建筑外围护结构节能改造技术优选研究

高子栋 展琳琳 济南中威检测技术有限公司

1 前言

随着能源问题与温室效应的不断加剧，我国政府于2020 年提出“2030 碳达峰、2060 碳中和”的政策目标[1]。从建筑的全生命周期过程来看，建筑行业的能耗、碳排放量在全社会总能耗、总碳排放量中占据相当大的比例，属于碳排放大户[2]。我国建筑节能要求采取“分步式”发展方式，建筑节能率已由二十世纪八十年代的30%提升到2010 年的75%，为助力我国双碳目标的实现，现如今有些省市甚至提出了居住建筑“节能80%”的要求，向超低能耗被动式建筑又迈进了一步。

我国人口众多，既有建筑数量庞大，且绝大部分属于高能耗建筑，普遍存在着外墙、屋顶、外窗等外围护结构的传热系数较大，建筑热工设计保温标准偏低，保温隔热性能较差的问题，其运行能耗过高严重制约着我国建筑行业向绿色、低碳、环保方向的发展，因此对我国既有公共建筑外围护结构进行节能改造势在必行，也是实现我国“碳达峰、碳中和”目标的有力措施，有助于实现建筑行业的高质量发展[3]。外围护结构节能改造主要是通过改善建筑物外围护结构的热工性能，使建筑物室内温度尽可能接近舒适温度，以减少通过辅助设备如采暖、制冷设备来达到适宜室温的负荷，最终达到节能的目的，与此同时，既有公共建筑外围护结构节能改造后力求获得可观的经济效益[4]。针对上述情况，本文以某宾馆1#楼为研究对象，对其外围护结构进行节能改造。通过考察其外墙、外窗、屋顶等构造组成及其传热系数对其进行节能诊断与判定；在此基础上，分别提出外墙、外窗及屋面不同节能改造方案；按照节能改造方案功能与成本合理匹配的原则，将节能改造功能评价和经济性评价方法运用到节能改造方案的优选中，得出最优外围护结构节能改造方案。期望本文研究内容和方法能为我国既有建筑外围护结构节能改造技术方案优选方向提供技术参考。

2 某节能改造宾馆工程概况介绍

该节能改造宾馆总占地面积16500m2。其中1#楼的建筑面积为3956m2，建筑表面积为3694m2，建筑体积为13900m3，体型系数为0.27，南偏东6 度朝向，东南西北方向窗墙比分别为0.26、0.45、0.24、0.29，总窗墙比为0.32。建筑物总高度为27.80m，地上共8层，其中1-4 层高3.2m/层，5 层高3.4m，6 层高4.8m，7-8层高3.4m/层，1-5层为客房，5层设一小会议室，6层设大中小会议室，7、8层为电梯机房。该节能改造宾馆建筑平均入住率为80%，年采暖时间为11 月中旬到次年3月中旬，平均为130天，年制冷时间为5月下旬到10月中旬，平均时间为150天。

3 建筑外围护结构节能诊断与判定

该节能改造宾馆工程建筑建于1989年，其结构形式为传统的砖混结构。通过现场检测及计算得知：该建筑外墙采用厚度为240mm粘土红砖砌筑，传热系数为2.04W/(m2·K)，没有采取节能措施；建筑外窗采用铝合金单层玻璃门窗，窗户整体传热系数为3.9W/(m2·K)，自遮阳系数为0.75，无外遮阳；建筑屋顶为平屋顶，碎石混凝土浇筑，传热系数为5.58W/(m2·K)，没有保温隔热措施。此外，根据以往能源账单统计，1#楼在节能改造前用于照明、动力、空调（制冷）设备的耗电量为1273839.58（kW·h）/a，价格为0.876元/（kW·h）；用于建筑的采暖、生活热水供应耗煤量为1486.31tce/a，价格为300元/tce。由此可知，该宾馆1#楼外围护结构无任何保温措施，热工性能差，用能设备能耗大，需要对其进行整体节能改造，以满足现行国家标准和建筑的实际节能要求。

4 建筑外围护结构节能改造备选技术方案

在上述节能诊断分析的基础上，按照50%节能设计标准，对该宾馆1#楼外墙、屋顶和外窗进行节能改造。综合考虑了节能改造成本、保温隔热效果以及节能改造技术的适用性和可行性等因素，对其外墙、屋面和外窗分别提出了以下3 个节能改造备选方案。

4.1 外墙节能改造备选技术方案

鉴于该宾馆建筑外墙有装饰砖饰面，本次改造考虑保留其饰面砖，在对基层墙体进行检查的基础上，将饰面空鼓或酥松部位铲除并修补后，采用聚合物砂浆批填砖缝，然后满批聚合物砂浆，再增加聚氨酯板、XPS挤塑聚苯板或发泡水泥板外保温系统。具体改造备选方案如表1所示。

表1 外墙节能改造备选方案

4.2 屋面节能改造备选技术方案

本文采用倒置屋面保温系统对该宾馆屋面进行节能改造，先在钢筋混凝土上铺设沥青油毡、油毡纸防水层，再加水泥砂浆保护层，最后将憎水性保温材料如XPS挤塑聚苯板、聚氨酯保温板，铺设在碎石、卵石混凝土上，并考虑增加种植草皮方案以起到吸水与绿化的作用。本工程屋面总改造面积为3725m2，具体节能改造备选方案如表2所示。

