既有建筑的保溫與節(jié)能改造

龐朝日 趙靜 郭春靜 張欣瑜 張梓潔

摘要：既有建筑作為城市建筑總量中重要的組成部分，大多數(shù)存在建設時間早、建設量大、建筑能耗高等問題，是建筑節(jié)能工作推進的重點。面對這一情況，對既有建筑實行綠色節(jié)能改造是當前降低建筑能耗最有效的途徑。以燕山大學建筑館為例，從保溫、節(jié)能等方面提出改造方向，并進行探討與思考。

關(guān)鍵詞：既有建筑改造； 保溫； 節(jié)能

中圖分類號：TU761.1+2文獻標志碼：A

0引言

隨著近年來碳達峰、碳中和目標的提出以及節(jié)能減排等國家政策的推動，既有建筑改造愈發(fā)得到關(guān)注。我國大部分既有建筑建成時間較早，設計和施工方面缺乏節(jié)能措施，整體出現(xiàn)能耗高、安全性差等問題。截止到2021年，我國建筑能耗已占到全國能源消費總量的46.5%，但能源效率目前僅為33%，比發(fā)達國家落后20年，能耗強度大大高于發(fā)達國家及世界平均水平。

將這些高能耗既有建筑全部拆除重建顯然是不可行的，會造成更大的能源與資源的浪費，有悖于可持續(xù)發(fā)展的理念。因此，充分發(fā)揮既有建筑的改造潛力，選擇切實有效、合理的技術(shù)措施對其進行全面綠色改造十分必要。對既有建筑的綠色改造設計，要求在節(jié)能的同時還要減少污染、保護環(huán)境，并充分利用自然通風采光，為使用者創(chuàng)造出自然、舒適的空間。因此研究既有建筑的綠色建筑改造刻不容緩。結(jié)合國家城市化進程的發(fā)展戰(zhàn)略，發(fā)現(xiàn)既有建筑現(xiàn)存的問題，并對其改造提出切實可行的建議，是本項目的主要目的。

1現(xiàn)狀分析

1.1基地分析

燕山大學建筑館位于河北省秦皇島市燕山大學東校區(qū)，建成于1986年，已投入使用長達36年之久，屬于燕山大學第一教學樓建筑群范圍。日前，燕山大學第一教學樓建筑群已獲批市級歷史保護建筑。因此，對其改造時應注意對其原貌的保護。

場地內(nèi)有著高差為3.9 m的坡地，建筑北側(cè)為3層高的第一教學樓，南側(cè)為羽毛球場，東西兩側(cè)為綠地景觀，環(huán)境良好。建筑主要功能為辦公，主體3層，局部4層，高度達12.45 m，建筑基底面積為1 354.2 m2，建筑面積為4 570 m2，建筑體型系數(shù)為0.25。

建筑布局成回字形結(jié)構(gòu)，房間沿走廊單面布置，另一面形成內(nèi)庭院活動場地，建筑西北與東南拐角處布置樓梯，西南與東北拐角處布置衛(wèi)生間。立面設計上，其建筑風格與第一教學樓保持一致，簡潔但富有變化，厚重的外框是其特色。

1.2氣候特征

秦皇島地處寒冷地區(qū)，屬暖溫帶半濕潤海岸帶大陸性季風型氣候區(qū)，受海洋影響氣候溫和，冬夏季風明顯，具有四季分明、冬季干冷多風、夏季潮濕多云無酷暑、春秋溫暖適中的特點。因距蒙古高壓中心較近，全年受其控制的風最長，主要風向受季風影響，隨季節(jié)的變化規(guī)律是：每年3月為東風，5月為西風，7月為東南及南風，11月為東北風?？傊募径辔髂巷L，冬春季多東北風。

通過對秦皇島市1966—2018年的氣候舒適度進行查找資料發(fā)現(xiàn)，近53年夏季冬季氣候舒適度均呈增暖趨勢，冬季增暖幅度大于夏季；熱不舒適日數(shù)自20世紀90年代開始激增且持續(xù)偏多，寒冷不舒適日數(shù)呈逐年代減少態(tài)勢［1］。故秦皇島地區(qū)的建筑必須充分考慮夏季適宜的自然通風要求，冬季需要防寒和保溫的要求。

