夏熱冬冷地區(qū)既有辦公建筑圍護結構節(jié)能改造措施優(yōu)化

董海榮，祁少明，張帥，馬明康，趙羽潔

(1.常州工學院土木建筑工程學院，江蘇常州213032；2.常州工學院數(shù)理與化工學院，江蘇常州213032)

夏熱冬冷地區(qū)既有辦公建筑圍護結構節(jié)能改造措施優(yōu)化

董海榮1，祁少明2，張帥1，馬明康1，趙羽潔1

(1.常州工學院土木建筑工程學院，江蘇常州213032；2.常州工學院數(shù)理與化工學院，江蘇常州213032)

夏熱冬冷地區(qū)既有建筑圍護結構節(jié)能改造不同于嚴寒或寒冷地區(qū)，改造方案需結合氣候特點，因地制宜。采用DeST-C模擬軟件，分析南京某棟辦公樓圍護結構節(jié)能改造方案對能耗的影響，以及不同改造方案增量成本，提出夏熱冬冷地區(qū)既有辦公建筑圍護結構節(jié)能改造的優(yōu)化措施：改造屋頂，增設擠塑聚苯板保溫層使其傳熱系數(shù)不小于0.4 W/(m2·K)，或對屋頂進行綠化；改造窗戶，增設3～4片鋁合金百葉外遮陽，將窗戶更換為斷熱鋁合金太陽得熱系數(shù)低的Low-E中空玻璃窗；對于傳熱系數(shù)較小的墻體不適宜增設保溫層和噴涂隔熱涂料。

夏熱冬冷地區(qū)；既有辦公建筑；圍護結構；節(jié)能改造；措施優(yōu)化

0 引言

夏熱冬冷地區(qū)兼有南方夏季酷熱和北方冬季寒冷的氣候特征，建筑節(jié)能改造需要有更強的季節(jié)應變性。對于夏熱冬冷地區(qū)的既有公共建筑，其節(jié)能改造主要集中在設備改造或管理運營階段，對圍護結構的節(jié)能改造優(yōu)化研究欠缺。但是，建筑圍護結構保溫隔熱性能先天不足，勢必造成設備運行能耗的增加，因此，圍護結構的節(jié)能改造依然是既有公共建筑的重要研究內容。

Pan Dongmei等[1]研究外墻保溫層厚度對建筑采暖和制冷負荷的影響；張繼媛等[2]對復合墻體保溫層位置對建筑能耗的影響進行研究；S.Sundaram等[3]研究印度炎熱地區(qū)節(jié)能設計保溫層厚度的優(yōu)化；張輝等[4]對窗戶節(jié)能進行數(shù)字化分析；程云等[5]提出夏熱冬冷地區(qū)既有公共建筑圍護結構節(jié)能改造策略；董海榮等[6]研究了建筑外飾面材料太陽輻射吸收性能對建筑物耗熱量的影響；馬素貞等[7]對綠色建筑技術增量成本進行分析研究。

為保證建筑物正常使用，同時考慮節(jié)能改造的低成本，采取哪些技術更適合夏熱冬冷地區(qū)既有公共建筑圍護結構節(jié)能改造，減少能源損耗，改善室內熱舒適度，是繼續(xù)深入開展建筑節(jié)能工作的重點。采用DeST-C模擬軟件，分析南京某棟辦公樓的墻體、屋頂、窗戶及遮陽節(jié)能改造對建筑能耗的影響，以及不同改造方案的增量成本，提出夏熱冬冷地區(qū)既有辦公建筑圍護結構節(jié)能改造優(yōu)化措施。

1 研究對象

1.1 研究對象概況

選擇夏熱冬冷地區(qū)代表性城市南京的一辦公建筑作為研究對象，該辦公樓主體3層，局部4層，層高3.3 m，采暖制冷建筑面積1 316.7 m2，主要功能為辦公，設有6個會議室，辦公樓圍護結構構造做法及熱工參數(shù)見表1。

1.2 輸入?yún)?shù)

