基于“雙碳”目標(biāo)的老舊小區(qū)建筑節(jié)能改造技術(shù)應(yīng)用

摘要：基于“雙碳”目標(biāo)的背景，以河南省鄭州市某老舊小區(qū)為例，探討建筑節(jié)能改造技術(shù)的應(yīng)用。通過(guò)系統(tǒng)的外墻、外窗、屋頂改造，以及海綿化改造，建筑的節(jié)能效果顯著提升。研究結(jié)果表明，改造后老舊小區(qū)建筑采暖負(fù)荷從改造前的93.52 kW/m2 降至33.98kW/m2，制冷負(fù)荷從改造前的7.97 kW/m2 降至5.10 kW/m2，總能耗減少50% 左右；改造后老舊小區(qū)建筑外墻傳熱系數(shù)從改造前的2.95W/m2·K 降至0.42 W/m2·K，屋頂傳熱系數(shù)從改造前的6.62 W/m2·K 降至0.30 W/m2·K，外窗傳熱系數(shù)從改造前的5.78 W/m2·K 降至2.82 W/m2·K。同時(shí)，通過(guò)應(yīng)用光伏發(fā)電系統(tǒng)，不僅減少了對(duì)傳統(tǒng)電網(wǎng)的依賴，還顯著降低了碳排放。因此，改造方案不僅有效提高了老舊小區(qū)建筑的能效，還為老舊小區(qū)節(jié)能改造提供了重要參考。

關(guān)鍵詞：“雙碳”目標(biāo)；老舊小區(qū)；建筑節(jié)能改造

近年來(lái)，全球氣候變化的日益加劇使得各國(guó)紛紛制定應(yīng)對(duì)措施，力求減緩溫室氣體的排放并實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。我國(guó)作為全球最大的碳排放國(guó)之一，提出了“到2030 年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060 年實(shí)現(xiàn)碳中和”的“雙碳”目標(biāo)[1]，對(duì)各行業(yè)碳排放提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。建筑能耗是我國(guó)能源消耗和碳排放的主要來(lái)源之一，約占全國(guó)總能耗的40% 以上，因此建筑領(lǐng)域因其高能耗和高碳排放特性成為節(jié)能減排重點(diǎn)關(guān)注的領(lǐng)域之一。老舊小區(qū)建筑由于建造時(shí)間較早，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)落后，普遍存在墻體、屋頂、門(mén)窗保溫性能差與能效低下等問(wèn)題，成為建筑領(lǐng)域節(jié)能改造的重點(diǎn)目標(biāo)[2]。尤其是在冬夏兩季，老舊小區(qū)的建筑能耗高峰明顯，供暖和制冷系統(tǒng)效率低下，造成了巨大的能源浪費(fèi)和碳排放[3]。因此，在“雙碳”目標(biāo)下，如何有效推動(dòng)老舊小區(qū)建筑的節(jié)能改造，減少建筑運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的碳排放，成為建筑領(lǐng)域亟待解決的問(wèn)題。

1 老舊小區(qū)概況

河南省鄭州市某老舊小區(qū)（下稱“案例老舊小區(qū)”），建成于1995 年，共由20 棟樓組成，采用磚混結(jié)構(gòu)，建筑總面積為58974 m2。由于在建設(shè)時(shí)采用的建筑標(biāo)準(zhǔn)較低，未能充分考慮節(jié)能和環(huán)保需求，導(dǎo)致案例老舊小區(qū)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫性能較差。具體而言，案例老舊小區(qū)的外墻、窗戶、屋頂在設(shè)計(jì)與施工時(shí)并未采用現(xiàn)代節(jié)能材料，致使建筑熱工性能較低，冬季和夏季的室內(nèi)外溫差尤其大，熱損失顯著，不僅增加了采暖和制冷的能耗，還大幅提升了居民的能源費(fèi)用開(kāi)支，導(dǎo)致居民生活質(zhì)量下降。加之，供暖設(shè)備老舊，管道保溫效果差，且供暖系統(tǒng)的調(diào)控能力不足，不能根據(jù)外界溫度的變化進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，進(jìn)一步加劇了能源浪費(fèi)，使得案例老舊小區(qū)供暖系統(tǒng)的能源利用率較低，而且夏季制冷依賴傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)，能源消耗高且效率不佳。另外，建筑的年久失修也是導(dǎo)致案例老舊小區(qū)建筑能耗高的一個(gè)重要原因，隨著建筑使用年限的增長(zhǎng)，外墻保溫層逐漸老化，窗戶密封性下降，屋頂隔熱性能減弱，建筑整體能效水平不斷下降。因此，進(jìn)行建筑節(jié)能改造，提升能源利用效率，成為案例老舊小區(qū)實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能減排目標(biāo)的關(guān)鍵步驟。

