胡藝萌，聶 悅（上海市建筑科學(xué)研究院有限公司， 上海 201108）

為應(yīng)對(duì)全球性的氣候變化， 2018 年制定的《巴黎協(xié)定》揭示了全球綠色低碳轉(zhuǎn)型的主要方向，督促各國(guó)必須促進(jìn)環(huán)保事業(yè)快速發(fā)展。中國(guó)承諾將采取更加有力的措施，二氧化碳排放量力爭(zhēng)于 2030 年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取 2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)。導(dǎo)致氣候變化的人為因素一般被分為工業(yè)、交通及建筑 3 大領(lǐng)域。經(jīng)專家預(yù)測(cè)，工業(yè)與交通行業(yè)的碳排放有減緩趨勢(shì)，而建筑業(yè)的碳排放比例將達(dá)到 50%左右。在建筑全生命周期內(nèi)，建材和施工階段的碳排放量?jī)H占總能耗的 15% 左右，而建筑能耗對(duì)建筑碳排放的影響更大[1-2]。因此，大力推動(dòng)建筑節(jié)能事業(yè)有助于早日實(shí)現(xiàn)建筑行業(yè)的碳減排目標(biāo)。

相比國(guó)家強(qiáng)制性規(guī)范要求的新建建筑，既有建筑才是需要被重點(diǎn)關(guān)注的高耗能建筑。此類既有建筑由于建成時(shí)間及使用年限均較長(zhǎng)，導(dǎo)致圍護(hù)結(jié)構(gòu)皆有不同程度的損壞，有保溫隔熱性能差且供暖、制冷系統(tǒng)效率低下的特點(diǎn)[3]。為解決造成建筑能耗總量過大的現(xiàn)狀，既有建筑的節(jié)能改造工作刻不容緩。

1 研究目的及意義

本研究針對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)建筑節(jié)能效果的影響，以既有建筑柏樹大廈為例，分析典型運(yùn)行模式下的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)（包括外墻、外窗、屋面）熱工參數(shù)對(duì)探究建筑負(fù)荷及能耗的影響，并探究不同參數(shù)對(duì)建筑節(jié)能的影響程度，以助于幫助設(shè)計(jì)師在改造方案階段進(jìn)行建筑性能化設(shè)計(jì)，利于提高既有建筑改造的節(jié)能效益。

2 既有建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能改造現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

歐美國(guó)家對(duì)外圍護(hù)機(jī)構(gòu)的保溫隔熱性能較為重視，于較早時(shí)期便提出了相關(guān)的理論及試驗(yàn)研究成果。關(guān)于外墻保溫技術(shù)，有突尼斯的學(xué)者計(jì)算了 30 a 的建筑全生命周期，考慮不同保溫層厚度對(duì)應(yīng)的節(jié)能效果和投資回收期，研究得出墻體朝向?qū)Ρ貙幼罴押穸扔绊懽钚〉慕Y(jié)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(shí)有較大的區(qū)別[5]。Karin 等[6]的研究成果證明了為有效減少空調(diào)制冷能耗，在增加保溫層厚度以提升圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能的同時(shí)，還需要關(guān)注建筑內(nèi)熱源及太陽得熱的影響。在具體的圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造方面，外墻、屋頂及外窗的節(jié)能技術(shù)改造都是重點(diǎn)之一。目前歐美國(guó)家普遍采用有機(jī)保溫板及巖棉材料作為外墻保溫材料，對(duì)既有建筑的外墻保溫方式改造一般分為外墻內(nèi)保溫改造和外保溫改造；對(duì)于屋頂保溫材料常采用輕質(zhì)泡沫板，或者采用坡屋頂、雙層屋頂及屋面綠化等節(jié)能構(gòu)造及技術(shù)方式，提升既有建筑的屋面保溫隔熱特性[7]。我國(guó)對(duì)于外窗的傳熱系數(shù)要求正在不斷加強(qiáng)，然而相比德國(guó) 2002 年規(guī)定的窗戶傳熱系數(shù)值為1.7 W/（m2·K），至 2010 年要求加強(qiáng)為不超過 1.0 W/（m2·K），可見國(guó)外的外窗要求還是較為嚴(yán)格，我國(guó)的門窗節(jié)能潛力仍有較大空間[8]。

2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國(guó)也在不斷完善建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能改造的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與政策，并使用能耗模擬軟件分析建筑節(jié)能效果。有學(xué)者[9]指出了因地制宜對(duì)于既有建筑節(jié)能改造的重要性，專家應(yīng)根據(jù)地區(qū)的實(shí)際情況，評(píng)估適宜且有效的節(jié)能改造技術(shù)，建立特定的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系。研究[10]顯示，對(duì)某公共建筑進(jìn)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(jié)能需求及圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料的經(jīng)濟(jì)性。潘冬梅等[11]引入了冷熱負(fù)荷加權(quán)比、增益比及全年累計(jì)冷熱總負(fù)荷變化率 3 個(gè)指標(biāo)，研究建筑朝向及保溫層厚度對(duì)建筑節(jié)能效果的影響。有關(guān)夏熱冬暖氣候區(qū)的辦公建筑能耗特性研究表明，玻璃幕墻是辦公建筑節(jié)能改造的重點(diǎn)，Low-E 玻璃相比鍍膜玻璃和普通玻璃有更明顯的節(jié)能效果[12]。