研究對象所處地理位置為北緯32°，東經118.8°。DeST-C模擬軟件的各類房間內擾設置的默認值以大量調查為基礎，比較符合相應建筑正常運行狀況，因此，本文模擬計算輸入?yún)?shù)選取房間內擾設置的默認值。

表1 辦公樓圍護結構構造做法及熱工參數(shù)

2 墻體節(jié)能改造

2.1 墻體保溫層厚度對建筑能耗的影響

計算模型墻體選擇聚苯板作為保溫層。不同保溫層厚度對應的傳熱系數(shù)見表2，不同厚度保溫層墻體的能耗模擬結果如圖1所示，節(jié)能率計算結果如圖2所示，節(jié)能率以原有未設保溫層200 mm厚加氣混凝土墻體情況為基準。

表2 墻體不同保溫層厚度對應的傳熱系數(shù)

圖1 墻體不同厚度保溫層的負荷指標

圖2 墻體不同厚度保溫層全年節(jié)能率

由圖1和圖2可以看出：

1)隨著辦公樓墻體保溫層厚度增加，辦公樓的總負荷指標降低幅度很小，尤其空調季冷負荷每增加10 mm厚聚苯板，降低幅度只有0.2%左右。說明夏熱冬冷地區(qū)不適宜采用降低墻體傳熱系數(shù)的節(jié)能改造措施，尤其是框架結構采用200 mm厚加氣混凝土砌塊填充墻的既有辦公建筑，其墻體傳熱系數(shù)已經降到0.859 W/(m2·K)，采用增加保溫層的改造方法節(jié)能效果并不明顯。

2)當保溫層厚度達到20 mm(墻體傳熱系數(shù)為0.63 W/(m2·K))時，與未設保溫層的墻體相比，節(jié)能率為2.18%，如果繼續(xù)增加保溫層厚度，節(jié)能增長率減小。公共建筑節(jié)能標準規(guī)定：夏熱冬冷地區(qū)甲類公建墻體熱惰性指標D≥2.5時，傳熱系數(shù)K≤0.8 W/(m2·K)。因此，當既有公共建筑采用墻體增加保溫層的節(jié)能改造措施時，改造后墻體的傳熱系數(shù)不宜小于0.6 W/(m2·K)。

另外，如果采用粘貼外保溫層的節(jié)能改造方案，需要對原有的一些構造層次進行清理拆除，二次抹灰找平，粘貼保溫層，二次裝飾面層。而如果采用干掛安裝保溫裝飾一體化材料，在施工方面，可以減少這些工序，方便施工。在熱工方面，由于干掛安裝保溫裝飾一體化材料增加了空氣間層，在墻體達到相同熱阻的情況下，可以減少保溫層厚度，降低建筑造價。因此，干掛安裝保溫裝飾一體化材料對既有建筑節(jié)能改造更為有利[8]。

2.2 墻體外飾面太陽輻射吸收性能對建筑能耗的影響

計算模型按照原有建筑外飾面太陽輻射吸收系數(shù)ρs=0.55模擬，得出的全年總負荷指標q總=51.81 W/m2；當ρs=0.3，q總=51.75 W/m2；當ρs=0.1，q總=51.70 W/m2。也就是當既有建筑外墻噴涂太陽輻射吸收系數(shù)為0.1的隔熱涂料，建筑總負荷指標僅降低0.11 W/m2，降低率僅為0.22%。因此，不宜采用噴涂隔熱涂料的節(jié)能改造方案。

3 屋頂節(jié)能改造

計算模型屋頂選擇增加擠塑聚苯板作為保溫層。不同保溫層厚度對應的屋頂傳熱系數(shù)見表3，屋頂不同厚度保溫層的能耗模擬結果如圖3所示，節(jié)能率計算結果如圖4所示，節(jié)能率以原有設置150mm厚加氣混凝土保溫層的屋頂情況為基準。

