既有公共建筑節(jié)能改造探討

曾潔，袁善飛

（1.中外建工程設(shè)計(jì)與顧問(wèn)有限公司，北京 100048；2.北京領(lǐng)晟建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)事務(wù)所，北京 101599）

1 引言

2020 年的聯(lián)合國(guó)大會(huì)上，習(xí)近平主席闡述了“中國(guó)二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030 年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和”的具體目標(biāo)，“碳達(dá)峰、碳中和”正式成為國(guó)家戰(zhàn)略；2021 年的全國(guó)兩會(huì)政府工作報(bào)告，“碳達(dá)峰”行動(dòng)方案、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)和大力發(fā)展新能源被列為政府工作重點(diǎn)?！?060”雙碳目標(biāo)將是未來(lái)中國(guó)各個(gè)行業(yè)發(fā)展、轉(zhuǎn)型最重要的指導(dǎo)依據(jù)，而建筑行業(yè)作為傳統(tǒng)碳排放大戶，更應(yīng)積極探索轉(zhuǎn)型突破路徑，努力發(fā)展綠色建筑，降低建筑耗能，提高可再生材料使用比例，加快推進(jìn)裝配標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程。因此，節(jié)能設(shè)計(jì)創(chuàng)新以及智慧化項(xiàng)目管理將成為低碳經(jīng)濟(jì)下建筑產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要研究方向。

2 我國(guó)建筑能耗現(xiàn)狀及推進(jìn)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的必要性

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)建筑全壽命周期能耗占全國(guó)能源消費(fèi)總量的比重為46.5%，建筑運(yùn)行階段占全國(guó)能源消費(fèi)總量的比重為21.7%。2018 年，全國(guó)建筑運(yùn)行階段能耗為10 億tce（tce 是1 t標(biāo)準(zhǔn)煤當(dāng)量，是按標(biāo)準(zhǔn)煤的熱值計(jì)算各種能源量的換算指標(biāo)），其中，公共建筑能耗占比38.3%，單位面積能耗29.73 kgce/m2[1]。從發(fā)展挑戰(zhàn)看，我國(guó)建筑總量仍將持續(xù)增長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展處于轉(zhuǎn)型期，人民群眾生活水平處于提升期，對(duì)居住舒適度及環(huán)境健康性能的要求不斷提高，大量新型用能設(shè)備進(jìn)入家庭，對(duì)做好建筑節(jié)能與綠色建筑發(fā)展工作提出了更高要求[2]。在此背景下，各地相繼出臺(tái)了更高的建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。如2020 年，北京發(fā)布的DB11/891—2020《居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》率先將居住建筑節(jié)能率由75%提升至80%以上，比行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)條文更加嚴(yán)格和細(xì)化。而對(duì)于公共建筑，尤其是節(jié)能現(xiàn)狀十分不理想的既有公共建筑的節(jié)能改造，整體進(jìn)程起步較晚，指導(dǎo)政策、規(guī)范細(xì)化制定滯后，改造市場(chǎng)非常巨大。隨著近幾年對(duì)節(jié)能重視程度的提高以及能源管理模式的轉(zhuǎn)變，如北京、上海、深圳等城市改造指導(dǎo)政策細(xì)化文件不斷出臺(tái)，公共建筑節(jié)能改造市場(chǎng)將快速發(fā)展。本文以北京市海淀區(qū)某養(yǎng)老建筑改造項(xiàng)目為例，通過(guò)改造前后能耗計(jì)算論述節(jié)能改造的潛力及意義。

3 工程概況

項(xiàng)目位于北京市海淀區(qū)，屬于寒冷B 區(qū)，最初建成于20世紀(jì)90 年代末，建筑規(guī)模為18 350.17 m2，地上3 層，原使用功能為賓館，擬更新改造后作為集生活用房、文娛及健身用房、醫(yī)療及康復(fù)用房為一體的老年人全日照料設(shè)施使用。由于項(xiàng)目建成時(shí)間超過(guò)20 年，前期經(jīng)較長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)營(yíng)，后期長(zhǎng)時(shí)間空置，缺乏維護(hù)，老化嚴(yán)重，土建安全性存在風(fēng)險(xiǎn)，給排水、暖通、電氣系統(tǒng)等機(jī)電系統(tǒng)均無(wú)法正常使用。改造的設(shè)計(jì)要求除滿足新功能使用外，還要基于現(xiàn)狀最大限度地實(shí)現(xiàn)綠色、節(jié)能和環(huán)保。

