柏樹大廈圍護結構改造的節能效果分析

胡藝萌，聶 悅（上海市建筑科學研究院有限公司， 上海 201108）

為應對全球性的氣候變化， 2018 年制定的《巴黎協定》揭示了全球綠色低碳轉型的主要方向，督促各國必須促進環保事業快速發展。中國承諾將采取更加有力的措施，二氧化碳排放量力爭于 2030 年前達到峰值，努力爭取 2060年前實現碳中和目標。導致氣候變化的人為因素一般被分為工業、交通及建筑 3 大領域。經專家預測，工業與交通行業的碳排放有減緩趨勢，而建筑業的碳排放比例將達到 50%左右。在建筑全生命周期內，建材和施工階段的碳排放量僅占總能耗的 15% 左右，而建筑能耗對建筑碳排放的影響更大[1-2]。因此，大力推動建筑節能事業有助于早日實現建筑行業的碳減排目標。

相比國家強制性規范要求的新建建筑，既有建筑才是需要被重點關注的高耗能建筑。此類既有建筑由于建成時間及使用年限均較長，導致圍護結構皆有不同程度的損壞，有保溫隔熱性能差且供暖、制冷系統效率低下的特點[3]。為解決造成建筑能耗總量過大的現狀，既有建筑的節能改造工作刻不容緩。

1 研究目的及意義

本研究針對圍護結構對建筑節能效果的影響，以既有建筑柏樹大廈為例，分析典型運行模式下的建筑圍護結構（包括外墻、外窗、屋面）熱工參數對探究建筑負荷及能耗的影響，并探究不同參數對建筑節能的影響程度，以助于幫助設計師在改造方案階段進行建筑性能化設計，利于提高既有建筑改造的節能效益。

2 既有建筑圍護結構節能改造現狀

2.1 國外研究現狀

歐美國家對外圍護機構的保溫隔熱性能較為重視，于較早時期便提出了相關的理論及試驗研究成果。關于外墻保溫技術，有突尼斯的學者計算了 30 a 的建筑全生命周期，考慮不同保溫層厚度對應的節能效果和投資回收期，研究得出墻體朝向對保溫層最佳厚度影響最小的結論[4]。安裝于不同位置的同一保溫材料的傳熱效果也被研究證實有較大的區別[5]。Karin 等[6]的研究成果證明了為有效減少空調制冷能耗，在增加保溫層厚度以提升圍護結構性能的同時，還需要關注建筑內熱源及太陽得熱的影響。在具體的圍護結構改造方面，外墻、屋頂及外窗的節能技術改造都是重點之一。目前歐美國家普遍采用有機保溫板及巖棉材料作為外墻保溫材料，對既有建筑的外墻保溫方式改造一般分為外墻內保溫改造和外保溫改造；對于屋頂保溫材料常采用輕質泡沫板，或者采用坡屋頂、雙層屋頂及屋面綠化等節能構造及技術方式，提升既有建筑的屋面保溫隔熱特性[7]。我國對于外窗的傳熱系數要求正在不斷加強，然而相比德國 2002 年規定的窗戶傳熱系數值為1.7 W/（m2·K），至 2010 年要求加強為不超過 1.0 W/（m2·K），可見國外的外窗要求還是較為嚴格，我國的門窗節能潛力仍有較大空間[8]。

2.2 國內研究現狀

我國也在不斷完善建筑圍護結構節能改造的相關標準與政策，并使用能耗模擬軟件分析建筑節能效果。有學者[9]指出了因地制宜對于既有建筑節能改造的重要性，專家應根據地區的實際情況，評估適宜且有效的節能改造技術，建立特定的評價標準體系。研究[10]顯示，對某公共建筑進行能耗模擬分析后，外墻的保溫層厚度需要綜合考慮建筑的節能需求及圍護結構材料的經濟性。潘冬梅等[11]引入了冷熱負荷加權比、增益比及全年累計冷熱總負荷變化率 3 個指標，研究建筑朝向及保溫層厚度對建筑節能效果的影響。有關夏熱冬暖氣候區的辦公建筑能耗特性研究表明，玻璃幕墻是辦公建筑節能改造的重點，Low-E 玻璃相比鍍膜玻璃和普通玻璃有更明顯的節能效果[12]。