2 建筑節(jié)能改造方案設(shè)計(jì)

2.1 外墻節(jié)能改造

2.1.1 改造思路

案例老舊小區(qū)建筑外墻由于年代久遠(yuǎn)，外墻表面已出現(xiàn)大塊脫落，使得外墻保溫效果不佳，從而導(dǎo)致冬季熱量損失嚴(yán)重、夏季冷量流失較多，因此為了有效提高建筑的熱工性能并減少能耗，必須對(duì)小區(qū)建筑外墻進(jìn)行節(jié)能改造。基于“雙碳”目標(biāo)，通過(guò)使用新型保溫材料并設(shè)計(jì)保溫隔熱系統(tǒng)，對(duì)外墻進(jìn)行保溫隔熱加固，有效提升建筑的保溫隔熱效果。

2.1.2 增設(shè)外墻保溫隔熱系統(tǒng)

增設(shè)由粘結(jié)層、保溫層、連接層、增強(qiáng)防護(hù)層、飾面層5 個(gè)功能層組成的外墻保溫隔熱系統(tǒng)，且每個(gè)功能層都具有特定功能，采用粘貼和機(jī)械錨栓輔助固定相結(jié)合的方式對(duì)每個(gè)功能層進(jìn)行固定，既確保了系統(tǒng)的穩(wěn)固性，又能有效地延長(zhǎng)系統(tǒng)使用壽命。為確保整體的隔熱效果和穩(wěn)定性，粘結(jié)層主要作用是將整個(gè)保溫隔熱系統(tǒng)牢固地粘貼在建筑外墻上，使用具有良好粘結(jié)性能的膠黏劑，確保保溫層與外墻之間的有效結(jié)合；保溫層是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，主要負(fù)責(zé)隔熱保溫，選用自重輕、保溫性能優(yōu)異、材料性質(zhì)穩(wěn)定、不易受潮和變形的擠塑聚苯板（XPS）作為保溫材料，可大幅度地減少熱量的傳導(dǎo)；連接層主要作用是加強(qiáng)保溫系統(tǒng)與墻體的粘結(jié)性，保證保溫層不脫落，采用錨栓為主要固定材料，通過(guò)物理加固方式進(jìn)一步提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性；增強(qiáng)防護(hù)層采用石膏粉刷，并鋪設(shè)耐堿網(wǎng)布，其主要功能是防止保溫系統(tǒng)發(fā)生裂縫，起加固作用；飾面層主要起到了美觀的功能，同時(shí)具備防水、防火的性能，主要采用外墻涂料，有效阻擋雨水滲透，減少火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，保護(hù)整個(gè)保溫系統(tǒng)免受自然環(huán)境的侵害。

2.2 外窗節(jié)能改造

2.2.1 改造思路

外窗是建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中熱量流失的關(guān)鍵部位之一，案例老舊小區(qū)建筑由于使用的是導(dǎo)熱性較強(qiáng)的單層玻璃窗，導(dǎo)致室內(nèi)外溫度交換頻繁，供暖和制冷的能耗增加。因此，外窗節(jié)能改造是案例老舊小區(qū)建筑提升能源利用效率的有效途徑之一。該改造思路是對(duì)案例老舊小區(qū)建筑的外窗玻璃進(jìn)行更換，選用節(jié)能窗型，并調(diào)整窗框比，顯著降低窗戶的熱傳導(dǎo)率，提高建筑的節(jié)能效果。

2.2.2 將外窗玻璃更換為中空玻璃窗

通過(guò)采用將外窗更換為2 層或3 層中空玻璃窗的節(jié)能改造方案，并結(jié)合低輻射玻璃（Low-E）技術(shù)，顯著降低案例老舊小區(qū)建筑外窗的熱傳導(dǎo)率，提高建筑的節(jié)能效果。一是，將案例老舊小區(qū)建筑外窗的單層白色及彩色玻璃更換為L(zhǎng)ow-E 中空玻璃，使傳熱系數(shù)K 從改造前的4.0 W/m2·K 降至2.5 W/m2·K，遮陽(yáng)系數(shù)SC 從改造前的0.75～0.85降至0.35～0.45。二是，將推拉窗更換為上懸窗或開(kāi)平窗，有效減小空氣的滲透。三是，將在0.25～0.34 之間的窗框比，調(diào)整為較合理的0.18～0.28 之間，在滿足采光需求下，有效降低熱量流失。