3 柏樹大廈案例分析

本研究以柏樹大廈改造項(xiàng)目為例，分析建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造前后的負(fù)荷與能耗結(jié)果變化。

3.1 建筑基礎(chǔ)概況

位于上海市虹口區(qū)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(hào)線大柏樹站；北至中山北一路，南靠岳陽醫(yī)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(qū)主樓為辦公區(qū)域，地上 30 層、半地下 1 層，單層面積約為 1 170 m2，標(biāo)準(zhǔn)層層高 3.1 m；B 區(qū)副樓為展覽會(huì)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(qū)裙樓為門廳、配套功能及機(jī)房，地上 2 層，半地下 1 層，層高 5.0 m。

通過對(duì)柏樹大廈的改造設(shè)計(jì)整理得到改造前后的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

（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(hù)網(wǎng)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(shè)計(jì)，塔樓 A 的 21～30 F 部分及樓梯間外側(cè)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(xiàn)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(yán)重，同時(shí)一部分開啟扇難以正常使用。

（2）改造方案。改造方案計(jì)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?cè)胁Ａ粔γ姘澹瑑H增橫向窗框加固。

3.2 模擬參數(shù)設(shè)置

通過問詢、實(shí)地調(diào)研和資料收集的方法，整理得到柏樹大廈改造前、后的圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本信息，包括圍護(hù)結(jié)構(gòu)的具體做法及熱工參數(shù)，如表1 所示。建模所需的建筑相關(guān)參數(shù)及時(shí)刻表均參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 50189－2015《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》取值, 并采用 IES-VE 2014 軟件進(jìn)行建筑負(fù)荷模擬。

表1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)信息

3.3 模擬結(jié)果分析

（1）改造前后負(fù)荷分析。柏樹大廈項(xiàng)目改造前后圍護(hù)負(fù)荷結(jié)果對(duì)比如圖1 所示。由圖1 可知，分析可得圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造后，圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷累計(jì)降低幅度為 67.7%。改造前后圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱對(duì)比結(jié)果如圖2 所示。由圖2 可知，改造后圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能提升，圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱量減少 49.4%。改造前后外窗太陽輻射得熱量對(duì)比結(jié)果如圖3 所示。由圖3 可知，改造后因?yàn)檎陉栂禂?shù)降低，太陽輻射得熱量減少 35.2%。

圖1 改造前后圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷對(duì)比結(jié)果

圖2 改造前后圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱對(duì)比結(jié)果

圖3 改造前后外窗太陽輻射得熱量對(duì)比結(jié)果

柏樹大廈改造前后的冷負(fù)荷占比結(jié)果如圖4 所示。由圖4 可見圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷占總制冷負(fù)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(fù)荷中占比最大，改造后仍占總負(fù)荷的 25%。

圖4 改造前后冷負(fù)荷比例對(duì)比結(jié)果

（2）改造前后耗電量分析。根據(jù)收集到的設(shè)計(jì)圖紙及業(yè)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(diào)系統(tǒng)變化如表2 所示。建模時(shí)主要考慮冷源的改造影響，建筑主要熱源及空調(diào)系統(tǒng)沿用原設(shè)計(jì)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(diào)通風(fēng)耗電量降低 51%，其中圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造貢獻(xiàn) 41%。

表2 改造前后冷熱源及空調(diào)系統(tǒng)信息

圖5 改造前后采暖、制冷耗電量對(duì)比結(jié)果

4 結(jié) 語

本研究基于既有建筑因耗能過大亟須節(jié)能改造的現(xiàn)狀。以柏樹大廈圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造項(xiàng)目為案例，探究建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)對(duì)建筑冷、熱負(fù)荷的影響。分析得到柏樹大廈的冷熱負(fù)荷中占比最大的為外窗傳熱，在改造過程中外窗作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫的薄弱點(diǎn)，應(yīng)該給予重點(diǎn)關(guān)注。同時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能優(yōu)化對(duì)建筑采暖、供冷的影響程度差別明顯，其中采暖負(fù)荷的變化大于制冷負(fù)荷的變化。另一方面，研究結(jié)果顯示該案例改造后采暖及空調(diào)能耗的減少有近一半的貢獻(xiàn)率均來源于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的性能提升。因此，針對(duì)既有建筑改造的節(jié)能效果分析，需要首先明確圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能提升是非常重要且有效的改造方向，并結(jié)合既有建筑的維護(hù)結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀，選擇適宜的節(jié)能改造方案，以助于提升既有建筑的總體節(jié)能效益。