3 柏樹大廈案例分析

本研究以柏樹大廈改造項目為例，分析建筑圍護結構改造前后的負荷與能耗結果變化。

3.1 建筑基礎概況

位于上海市虹口區大柏樹商圈中心的柏樹大廈，原建筑于 1992 年竣工，已投入使用 25 a。該建筑臨近軌道交通3 號線大柏樹站；北至中山北一路，南靠岳陽醫院，東臨滬辦大廈，西貼明道大廈。大廈總建筑面積為 49 666 m2，建筑容積率為 3.42。建筑總體情況：A 區主樓為辦公區域，地上 30 層、半地下 1 層，單層面積約為 1 170 m2，標準層層高 3.1 m；B 區副樓為展覽會議功能，地上 10 層、半地下 1層，單層面積約 1 120 m2，3～8 F 層高 4.2 m，9～10 F 層高 3.5 m；C 區裙樓為門廳、配套功能及機房，地上 2 層，半地下 1 層，層高 5.0 m。

通過對柏樹大廈的改造設計整理得到改造前后的建筑圍護結構設計。

（1）改造前。裙房外立面采取濕貼紅棕色大理石，兩座塔樓外立面原鋪貼墻面磚，后因部分面磚脫落而增加防護網并加涂白色外墻涂料，外窗均選用鋁合金窗框加單片玻璃的設計，塔樓 A 的 21～30 F 部分及樓梯間外側的外墻，采用隱框玻璃幕墻。因投入使用多年，目前裙房部分石材表面出現泛堿及水漬明顯，塔樓部分原白色涂料水漬及各種污漬痕跡嚴重，同時一部分開啟扇難以正常使用。

（2）改造方案。改造方案計劃提高柏樹大廈的整體外立面形象，改造其裙樓及塔樓的外墻、塔樓外窗部分及玻璃幕墻，其中原有的玻璃幕墻部分加固，不改變原有玻璃幕墻面板，僅增橫向窗框加固。

3.2 模擬參數設置

通過問詢、實地調研和資料收集的方法，整理得到柏樹大廈改造前、后的圍護結構設計基本信息，包括圍護結構的具體做法及熱工參數，如表1 所示。建模所需的建筑相關參數及時刻表均參照國家標準GB 50189－2015《公共建筑節能設計標準》取值, 并采用 IES-VE 2014 軟件進行建筑負荷模擬。

表1 圍護結構設計參數信息

3.3 模擬結果分析

（1）改造前后負荷分析。柏樹大廈項目改造前后圍護負荷結果對比如圖1 所示。由圖1 可知，分析可得圍護結構改造后，圍護結構負荷累計降低幅度為 67.7%。改造前后圍護結構傳熱對比結果如圖2 所示。由圖2 可知，改造后圍護結構性能提升，圍護結構傳熱量減少 49.4%。改造前后外窗太陽輻射得熱量對比結果如圖3 所示。由圖3 可知，改造后因為遮陽系數降低，太陽輻射得熱量減少 35.2%。

圖1 改造前后圍護結構負荷對比結果

圖2 改造前后圍護結構傳熱對比結果

圖3 改造前后外窗太陽輻射得熱量對比結果

柏樹大廈改造前后的冷負荷占比結果如圖4 所示。由圖4 可見圍護結構負荷占總制冷負荷比例由改造前的 45% 降低為改造后的 33%，且太陽輻射得熱部分仍在總負荷中占比最大，改造后仍占總負荷的 25%。

圖4 改造前后冷負荷比例對比結果

（2）改造前后耗電量分析。根據收集到的設計圖紙及業主反饋的改造信息，得到柏樹大廈改造前后的冷熱源及空調系統變化如表2 所示。建模時主要考慮冷源的改造影響，建筑主要熱源及空調系統沿用原設計方案。改造前后的建筑耗電量如圖5 所示。由圖5 分析可得改造前柏樹大廈年采暖電耗為 60.4 kWh/m2，年制冷電耗為 27.7 kWh/m2；改造后年采暖電耗為 27.5 kWh/m2，年制冷電耗為 15.3 kWh/m2。因此，改造后年供暖空調通風耗電量降低 51%，其中圍護結構改造貢獻 41%。

表2 改造前后冷熱源及空調系統信息

圖5 改造前后采暖、制冷耗電量對比結果

4 結 語

本研究基于既有建筑因耗能過大亟須節能改造的現狀。以柏樹大廈圍護結構改造項目為案例，探究建筑圍護結構熱工參數對建筑冷、熱負荷的影響。分析得到柏樹大廈的冷熱負荷中占比最大的為外窗傳熱，在改造過程中外窗作為圍護結構保溫的薄弱點，應該給予重點關注。同時，圍護結構性能優化對建筑采暖、供冷的影響程度差別明顯，其中采暖負荷的變化大于制冷負荷的變化。另一方面，研究結果顯示該案例改造后采暖及空調能耗的減少有近一半的貢獻率均來源于圍護結構的性能提升。因此，針對既有建筑改造的節能效果分析，需要首先明確圍護結構性能提升是非常重要且有效的改造方向，并結合既有建筑的維護結構現狀，選擇適宜的節能改造方案，以助于提升既有建筑的總體節能效益。