1.3現(xiàn)存問題

基于前期對燕山大學建筑館的調(diào)研和分析，發(fā)現(xiàn)建筑館存在較多問題：光環(huán)境方面，在建筑使用過程中，各空間用電需求量較大，建筑回字形的布局方式也造成建筑內(nèi)部采光需要依靠照明設施長時間開啟的情況，造成建筑整體耗電量較大；風環(huán)境方面，建筑館內(nèi)部的通風方式主要為側(cè)窗通風和內(nèi)庭院通風，由于四周房間多為私密辦公空間，與走廊的界面較為封閉，導致側(cè)窗通風并不能給建筑內(nèi)部帶來良好的風環(huán)境，而建筑中央的內(nèi)庭院玻璃頂為固定的桁架結(jié)構(gòu)，中間封閉，四面開敞，也不利于夏季通風和冬季保溫，造成師生工作及活動環(huán)境較差；保溫性方面，建筑館外窗前兩年已更換為節(jié)能窗，但外墻和屋面的保溫層未做更新，建筑內(nèi)部能耗較高，亟需進行節(jié)能改造（圖1、圖2）。

2改造措施

通過對建筑現(xiàn)狀改造的可行性分析，提出對建筑館進行綠色節(jié)能改造措施，重點在保溫、節(jié)能兩大方面。

2.1采用太陽能供電系統(tǒng)（節(jié)能）

秦皇島為全國太陽能資源Ⅱ類地區(qū)，太陽能資源較豐富，據(jù)統(tǒng)計秦皇島多年平均日照小時數(shù)2 850 h，多年平均日照輻射量5 000～5 833 MJ/m2，對于開發(fā)太陽能資源，發(fā)展光伏發(fā)電具有良好的自然條件［2］。

高校辦公建筑內(nèi)的供電和照明系統(tǒng)是重要的能源消耗設備，在進行綠色建筑改造過程中，對其進行節(jié)能設計是必然的。對于供電系統(tǒng)而言，可考慮安裝太陽能光伏電板。光伏發(fā)電系統(tǒng)是利用太陽能發(fā)電的一種新能源技術(shù)，該系統(tǒng)能夠充分將自然能源轉(zhuǎn)化為電能以滿足建筑館的用電需要，既可極大極限提高發(fā)電效率，又可降低建筑館運行成本。

在城市中，光伏系統(tǒng)普遍安裝在陽光充沛的建筑屋頂上，不占用額外的地面空間，可以彌補城市用電的缺口，同時達到了節(jié)能環(huán)保的目的。在本次改造中，擬將太陽能電池板安裝在建筑館的屋頂，充分地利用太陽能，使其有效地轉(zhuǎn)化為電能，在炎熱的夏季還可以有效地遮擋陽光直接暴曬屋頂，為建筑屋頂降溫，起到建筑空調(diào)降溫的作用［3］。這不僅大大降低了屋頂溫度和室內(nèi)溫度，還可以延長屋頂防水材料使用壽命，甚至能夠間接地減少室內(nèi)空調(diào)的使用頻率，進而達到資源的高效利用。

同時也應該注意的是，不同傾斜角與朝向的安裝，太陽能電池的發(fā)電量將會不同，當光伏組件安裝方向為最佳傾斜角時，有利于最大化收集太陽輻射［4］。

建筑館屋頂面積可達800 m2，光伏板的覆蓋面積較大，若屋頂全覆蓋光伏發(fā)電板，光伏板朝南向安裝，傾斜角度為45°，最多可安裝296塊450 W發(fā)電板（2 m×1 m），裝機容量可達133.2 kW，日平均發(fā)電量399.6 kWh。

2.2采用可控的內(nèi)庭院玻璃頂（保溫、節(jié)能）

秦皇島為溫帶大陸性氣候，冬季寒冷干燥，多風沙天氣，為實現(xiàn)建筑館內(nèi)庭院的冬季保溫及日常遮雨的功能，已有的建筑館在內(nèi)庭院頂部設計了玻璃頂，但較封閉的玻璃頂導致建筑館內(nèi)庭院通風環(huán)境較差，特別在夏季時內(nèi)庭院悶熱，原有空間無法提供師生良好的活動環(huán)境，空間使用效果較差。為改善建筑館內(nèi)庭院的風環(huán)境，同時保留冬季內(nèi)庭院的保溫作用，此次研究將對玻璃頂進行改造，通過對玻璃頂?shù)闹悄芸刂茖崿F(xiàn)對內(nèi)庭院風環(huán)境的改善。

改造后的玻璃頂由一個單元重復搭建而成，單元由可變部分與固定部分組成，可變部分通過電控開關(guān)實現(xiàn)玻璃板的打開與閉合，而固定部分與水平方向呈一定角度，利于內(nèi)庭院內(nèi)外視線的穿透。電控開關(guān)可以與相應的氣候傳感器相連，使玻璃頂能夠適應天氣變化而進行打開與閉合的變化。冬季時，可變部分閉合，減小內(nèi)外空氣的對流，達到保溫的效果；夏季時，可變部分打開，促進內(nèi)庭院內(nèi)外空氣對流，實現(xiàn)通風降溫的效果。在日常狀態(tài)，可根據(jù)天氣、溫度等因素調(diào)節(jié)玻璃頂開放角度，達到對建筑館內(nèi)庭院環(huán)境的改善（圖3）。

