江淮地區既有居住建筑節能改造研究

曹穩，許陳，劉智洋,馬輝 （.安徽科技學院建筑學院，安徽 蚌埠 3300；.蚌埠市建筑設計研究院集團有限公司，安徽 蚌埠 3300）

1 引言

“雙碳”行動是應對氣候變暖的全球發展行動，建筑領域雖然不是能耗產碳最高的行業，但由于龐大的技術預產聯系，成為推動國家低碳轉型的重要領域[1]。在“雙碳”行動中，建筑的節能環保更加得到人們的重視，尤其是具有良好節能效果的居住建筑，不僅居住舒適，同時對整個環境也相對友好，更利于未來的發展。據調查，2000 年以前建成的亟待改造的老舊小區存量建筑面積約31.1億m2，可見我國既有居住建筑的改造將是一個長期任務[2]。因建造早期缺乏保溫材料，相關技術尚未完善，導致建筑能耗高、舒適度差，大量既有老舊建筑急需改造。通過調研江淮地區既有居住建筑，并在Ecotect Analysis軟件中模擬分析，發現建筑改造前能耗高于改造后，在冬季和夏季不可避免地需要借助空調來調節室內的舒適度，改造前空調的耗能要高于改造后空調的耗能。

隨著“雙碳”行動的實施，國內地區都在進行既有建筑改造，致力于更高效地進行改造，提高居住舒適度，同時為實現“雙碳”目標作準備。通過探索市場發展動態性既有建筑節能改造主體動力演化肌理研究方向，以期推動既有建筑節能改造市場高效發展[3]。基于此展開對江淮地區既有建筑的節能改造，尤其是蚌埠地區既有建筑的節能改造性研究，使其為江淮地區的節能改造提供借鑒。

2 現狀分析

為了使數據更具有價值以及普遍性，通過調查位于江淮地區的蚌埠的幾個區，分別在每個區中選擇若干個小區進行調研，并進行實地考察、拍照收集、網上搜集，詳細的統計信息如表1 所示。最終選定蚌埠市龍子湖區金水花園小區作為主要的調研對象，該小區建造于20世紀初，建造初期外墻圍護結構并沒有增加保溫材料，其圍護結構構造主要以多孔磚雙面石灰水泥砂漿為主。同時利用Ecotect Analysis軟件，結合蚌埠氣候特點，對建筑室內采光通過模擬日照進行了分析（圖1），其采光系數平均值7.44%，以便為接下來節能研究提供參考，增強數據的可靠度。

表1 現狀調研

圖1 采光分析

3 典型模型信息

原有建筑的圍護結構構造做法如表2 所示，基于此對原有建筑進行節能改造，包括外墻和外窗的改造，并基于原有建筑造型進行建模，如圖2 所示，其中改造后建筑圍護結構構造做法如表3 所示。

表2 建筑圍護結構構造做法（改造前）

表3 建筑圍護結構構造做法（改造后）

圖2 金水花園建筑模型

運用Ecotect Analysis 軟件對上述改造措施進行建模，模型如圖3 所示。保持建筑和改造后的建筑模型平面布局一致，墻洞大小也未改變。按照《夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準》（JGJ 134-2010）中規定的室內舒適溫度范圍18～26℃稍寬[4]。其中全空調系統房間為臥室、客廳、餐廳，并設定空調室內溫度范圍上限為26℃，下限溫度為18℃，空氣交換率為1.00，即每一小時換氣一次。

圖3 Ecotect Analysis軟件模型

4 改造效果研究

4.1 立面效果

主要對外墻、屋頂和外窗進行改造，其中結合小區現狀和對該小區居民問訪，對改造材料進行一些調整。外墻采用聚合物抹面砂漿，原有建筑立面破舊，甚至出現墻皮脫落的現象，如圖4 所示。普通抹面砂漿的和易性較差、粘結力較差、收縮率大、彈性模量大，容易開裂，而外保溫層體系的保護層抹面砂漿必須具有抗收縮性、柔韌性、耐久性等性能[5]。因此，保溫層外抹面砂漿進而防止立面墻皮的脫落，增強耐用性及安全性。