2.3 屋頂節(jié)能改造

2.3.1 應(yīng)用倒置式屋頂保溫隔熱技術(shù)

2.3.1.1 改造思路

屋頂作為建筑結(jié)構(gòu)中直接暴露于外界的部分，其熱傳導(dǎo)和輻射性能對(duì)建筑整體能耗有重要影響。案例老舊小區(qū)建筑屋頂保溫性能較差，導(dǎo)致頂層住戶在夏季面臨嚴(yán)峻的熱舒適性問(wèn)題，增加了建筑的空調(diào)制冷負(fù)荷。為解決這一問(wèn)題，并提高屋頂?shù)哪茉葱?，主要采用倒置式屋頂保溫隔熱技術(shù)，結(jié)合綠色種植屋頂，有效降低屋頂?shù)臒崃繐p失，提升案例老舊小區(qū)建筑的節(jié)能效果。

2.3.1.2 在屋頂防水層之上增加保溫隔熱層

倒置式屋頂保溫隔熱技術(shù)是在屋頂防水層之上增加保溫隔熱層，使保溫材料置于防水層的外部。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能夠減少因溫度變化導(dǎo)致的防水層老化，提高屋頂系統(tǒng)的耐久性；同時(shí)，保溫層的存在可以有效阻隔熱量通過(guò)屋頂傳導(dǎo)，減少夏季熱量進(jìn)入室內(nèi)的速度，提升建筑的熱穩(wěn)定性。屋頂采用倒置式保溫隔熱節(jié)能改造結(jié)構(gòu)如圖1 所示，保溫層設(shè)在防水層與隔離層之間，采用硬泡聚氨酯板材料，具有保溫和防水功能；保護(hù)層為厚度25 m 水泥砂漿凝固后的表面層。結(jié)合綠色種植技術(shù)，在保護(hù)層上面種植綠色植物，利用植物的蒸騰作用，以及土壤和植物層對(duì)屋頂進(jìn)行自然隔熱，進(jìn)一步降低屋頂表面的溫度。此外，種植屋頂作為綠色基礎(chǔ)設(shè)施的一部分，還能夠改善小區(qū)的微氣候，以及增加城市綠化面積，減少城市熱島效應(yīng)。

2.3.2 利用光伏發(fā)電技術(shù)

2.3.2.1 改造思路

隨著“雙碳”目標(biāo)的提出，可再生能源的廣泛應(yīng)用成為實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能與減排的重要手段。光伏發(fā)電技術(shù)作為一種成熟的可再生能源技術(shù)，能夠?yàn)榻ㄖ峁┣鍧崱⒎€(wěn)定的電力來(lái)源，特別適用案例老舊小區(qū)的節(jié)能改造。在建筑屋頂鋪設(shè)太陽(yáng)能光伏板，充分利用太陽(yáng)能發(fā)電，從而減少建筑用能對(duì)傳統(tǒng)電網(wǎng)的依賴，進(jìn)一步降低建筑的碳排放。

2.3.2.2 在屋頂上鋪設(shè)光伏組件

在案例老舊小區(qū)建筑屋頂鋪設(shè)光伏組件，利用太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)化為電能供建筑使用。光伏發(fā)電系統(tǒng)可與建筑電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，將多余的電能回輸?shù)焦搽娋W(wǎng)，或采用儲(chǔ)能系統(tǒng)將電能儲(chǔ)存以備不時(shí)之需。此外，在建筑屋頂面積充足或光照充足的季節(jié)，太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)還能為整個(gè)小區(qū)提供部分或全部的電力需求。

2.4 海綿化改造

2.4.1 改造思路

案例老舊小區(qū)建筑中及樓宇間鋪設(shè)的排水管網(wǎng)設(shè)計(jì)口徑小且老化嚴(yán)重，排水標(biāo)準(zhǔn)較低，導(dǎo)致小區(qū)極易發(fā)生內(nèi)澇；同時(shí)，小區(qū)樓宇間道路下墊面硬質(zhì)化嚴(yán)重，景觀綠地空間不足，雨水調(diào)蓄設(shè)施缺乏，重排輕蓄，造成了水資源浪費(fèi)。因此，可將海綿城市建設(shè)思路與案例老舊小區(qū)建筑節(jié)能改造相結(jié)合，采用下沉式綠地技術(shù)來(lái)進(jìn)行改造[4]。