2.3優(yōu)化建筑圍護結(jié)構(gòu)保溫構(gòu)造（保溫、節(jié)能）

秦皇島屬于北方寒冷地區(qū)，必須滿足冬季保溫的要求。建筑圍護結(jié)構(gòu)熱工性能按構(gòu)件類型可分為三個方面來研究，主要為門窗、外墻、屋面的保溫性能研究。建筑系館的建設時間較早，為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，填充墻采用普通機磚，外窗在前兩年已更換為65系列三玻兩中空平開鋁合金保溫節(jié)能窗，玻璃為5+9A+5+9A+5型，原建筑外墻及屋面未設保溫層。計算說明：

外窗傳熱系數(shù)為2.0 W/（m2·K），滿足河北省DB13-（J）81-2016《公共建筑節(jié)能設計標準》中對寒冷地區(qū)體形系數(shù)不大于0.30、窗墻面積比不大于0.50的建筑外窗傳熱系數(shù)K≤2.0 W/（m2·K）的標準要求。

原建筑外墻傳熱系數(shù)為2.139 W/（m2·K），不滿足河北省DB13（J）81-2016《公共建筑節(jié)能設計標準》中對寒冷地區(qū)體形系數(shù)不大于0.30的建筑外墻傳熱系數(shù)K≤0.50 W/（m2·K）的標準要求。

原建筑屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為2.488 W/（m2·K），不滿足河北省DB13（J）81-2016《公共建筑節(jié)能設計標準》中對寒冷地區(qū)體形系數(shù)不大于0.30的建筑外墻傳熱系數(shù)K≤0.45 W/（m2·K）的標準要求。

由此看出，新更換的外窗無需改變，而為減少外墻與屋面的傳熱系數(shù)，必須增設外墻與屋面的保溫層來提高建筑的保溫性能。根據(jù)GB 50016-2014（2018年版）《建筑設計防火規(guī)范》和河北省DB13（J）81-2016 《公共建筑節(jié)能設計標準》，屋面采用B1級70 mm厚擠塑聚苯保溫板、外墻采用A級100 mm厚巖棉保溫板，外窗保留65系列三玻兩中空平開鋁合金保溫節(jié)能窗。計算說明：

屋面70 mm厚擠塑聚苯板保溫層熱阻為2.12（m2·K）/W，外墻100 mm厚巖棉保溫層熱阻為1.98（m2·K）/W。根據(jù)K=1/R計算得出，屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為0.40 W/（m2·K），滿足標準要求；外墻平均傳熱系數(shù)為0.34 W/（m2·K），滿足標準要求。

對建筑館圍護結(jié)構(gòu)的改造，在不改變現(xiàn)有立面造型情況下，使節(jié)能實施過程更加簡便，提高了建筑的熱工性能，降低了建筑能耗。

3結(jié)束語

基于既有建筑節(jié)能改造的要求，對燕山大學建筑館改造前后效果進行對比分析得出：建筑外墻及屋面保溫層的更新改造使得建筑節(jié)能達到約75%，提高了建筑的熱工性能，降低了建筑能耗；屋面安裝光伏發(fā)電太陽能板達到日節(jié)電約399.6 kWh，降低建筑運行成本并達到資源高效利用的目的；內(nèi)庭院玻璃頂?shù)母脑煊行У卦黾邮覂?nèi)通風換氣次數(shù)，極大改善建筑內(nèi)部通風環(huán)境。

本次對燕山大學建筑館的改造，在滿足建筑基本功能需求的同時，一方面改善了建筑館的人居環(huán)境，提高了使用者的舒適性，讓建筑設計與改造更關(guān)注到人；另一方面在降低建筑耗能量、減少碳排放等方面具有顯著作用。

參考文獻

［1］徐靜，盧憲梅，劉志剛，等.1966—2018年秦皇島氣候舒適度時空變化特征［J］.氣象與環(huán)境學報，2020（3）：80-86.

［2］孫超.秦皇島撫寧20MWp中硅光伏接入系統(tǒng)設計［D］.秦皇島： 燕山大學，2016.

［3］劉瓊，李世民.建筑上光伏發(fā)電系統(tǒng)的設計與應用［J］.甘肅科技，2021（16）：19-21.

［4］劉成.淺析建筑屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)［J］.廣播電視信息，2017（5）：98-100.

［課題項目］2021年大學生創(chuàng)新訓練計劃（項目編號：CXXL2021399）

［作者簡介］龐朝日（2001—），女，在讀本科，研究方向為既有建筑改造。