4 改造前的節(jié)能診斷

建筑主入口立面采用3 層通高玻璃幕墻，主入口雨棚陳舊。建筑外墻無(wú)保溫材料，外墻墻體分370 mm 厚實(shí)心黏土磚和300 mm 厚陶?；炷疗鰤K兩種。外窗為普通塑鋼推拉窗，氣密性不能滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。屋面保溫為50 mm 厚擠塑聚苯板，因防水層老化失效，屋面排水不暢，保溫層吸水，保溫效果大幅降低。通過(guò)查閱資料、現(xiàn)場(chǎng)踏勘等方式進(jìn)行節(jié)能診斷，利用仿真軟件進(jìn)行現(xiàn)狀各部位傳熱系數(shù)測(cè)算，具體數(shù)據(jù)如表1所示。

由表1 可見(jiàn)，現(xiàn)狀建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)不滿足現(xiàn)行設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)結(jié)露驗(yàn)算，外墻內(nèi)表面最低溫度7.52 ℃，屋頂內(nèi)表面最低溫度4.73 ℃，均結(jié)露。此外，建筑還存在采暖通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)、生活熱水供應(yīng)系統(tǒng)、供配電與照明系統(tǒng)效率過(guò)低且供配電系統(tǒng)三相不平衡等問(wèn)題，針對(duì)上述部位及系統(tǒng)進(jìn)行改造，具有較大的節(jié)能改造潛力。

表1 現(xiàn)狀外圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)計(jì)算

5 外圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能改造方案

因建筑的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能與建筑的負(fù)荷和能耗有著直接關(guān)聯(lián)。因此，對(duì)建筑的外墻、屋面、外窗進(jìn)行節(jié)能改造，能較好地優(yōu)化保溫性能，降低建筑能耗。本工程的改造目標(biāo)參照GB/T 50378—2019《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》三星級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能較GB 50189—2015 《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》提高20%，或負(fù)荷降低15%。改造方案分別從外墻、屋面、外窗及幕墻進(jìn)行。

5.1 外墻節(jié)能改造

常見(jiàn)的外墻保溫做法主要包括外墻外保溫、外墻內(nèi)保溫以及夾層保溫?？紤]既有公共建筑節(jié)能改造涉及冷熱橋處理、基層處理等，優(yōu)選采用外保溫，不僅能夠達(dá)到良好的保溫隔熱效果，還能夠避免室內(nèi)使用面積被占用。本項(xiàng)目外墻改造選用200 mm 厚G 型熱固復(fù)合聚苯板050 級(jí)保溫，燃燒性能為A2級(jí)，傳熱系數(shù)達(dá)到0.23。該材料具有很好的憎水性、尺寸穩(wěn)定性，因保溫層厚度較大，施工采取雙層錯(cuò)縫粘貼，減少冷橋。

5.2 屋面節(jié)能改造

將原有屋面的構(gòu)造做法全部拆除，基層清理干凈。重新對(duì)保溫和防水進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工?；炷疗轿菝娴臉?gòu)造做法可分為正置式屋面和倒置式屋面兩種。簡(jiǎn)單概括二者不同之處是正置式屋面保溫隔熱層在防水下方，倒置式屋面保溫隔熱層在防水上方。本次改造采用倒置式屋面，采用200 mm 厚憎水性擠塑聚苯板保溫材料，具有保溫隔熱、延長(zhǎng)防水層使用年限、減少后期維修等優(yōu)點(diǎn)。

5.3 外門(mén)窗節(jié)能改造

作為建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一，合理的門(mén)窗節(jié)能設(shè)計(jì)能夠有效地降低建筑物運(yùn)轉(zhuǎn)的能耗率。以北京為例，由于冬季面臨嚴(yán)寒，夏季面臨酷暑的問(wèn)題，為了能夠?qū)崿F(xiàn)室內(nèi)氣流的有效運(yùn)轉(zhuǎn)，達(dá)到冬暖夏涼的目的，設(shè)計(jì)師需要以降低能耗為目標(biāo)優(yōu)化門(mén)窗節(jié)能設(shè)計(jì)。門(mén)窗的熱工性能體現(xiàn)在型材和玻璃兩個(gè)方面?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)整型材厚度、腔室數(shù)量和填充保溫材料提供熱工性能。中空玻璃通過(guò)填充惰性氣體和暖邊間隔條提高性能。在本次改造中，門(mén)窗系統(tǒng)選用了115 系列鋁木復(fù)合平開(kāi)窗，玻璃配置5 單銀Low-E+12Ar+5+12Ar+5 單銀Low-E，整窗傳熱系數(shù)≤1.0，太陽(yáng)得熱系數(shù)0.25。