2.4.2 建設(shè)下沉式綠地

將下沉式綠地技術(shù)融入案例老舊小區(qū)建筑節(jié)能改造之中，利用地形的高差承接和儲(chǔ)存建筑屋頂集結(jié)下排與落入樓宇間道路上的雨水，同時(shí)增加景觀和物種多樣性，提升小區(qū)水資源利用效率。下沉式綠地的下凹深度為100～200 mm，設(shè)置頂部標(biāo)高高于綠地50～100 mm的溢流口，改造造價(jià)約40 元/m2。

3 節(jié)能改造前后的效果分析

3.1 節(jié)能效果顯著

以O(shè)pen Studio 軟件Energy Plus 為計(jì)算引擎，采用Sketch Up 建模，對(duì)案例老舊小區(qū)建筑節(jié)能改造后的節(jié)能情況進(jìn)行模擬研究。結(jié)果表明，改造后案例老舊小區(qū)建筑的采暖負(fù)荷從改造前的93.52 kW/m2 降至33.98 kW/m2；制冷負(fù)荷從改造前的7.97 kW/m2 降至5.10 kW/m2；總負(fù)荷從改造前的115.69 kW/m2 降至53.28 kW/m2。同時(shí)，改造后的建筑外墻傳熱系數(shù)從改造前的2.95 W/m2·K 降至0.42 W/m2·K；外窗傳熱系數(shù)從改造前的5.78 W/m2·K 降至2.82 W/m2·K；屋頂傳熱系數(shù)從改造前的6.62 W/m2·K 降至0.30 W/m2·K。

3.2 二氧化碳排放量降低

在“雙碳”目標(biāo)的指導(dǎo)下，建筑的二氧化碳排放量也是節(jié)能改造效果的重要評(píng)估指標(biāo)。通過(guò)引入光伏發(fā)電技術(shù)提高能源利用效率和減少能耗，改造后的案例老舊小區(qū)建筑碳排放量可減少50% 左右。特別是太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用，使得案例老舊小區(qū)建筑可通過(guò)使用自發(fā)綠電量滿足自身能源需求，減少了對(duì)傳統(tǒng)電網(wǎng)的依賴，從而顯著降低了二氧化碳的排放量。

3.3 環(huán)境與社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益明顯

節(jié)能改造后的案例老舊小區(qū)建筑在節(jié)約能源的同時(shí)，也減少了二氧化碳和顆粒物等空氣污染物的排放，對(duì)城市空氣質(zhì)量改善具有促進(jìn)作用；同時(shí)，節(jié)能改造后的案例老舊小區(qū)建筑熱舒適性與居住條件顯著提升，可讓居民享受到更加健康、舒適的生活環(huán)境。因此，案例老舊小區(qū)建筑節(jié)能改造后的環(huán)境效益顯著。

除此之外，雖然在節(jié)能改造初期，新型保溫材料、光伏發(fā)電系統(tǒng)和智能化能源管理系統(tǒng)的采購(gòu)和安裝費(fèi)用，使得案例老舊小區(qū)建筑節(jié)能改造投資較大。但改造后，每年節(jié)省下來(lái)的可觀的能源費(fèi)用，使得案例老舊小區(qū)在5～10 a內(nèi)就能收回建筑節(jié)能改造投資成本。同時(shí)，伴隨建筑能耗的顯著下降，居民的能源支出也相應(yīng)減少。因此，案例老舊小區(qū)建筑節(jié)能改造的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益明顯。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)應(yīng)用建筑節(jié)能改造技術(shù)，改造后案例老舊小區(qū)的建筑能耗可降低50%左右，建筑的碳排放量顯著減少，采暖和制冷系統(tǒng)的能效大幅提升，居民生活質(zhì)量明顯改善。此外，光伏發(fā)電技術(shù)和智慧能源管理系統(tǒng)的應(yīng)用，進(jìn)一步增強(qiáng)了案例老舊小區(qū)建筑的節(jié)能效果，未來(lái)可在不同氣候條件下進(jìn)一步探索新材料和新技術(shù)的應(yīng)用，以推動(dòng)更多地區(qū)的老舊小區(qū)建筑節(jié)能改造，助力“雙碳”目標(biāo)早日實(shí)現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介

曹正華（1982—），男，漢族，山西原平人，高級(jí)工程師，大學(xué)本科，研究方向?yàn)榻ㄖこ淌┕ぁ?/p>

加工編輯：馮為為

收稿日期：2024-10-08