圖4 原有小區原立面圖

外圍護結構中墻體占了很大一部分，以節能50%的標準為例，外墻占了建筑圍護結構總能耗的27%，所以墻體節能技術的發展是建筑節能的重要方向[6]。外墻作為建筑中外表面積最大的圍護結構，在建筑保溫隔熱中占據著相當重要的位置。外墻節能保溫構造可分為外墻內保溫、夾層保溫和外保溫三大類，其節能原理是通過依附在墻體結構上的保溫材料阻隔熱量傳遞，減少室內外空氣熱交換，從而達到隔熱保溫的目的[7]。綜合考慮，最終本案例采用外保溫，并對屋頂和外窗同時也進行改造。圖5 為改造后的建筑立面，在原本屋頂增加100mm 憎水膨脹珍珠巖板，以增強屋頂隔熱防水的物理性能，同時外窗也將原本的單層玻璃換成6Low-e+12A+6 厚單層玻璃。Low-e 玻璃滿足建筑物的采光需求以及極低的輻射率，大幅度優化窗戶的保溫熱性能，使得建筑保溫在冬季得到有效提升，提高室內人員的舒適程度[8]。

圖5 改造小區立面圖

4.2 室內溫度

有效地防護和利用室內氣候因素，合理地解決房屋日照、保溫、隔熱、通風、防潮等問題，可以創造良好的室內氣候環境。其中主要是太陽光照在建筑圍護結構外表面，提高其表面溫度，通過熱傳導以影響室內溫度變化，同時影響人體對環境的舒適感。另一部分由通風帶入室外的熱量，這部分熱量通常占很大一部分，但是通風失熱也占很大一部分。還有一小部分的室內熱源散熱帶給室內的熱量，包括人員、照明和室內用電設備散熱，這些因素對室內熱環境都有一些影響。

墻體增加保溫層后墻體的傳熱系數達到0.7W·m-2·K-1，未進行改造的建筑墻體傳熱系數為1.62W·m-2·K-1，從傳熱系數方面可以發現有較為明顯的改善。建筑的窗墻面積比為0.34，南、北向均為0.34，皆符合節能標準規定限值，體形系數和窗墻面積比符合節能標準規定的限值[9]。通過Ecotect Analysis 分析在自然通風的情況下，建筑室內使用程度最高同時也是家庭成員最活躍的區域--客廳的溫度，在最冷日和最熱日變化結果如圖6 和圖7 所示。可以發現在自然通風的情況下，在最熱日改造后的室內溫度比改造前的室內溫度相對較低，在最冷日改造后的室內溫度高于改造前的室內溫度，改造達到了預期的效果。

圖6 最熱日溫度平均值

圖7 最冷日溫度平均值

4.3 建筑圍護結構得熱

夏熱冬冷地區是指我國最冷月平均溫度滿足0～10℃，最熱月平均溫度滿足25～30℃，日平均溫度≤5℃的天數為0～90 天，日平均溫度≥25℃的天數為49～110 天的地區[10]。該地夏季炎熱，最高溫度可達到40℃，而冬季寒冷，持續時間久，該地區還不屬于冬季供暖區，建筑能耗主要集中在空調的夏季制冷和冬季制熱。因此為了進一步驗證在保溫材料的作用下室內是否起到了保溫隔熱的作用，是否有增強舒適度的效果，通過Ecotect Analysis 分析改造前后的建筑在自然通風情況下的數據，圍護結構最熱日得熱以及最熱日熱損失如圖8 和圖9 所示，改造后的隔熱與改造前相比有著較大的改進。

圖8 最熱日圍護結構平均得熱

圖9 最熱日圍護結構平均熱損失

又對圍護結構在冬季最冷日的日均得熱和日均熱損失進行了分析，如圖10和圖11 所示，發現同樣在保溫層作用下改造后的保溫性能要比改造前的保溫性能要好。綜上可以進一步證明，具有保溫層的圍護結構達到了預期的保溫隔熱效果，為提升室內熱環境以及降低能耗提供了初步數據支持。

圖10 最冷日圍護結構平均得熱

圖11 最冷日圍護結構平均熱損失

4.4 建筑能耗

夏熱冬冷地區過去是非采暖地區，建筑設計不考慮采暖要求和夏季空調降溫，建筑圍護結構熱工性能差，進而導致能源利用效率較低[11]。為了驗證保溫層是否有利于建筑節能，增強其準確性，計算了在全空調系統建筑的逐月能耗（圖12）和總能耗（圖13）。發現在增加保溫層的建筑物逐月能耗都有所降低，改造前建筑一年的總能耗為331.95Mw·h，改造后建筑一年的總能耗為267.48Mw·h，改造前后能耗降低64.47Mw·h，節能效率為19.4%，節能率=（改造前能耗-改造后能后）/改造前能耗。