5.4 新能源在建筑節(jié)能與建筑設(shè)計(jì)中的利用

作為一種新型的可再生的清潔能源，太陽(yáng)能資源具有可持續(xù)、污染少的特點(diǎn)，憑借著太陽(yáng)能資源的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，太陽(yáng)能資源在建筑節(jié)能與建筑設(shè)計(jì)中具有極高的應(yīng)用覆蓋率。光伏建筑一體化技術(shù)將光伏組件與建筑物結(jié)合，不占用地面空間，是光伏綠色能源在城市中廣泛應(yīng)用的最佳方式。利用該技術(shù)，不僅可以滿足建筑的供能需求，還可以通過(guò)針對(duì)性的改造，實(shí)現(xiàn)既有建筑防水、保溫、降噪等基本功能的更新和建筑形象的提升[3]。如何從建筑設(shè)計(jì)角度，在公共建筑改造中利用光伏新技術(shù)，是設(shè)計(jì)需要考慮的重要課題。北京市年平均日照時(shí)數(shù)在2 000～2 800 h。本項(xiàng)目位于郊區(qū)，周邊建筑密度及建筑層數(shù)較低。朝向正南正北，周邊無(wú)建筑物遮擋。建筑3 層，建筑平面類似長(zhǎng)方形，屋面面積大。綜合建筑現(xiàn)狀和空間形式，考慮建筑中公共餐廳及多功能廳兩個(gè)大空間的現(xiàn)狀屋面為前業(yè)主改造加建的鋼結(jié)構(gòu)，與原結(jié)構(gòu)主體連接處出現(xiàn)多處裂縫，本次改造予以拆除后新建光伏一體化屋面。屋面對(duì)美觀度要求較低，設(shè)計(jì)采用了黑色晶硅組件，上部采用3.2 mm 厚玻璃，背部采用6 mm 厚玻璃，晶硅類BIPV 組件單位裝機(jī)功率高，單位功率可達(dá)200 W/m2；轉(zhuǎn)化效率可達(dá)16%~22%，用來(lái)滿足建筑照明。

5.5 改造前后能效對(duì)比

基于BIM 軟件，建立能耗模型，對(duì)建筑改造前后進(jìn)行能耗對(duì)比的仿真計(jì)算，能耗變化見(jiàn)表2。

表2 改造前后能耗對(duì)比表

通過(guò)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造以及光伏一體化的利用，節(jié)能率提升了62.03%。按照建筑面積18 350.17 m2計(jì)算，改造后供暖供冷綜合能耗節(jié)能518 942.81 kW·h，節(jié)能效果顯著。

6 結(jié)語(yǔ)

鑒于新經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式對(duì)于各個(gè)行業(yè)發(fā)展提出的低碳要求，建筑行業(yè)勢(shì)必迎來(lái)深刻變革，降低新舊建筑能耗將成為未來(lái)行業(yè)面臨的突出課題，而既有公共建筑因其基數(shù)規(guī)模大、整體能耗強(qiáng)度高的特點(diǎn)，對(duì)其節(jié)能改造具有很強(qiáng)的必要性。通過(guò)整合其他學(xué)者研究成果及本人實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，對(duì)于既有公共建筑節(jié)能改造主要針對(duì)外墻、屋面、門(mén)窗3 大系統(tǒng)進(jìn)行改造升級(jí)，并引入光伏等新能源作為輔助遮陽(yáng)、供能手段，改造后科學(xué)的精細(xì)化運(yùn)營(yíng)管理，三者結(jié)合是當(dāng)前最具有可行性的節(jié)能改造模式之一，具有較強(qiáng)的實(shí)踐參考價(jià)值。如何降低我國(guó)建筑單位能耗量，不僅僅關(guān)系著我國(guó)“3060”雙碳目標(biāo)能否實(shí)現(xiàn)，更關(guān)系著國(guó)人的生存環(huán)境能否進(jìn)一步改善，是實(shí)現(xiàn)人們對(duì)于美好生活愿景的必然途徑，因此，探索有效降低能耗的節(jié)能技術(shù)和管理模式是每個(gè)建筑從業(yè)人員都應(yīng)該思考的重要課題。