表2 屋面改造备选方案

4.3 外窗节能改造备选技术方案

依据既有公共建筑节能改造技术相关标准要求，对其外窗的节能改造，在满足热工条件的基础上，可采取换窗、加窗或贴膜等做法提高窗户的保温隔热性能。

为此，本工程外窗节能改造考虑采取将所有外窗更换为铝合金低辐射中空玻璃（6mm+12A+6mm）遮阳型平开窗、在原有铝合金单层玻璃外窗的内侧加一层保温性能好的铝合金单层玻璃窗，避免层间结露、在原有单层玻璃窗内侧贴膜3种方案。本节能改造工程外窗中改造面积为2566m2，具体改造备选方案如表3所示。

表3 外窗改造备选方案

5 建筑外围护结构节能改造技术方案功能性比较

采用前期研究得出的层次分析法评价体系，对上述外围护结构节能改造备选方案的各项功能性指标进行打分，并根据各项功能性指标的权重系数计算得出各备选方案的功能得分[4]。

5.1 外墙改造技术方案功能性评价

在厚度一定的条件下，聚氨酯板与挤塑聚苯板两者相比较，前者构成的系统传热系数相对较小，能达到更好的保温隔热效果，但聚氨酯板的材料成本也较高；在防火方面发泡水泥板的效果最好，但抗压强度较低，保温隔热效果有限，有一定的施工难度，且吸湿率较高，目前处在小规模使用阶段。经过对外墙节能改造备选方案打分，得出表4，可以看出外墙改造备选方案中方案A11的功能得分最高。

表4 外墙各改造方案功能指标层对应的方案层指标评价值计算表

5.2 屋面改造技术方案功能性评价

屋面节能改造备选方案中方案A22 比A21 多增加了一层植被层，相应的材料成本与施工难度增加，但其保温隔热效果更好，植被能起吸收雨水的作用，对保温系统的防水效果有利，且有一定的装饰效果；方案A23选用聚氨酯板作为保温隔热材料，其有质量轻的特点，相应的如铺设此种保温系统，对屋面增加的荷载会较小。经过对屋面节能改造备选方案打分，得出表5。

表5 屋面各改造方案功能指标层对应的方案层指标评价值计算表

5.3 外窗改造技术方案功能性评价

外窗节能改造备选方案中A31 和A32 较改造前玻璃的层数增加，方案A31 采用低辐射中空玻璃，相对于方案A32 加窗形成的双层白玻，隔热效果更好，且加窗方式容易形成层间结露，存在一定难度；方案A33采用贴膜的方式，外窗的传热系数相对于改造前没有降低，但起到了一定的遮阳效果，经过对外窗节能改造备选方案打分，得出表6。

表6 外窗各改造方案功能指标层对应的方案层指标评价值计算表

6 建筑外围护结构节能改造技术方案能耗模拟与经济性比较

针对上述提出的不同节能改造方案，本文首先采用PKPM建筑节能设计分析软件，通过改变参数的方式进行能耗模拟，分析各节能改造前后的能源节能量，进而计算各独立方案的静态投资回收期TP 和改造部件生命周期内的净现值NPV，得出各改造方案的经济效益。能耗模拟过程中假定该工程建筑使用性能相同的采暖空调系统，且其运行工况一样，节能改造前后采暖空调系统耗能减少量即分别为各改造方案的节能量。各方案经济效益计算时，主要考虑其初始投资成本，不考虑使用过程中的维护成本，节能量带来的经济节省即为节能收入，其中人民币贷款利率值定为6.55%。

6.1 外墙节能改造技术方案确定

A11、A12、A13三种外墙节能改造方案的能耗模拟与经济性比较结果如表7所示，假定外墙保温系统使用寿命为25 年。由表中可以看出，方案A11 和A12 的静态投资回收期相近；方案A13 在25 年限内净现值NPV＜0，说明其不具有投资效益。结合表3分析结果，方案A11 的功能得分优于A12，确定A11 聚氨酯板外保温系统为本工程建筑外墙的最优节能改造方案。

表7 外墙节能改造方案经济性比较

6.2 屋面节能改造技术方案确定

A21、A22、A23三种屋面节能改造方案的能耗模拟与经济性比较结果见表8，假定屋面保温系统使用寿命为25年。由表8可知，方案A22相比A21的静态投资期短；方案A23在25年限内净现值NPV＜0，说明其不具有投资效益。综合表4 中方案A22 的功能得分优于A21，因此该建筑屋面节能改造最优方案为采用聚氨酯保温板保温的A22。

表8 屋面节能改造方案经济性比较

6.3 外窗节能改造技术方案确定

A31、A32、A33三种外窗节能改造方案的能耗模拟与经济性比较结果见表9，外窗的使用寿命与建筑物基本相同为50 年。由表9 可看出，外窗节能改造前后的节能量不大，静态投资期较长，方案A31、A32的静态投资期分别高达28年、23年，综合表6中方案A31的功能得分优于A32，因此该建筑外窗节能改造最优方案为将所有外窗更换为铝合金低辐射中空玻璃（6mm+12A+6mm）遮阳型平开窗的A31。

表9 外窗节能改造方案经济性比较

7 结束语

在双碳目标驱动下，我国既有建筑节能改造时间紧、任务重，如何保证改造工程的节能效果值得我们进一步深入探索。不同地区、不同类型既有建筑外围护结构的热工性能、能耗特点各不相同，对其进行节能改造需从提高能源利用率的角度入手，在充分了解其能耗现状的基础上进行实际能耗诊断，进而提出功能性可靠、经济性可行的节能改造方案，有效避免盲目的节能改造[5]。为保证节能改造的有效性，本文采用了层次分析法评价体系，通过评价、分析不同节能改造方案的功能性与经济性，确定了某节能改造宾馆1#楼外墙、屋面、外窗围护结构的节能改造最优组合方案为：A11+A22+A31。期望本文研究方法与路径能为不同地区、不同类型既有建筑外围护结构节能改造提供技术借鉴。