圖12 全空調情況下的建筑逐月能耗

圖13 全空調情況下的建筑總能耗

改造后每月能耗減少的比例為一月份18.4%、二月份18.2%、三月份17.2%、四月份13.4%、五月份30.9%、六月份32.9%、七月份23.6%、八月份24.3%、九月份34.3%、十月份19.2%、十一月17.3%、十二月17.6%。通過外墻的導熱、太陽的輻射等將熱量從外界傳遞到室內，這些是與外墻的傳熱系數有關，因此傳熱系數的變化能夠改變建筑能源的消耗[12]。在夏熱冬冷地區，空調使用率相對其他地區較為頻繁，所以通過改造建筑外墻保溫材料，從而達到一個舒適的環境，進而減少空調使用率，同時也達到了降低能耗的目的。

空調能耗占比波動幅度比較大，絕大部分被調研的建筑空調能耗處在較高水平，對空調系統的節能優化是降低建筑能耗的重點[13]。通過Ecotect Analysis 軟件分析模擬，在保溫材料的作用下建筑總能有所降低，同時室內有了更加穩定舒適的環境，進而降低室內空調的使用率。通過對小區改造前后對比發現，改造后的建筑能耗相對減少，對環境起到節能減排作用，有利于未來的發展。

4.5 建筑不舒適度

在降低能耗方面可以發現，在保溫層的作用下有較為明顯的效果，但增加了保溫層的圍護結構是否有利于降低室內的不舒適度，為此又通過Ecotect Analysis 軟件分析模擬計算了建筑的室內不舒適度，分別計算了室內逐月的不舒適度（圖14）和室內總的不舒適度（圖15）。通過軟件分析得到，改造前建筑室內的不舒適度為20502.8DegHr，改造后建筑室內的不舒適度為14593.8DegHr，改造后建筑室內的不舒適度降低了5909DegHr，不舒適率降低28.8%，不舒適率=（改造前-改造后）/改造前。

圖14 建筑室內逐月不舒適度

圖15 建筑室內總不舒適度

改造后每月熱不舒適度減少的比例為一月份27.1%、二月份27.1%、三月份24.1%、四月份16.1%、五月份36.9%、六月份55.1%、七月份42.5%、八月份47.1%、九月份67.1%、十月份12.1%、十一月21.7%、十二月24.8%。

通過Ecotect Analysis 軟件分析模擬計算得到的結果可以發現，建筑保溫層不僅對降低能耗有著明顯的作用，對降低室內的不舒適度也有著明顯效果。在自然通風的條件下增加了保溫的建筑，在夏季和冬季有著比較明顯的隔熱保溫作用，對室內的舒適度有著較大的提升。注意通過Ecotect Analysis 軟件分析模擬得到的數據和現實相比存在一定的誤差，因此得到的結果僅提供參考，切不可在實際改造過程中過度依賴軟件分析得到的結果。

5 結論

本文通過對江淮地區既有建筑的能耗進行調查研究，以圍護結構是否有保溫層為變量，在自然通風和全空調系統下分別對室內的溫度變化、圍護結構得熱、熱損失以及室內舒適度進行對比分析，最終得出以下結論。

①根據調查及研究分析，既有建筑圍護結構因為缺乏保溫層，致使熱工性能未能達到節能設計的標準，室內的舒適度較差，不得不大量使用空調來維持室內的舒適度，進而使得能耗較高。

②對比圍護結構得熱以及熱損失率可以發現，有保溫層的圍護結構的內部熱量不宜散失，在冬季可以防止熱量散失，在夏季保溫層有著保溫隔熱的作用，不易獲得熱量，在全空調的情況下耗能較少，可以維持室內的舒適。

③在實現“雙碳”目標的背景下，既有建筑尤其是那些缺乏保溫層建筑，需要加以改造，通過增加保溫層，以降低能耗。在本次實驗中得到能耗降低率為19.4%，不舒適度降低了28.8%，效果較為明顯，在降低能耗提高舒適度方面有著較為高效的作用，既有建筑的節能改造中心可以放在保溫層的應用上。

④增加外保溫層，建筑在保溫隔熱和降低能耗方面有著明顯效果，但需要注意這些數據是通過軟件分析得到，切不可過度依賴軟件所得到的數據，要根據實際使用效果來進行調整改善。