表3 屋頂增設不同厚度擠塑聚苯板

圖3 屋頂不同厚度保溫層的負荷指標

圖4 屋頂不同厚度保溫層全年節(jié)能率

由圖3和圖4可以看出：

1)隨著屋頂保溫層厚度的增加，建筑的總負荷逐漸減小，但由于屋頂面積在建筑圍護結構中所占比例較小，降低屋頂?shù)膫鳠嵯禂?shù)并不能使建筑負荷大幅降低。屋頂?shù)膫鳠嵯禂?shù)由原有的1.013 W/(m2·K)降低到0.356 W/(m2·K)，負荷指標僅降低2.74%。但是，若在屋頂增設保溫層，做成倒置式屋面，不僅施工操作方便，而且改造后能夠明顯改善頂層房間的熱舒適性，故可以考慮屋頂增設保溫層的改造方案。

2)當屋頂?shù)谋貙雍穸冗_到40 mm(傳熱系數(shù)為0.455 W/(m2·K))時，繼續(xù)降低屋頂?shù)膫鳠嵯禂?shù)，節(jié)能增長幅度減小。因此，夏熱冬冷地區(qū)屋頂?shù)墓?jié)能改造不宜使其傳熱系數(shù)小于0.4 W/(m2·K)。

另外，屋頂綠化不僅能附加熱阻增加屋頂保溫性能，而且能減小太陽輻射吸收，降低夏季空調負荷。如果重新改造施工種植屋面的各構造層次，不僅工程量大，而且成本高，故可以采用放置容器盒式綠化屋頂?shù)母脑旆桨浮?/p>

4 窗戶節(jié)能改造

4.1 窗戶型材及玻璃對建筑能耗的影響

窗戶玻璃及型材的傳熱、遮陽、太陽輻射得熱等性能，直接影響窗戶熱量的得失。因此，選取包括研究對象已采用的普通6 mm單玻窗共7種窗戶進行建筑冷熱負荷及總負荷模擬，分析不同類型窗戶的節(jié)能率，幾種窗戶類型的參數(shù)見表4。

表4 不同類型窗戶的參數(shù)

根據(jù)《公共建筑節(jié)能設計標準》(GB 50189—2015)[9]的規(guī)定：SHGC=SC×0.87。

不同類型窗戶研究對象空調季冷負荷指標、采暖季熱負荷指標、全年總負荷指標及全年總節(jié)能率如圖5及圖6所示。其中節(jié)能率為

(1)

式中：β為全年節(jié)能率；q1為編號1窗戶的總負荷指標，W/m2；qi為編號i窗戶的總負荷指標，W/m2，i=2，3，……，7。

圖5 不同類型窗戶負荷指標

圖6 不同類型窗戶全年節(jié)能率

從圖5和圖6可以看出：

1)在窗戶的遮陽系數(shù)和太陽得熱系數(shù)接近的情況下，隨著窗戶傳熱系數(shù)的減小，建筑采暖季熱負荷指標逐漸減小，建筑空調季冷負荷指標逐漸增大，但建筑全年總負荷指標逐漸減小，即夏熱冬冷地區(qū)的窗戶宜選擇傳熱系數(shù)小的窗戶。

2)雖然編號4和編號5窗戶的傳熱系數(shù)相等(均為2.8 W/(m2·K))，但是窗戶的太陽得熱系數(shù)不同(分別為0.696和0.522)，導致5號窗建筑采暖季熱負荷指標比4號窗增加了1.22 W/m2，而建筑空調季冷負荷指標減小1.68 W/m2，說明夏熱冬冷地區(qū)窗戶的太陽得熱系數(shù)對建筑夏季制冷負荷影響較大，該區(qū)宜選擇太陽得熱系數(shù)小的窗戶。

3)編號6和編號4的窗戶相比，雖然傳熱系數(shù)降低僅為0.4 W/m2，但由于太陽得熱系數(shù)降低，總的節(jié)能效果明顯，全年總節(jié)能率上升了2.7%；而編號7和編號6的窗戶相比，傳熱系數(shù)降低0.7 W/m2，但由于太陽得熱系數(shù)升高，全年總節(jié)能率上升僅為0.7%。這說明夏熱冬冷地區(qū)的窗戶不宜一味地降低傳熱系數(shù)，而要選擇太陽得熱系數(shù)小的窗戶。

