m2•K），建议建工楼采用无机轻集料保温砂浆和隔热涂料进行外墙改造。3外窗改造策略外窗的通风和阳光透射功能，决定了其较差的保温隔热性能，而成为整个建筑围护结构中最薄弱的部分，且如上述实例模拟结果，外窗在建筑能耗权重中所占比例为最大，所以外窗节能改造极其重要。影响外窗的保温隔热性能因素包括外窗传热系数和遮阳系数，以下分别分析两个因素对建筑能耗的影响。3.1外窗传热系数对建筑能耗的影响为研究不同朝向外窗传热系数对建筑能耗的影响，鉴于常见不同种类外窗的传热系数在1.6-6.6W/（m2•K）之间，本文针对建工楼不同朝向外窗，在上述范围内改变其传热系数，对建工楼进行了全年节电率的模拟，结果如图5所示。1.62.83.245.56.6-0.60-0.40-0.200.000.200.400.600.801.001.20节电率百分比（%）窗的传热系数KW/（m2.K）不同朝向外窗在不同传热系数下的全年节电率东南西北图5不同朝向外窗在不同传热系数下的全年节电率由此可见，东西朝向外窗传热系数对全年节电率影响曲线接近重合说明东西朝向外窗传热系数对建筑能耗影响相同；南向曲线变化幅度最大，所以南向外窗传热对建筑能耗影响最大，北向次之，东西向最小。各朝向传热系数对节电率影响均较小，以影响最大的南向来看，传热系数介于1.6~6.6W/（m2•K）区间的全年节电率变化范围仅为-0.43%~1.17%，说明降低外窗传热系数实现节能的潜力相对较小。另外各朝向传热系数对节电率的影响趋向相同，均表现为：当3W/（m2•K）＜K＜5.5W/（m2•K）时，曲线坡度变化逐渐变小；当K≤3W/（m2•K）时，曲线坡度骤然增大，说明当外窗传热系数逐渐降低到3W/（m2•K）过程中，节电效率逐渐降低；当K≤3W/（m2•K）之后降低传热系数的节电效率又开始增加。既有建筑通常采用单层玻璃塑钢窗或非隔热金属型材窗，其传热系数均大于5.0W/（m2•K），处于传热系数对节电率影响相对较大区间，此时外窗传热系数仍有降低空间，而市场上常见的节能窗很少能达到传热系数小于3W/（m2•K），所以不能苛求节能改造后实现外窗传热系数小于3W/（m2•K）。3.2外窗遮阳系数对建筑能耗的影响同样，本文针对东、南、西朝向外窗，采用不同遮阳系数对建工楼全年节电率、全年空调节电率、全年采暖节电率进行了模拟，结果见图6~8。如图6所示，遮阳系数较传热系数对建筑能耗影响相对较大，在遮阳系数从0.2变