4)考慮節(jié)能改造的經濟性，建議選取太陽得熱系數(shù)小的斷熱鋁合金Low-E中空玻璃(6+12A+6)或者塑料Low-E中空玻璃(6+12A+6)。

4.2 窗戶設置遮陽對建筑能耗的影響

窗戶遮陽是夏熱冬冷地區(qū)夏季隔熱的主要措施之一，遮陽構件通過隔絕窗口太陽輻射得熱量，降低建筑的夏季空調負荷。在夏熱冬冷地區(qū)既有公共建筑節(jié)能改造時，可結合建筑外表面的設計設置遮陽設施，但不宜采用水平懸挑遮陽。本文分析百葉遮陽對建筑能耗的影響。由于建筑北向窗口沒有太陽輻射直接得熱，既有公共建筑遮陽節(jié)能改造時可不考慮北向窗口的遮陽改造。

根據(jù)《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設計標準》(JGJ 134—2010)[10]的規(guī)定，外遮陽系數(shù)計算用的擬合系數(shù)為：固定水平百葉遮陽a=0.50，b=-1.20；活動水平百葉遮陽冬季為a=0.03，b=-0.47，夏季為a=0.79，b=-1.40?？紤]結構的合理性、立面的美觀性及經濟性等，選取葉片寬度為300 mm、間距為300 mm的百葉。計算百葉遮陽的外遮陽系數(shù)SD見表5，同時計算建筑外窗夏季綜合遮陽系數(shù)SCw和太陽得熱系數(shù)SHGC。

表5 水平百葉遮陽的遮陽參數(shù)

選擇水平百葉的片數(shù)分別為2～6片，百葉間距600 mm，與無遮陽情況能耗模擬結果比較如圖7和圖8所示。

圖7 水平百葉遮陽的建筑能耗

圖8 水平百葉遮陽的節(jié)能率

由圖7和圖8可以看出：

1)隨著水平百葉片數(shù)的增加，由于百葉深度較小且冬季百葉全部打開，遮擋太陽輻射得熱，使建筑采暖季熱負荷增加量很小，增加量小于1.35%，而建筑空調季冷負荷減小量較大，減少量最大達15.13%，全年總負荷節(jié)能率最大為10.8%，說明設置百葉遮陽對建筑夏季空調節(jié)能有利；

2)百葉片數(shù)增加到4片以上，節(jié)能率變化趨勢變平緩，說明考慮節(jié)能的經濟性，夏熱冬冷地區(qū)公建節(jié)能改造中不宜一味增加百葉片數(shù)，考慮窗戶的高度設置3～4片比較合適。

5 節(jié)能改造方案的經濟性分析

SIR優(yōu)選法，即收益投資比(Saving to Investment Ratio)組合優(yōu)化篩選法，可以對單項節(jié)能措施的優(yōu)劣排序，因此，利用該方法計算幾種節(jié)能改造方案的SIR。SIR=S/I，其中S為節(jié)能措施實施后建筑年能耗減少量，I為實施節(jié)能措施帶來的增量成本。I的取值實際與資本利率和人工、材料費等有關，此處I值選擇目前市場的平均值，SIR計算結果見表6。

表6 幾種節(jié)能方案的SIR

由表6可以看出：屋頂增設40 mm擠塑板的方案收益投資比最高，其次是窗戶的改造，最低的是墻體改造。由于屋頂面積占圍護結構的比例小，僅改造屋頂，既有建筑達不到節(jié)能標準的要求。因此，既有辦公建筑節(jié)能改造建議同時改造屋頂和窗戶。

6 結論和建議

夏熱冬冷地區(qū)既有辦公建筑圍護結構節(jié)能改造，對于屋頂?shù)母脑?，根?jù)倒置式保溫屋頂做法，增設擠塑聚苯板保溫層，使其傳熱系數(shù)不小于0.4 W/(m2·K)，或采用種植盒式屋頂綠化；對于窗戶的節(jié)能改造，可增設3～4片鋁合金活動百葉外遮陽，更換斷熱鋁合金低太陽得熱系數(shù)的Low-E中空玻璃窗，節(jié)能可以達到20%以上；對于墻體，尤其是傳熱系數(shù)已經較小的墻體，不建議采用增設保溫層或噴涂隔熱涂料的方案，可選擇干掛安裝保溫裝飾一體化外墻板。

[1]PAN Dongmei，CHAN Mingyin，DENG Shiming,et al.The effects of external wall insulation thickness on annual cooling and heating energy uses under different climates[J].Applied Energy ，2012,97(3)：313-318.

[2]張繼媛，張聯(lián)英，復合墻體保溫層位置和厚度對建筑能耗的影響[J].建筑節(jié)能，2014，42(8)：60-66.

[3]SUNDARAM A Shanmuga，BHASKARAN Anirudh.Optimum insulation thickness of walls for energy-saving in hot regions of India[J].International Journal of Sustainable Energy，2014,33(1)：213-226.

[4]張輝，余莊.夏熱冬冷地區(qū)既有建筑節(jié)能改造的窗戶節(jié)能設計數(shù)字化分析[C]//2008年綠色建筑與建筑新技術發(fā)展國際會議暨中國建筑技術學科第12次學術研討會論文集.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008：161-166.

[5]程云，鄭榮躍，黃莉，等.夏熱冬冷地區(qū)既有公共建筑圍護結構節(jié)能改造策略研究[J].建筑節(jié)能，2014，42(8)：102-106.

[6]董海榮，祁少明.建筑外飾面材料太陽輻射吸收性能對建筑物耗熱量的影響[J].建筑技術，2012，43(8):752-755.

[7]馬素貞，孫大明.綠色建筑技術增量成本分析[J].建筑科學，2010，26(6)：91-94.

[8]董海榮.寒冷地區(qū)既有居住建筑墻體節(jié)能改造技術研究[J].工業(yè)建筑，2009，39(7)：4-6.

[9]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部.公共建筑節(jié)能設計標準:GB 50189—2015[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2015.

[10]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部.夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設計標準:JGJ 134—2010[S].上海：光明日報出版社，2010.

責任編輯：唐海燕

Optimization of Energy-saving Retrofit Measures for Existing Office Building Envelope in Hot Summer and Cold Winter Zone

DONG Hairong1，QI Shaoming2,ZHANG Shuai1,MA Mingkang1,ZHAO Yujie1

(1.School of Civil Engineering and Architecture,Changzhou Institute of Technology,Changzhou 213032;2.School of Sciences and Chemical Engineering,Changzhou Institute of Technology,Changzhou 213032)

Energy-saving retrofit measures for existing building envelope in hot summer and cold winter zone are different from those in severe cold or cold zones.Rehabilitation programs need to take local climate and conditions into account.After the energy consumption effect of the energy-saving retrofit measures for an office building envelope in Nanjing were analyzed through DeST-C simulation software together with the incremental costs of different rehabilitation programs,an optimum measure was put forward for existing office building envelope in hot summer and cold winter zone.Firstly,the roof is either to be reconstructed with extruded polystyrene board to keep the heat transfer coefficient under 0.4 W/(m2·K) or is to be deployed with green plants.Secondly,windows are to be replaced with low-e insulating glass windows made of heat resistant aluminum alloy with low solar heat gain coefficient.The windows are also to be fixed with aluminum shutters of 3-4 plates outside.For walls with lower heat transfer coefficient,it is not suitable to add insulating layer or spray insulating coatings.

hot summer and cold winter zone;existing office building;envelope;energy-saving retrofit;optimization measure

10.3969/j.issn.1671-0436.2017.01.001

2016- 04-27

國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目(201611055008)；常州工學院科研基金項目(YN1306)

董海榮(1970— )，女 ，碩士，教授。

TU201.5

A

1671- 0436(2017)01- 0001- 06