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夏热冬冷地区旧建筑节能改造探讨——以重庆某大学教学楼改造为例张旭

发表时间：2021/7/23 来源：《建筑科技》2021年7月下作者：张旭

[导读] 随着经济与社会的发展，特别是世界能源的紧缺，节约能源被众人所接受，而作为能源使用最为巨大的建筑能耗更受到广为关注，为了能够节约和高效地利用现有的资源，我们应尽量延长现有建筑的使用寿命，并通过建筑的节能改造使其在满足人们工作和生活需求的同时减少能源的使用，尽量丰富地使用取之不竭的太阳能资源。

重庆市设计院有限公司张旭 400015

摘要：随着经济与社会的发展，特别是世界能源的紧缺，节约能源被众人所接受，而作为能源使用最为巨大的建筑能耗更受到广为关注，为了能够节约和高效地利用现有的资源，我们应尽量延长现有建筑的使用寿命，并通过建筑的节能改造使其在满足人们工作和生活需求的同时减少能源的使用，尽量丰富地使用取之不竭的太阳能资源。
关键词：建筑能耗太阳房图洛姆保温墙绿色屋顶
        1、节能改造的意义。
        据重庆市建设主管部门测算，重庆市每年居住及公共建筑的供暖及空调耗电量约66．44×108 kW·h，占全市年总耗电量的26％左右。在冬夏季供暖和空调使用高峰期，建筑耗电量则高达全市耗电量的40％左右。公共建筑的单位建筑面积年耗电量甚至达到200—300 kW·h／m ，是居住建筑的10—20倍，因此提高公共建筑能效成为降低建筑能耗和保证能源供应的重点。
        重庆属于夏热冬冷地区，原有教学楼使用时段特殊(寒暑假闲置)，使得这一地区的教学楼在原设计时绝大多数没有安装空调设备。但随着教育硬件设施投入的增加以及老师科研项目和办公时间的延长，教学楼对于舒适性的要求越来越高，使用时间也突破了以往的限制，在教学楼建筑能耗由低标准的单纯照明转向高标准的空调系统后，对既有教学楼建筑进行节能改造就显得十分必要了。
        本文以重庆某大学教学楼（图1）为例，通过对各种被动式太阳能方式的比较，从而提出较为合理的建筑节能改造策略。
        2、建筑的基本概况。
        该教学楼建于上世纪70年代，建筑面积11340㎡，南北朝向，主体建筑为5层，一层地下室，建筑层高4.8米。一层为门厅及教师，二层以上为之前的大教室改为小间的老师科研室，主要以电脑办公为主，产热量较大。
        建筑窗地面积比较大，南立面无明显遮阳设备，主要以内部窗帘遮阳为主；墙体为普通360mm厚粘土墙，无任何保温隔热设施；无中央空调系统，并无专门空调机位，现大部分空调机位为临时附加，或者直接破坏墙体安装空调，严重破坏墙体保温性能。
        3、建筑改造策略。
        3.1建筑窗的改造
        在现有建筑中窗的比例比较大，并且现在为单层玻璃铝合金玻璃窗，保温隔热性能极差，建筑层高高，房间的进深小，造成房间热量损失大，夏季太阳能得热多，平时以空调使用为主。

        外窗改造主要集中在提高门窗气密性与增加是室内内部风环境两个方向进行改造：
        （1）提高门窗周围的气密性    建筑采用高性能密封技术的门窗，在门窗周边设置泡沫塑料密封条，提高门窗的气密性，防止空气对流传热。
        （2）建筑墙体较宽，采用双层玻璃窗构造，其中内部为双层中空LOW-E玻璃，提升保温隔热性能，外部单层玻璃，中间加入遮阳百叶，形成了一个简易太阳房，由于建筑的层高较高，玻璃窗的面积较大，为了减小窗地比，将窗的上部改为深色镀膜玻璃窗。由于建筑的窗高度过高，采用室外悬挑这样需要出挑尺寸过大，故放弃这种构造方式而采用百叶遮阳（图1）。
        夏季,打开外墙上上下两个可开启玻璃扇，同时打开内部下方窗，拉上遮阳百叶，在阳光的照射下，玻璃窗中间的空气将受到加热，热空气向上流动，空气形成循环，带走内层玻璃的热量，达到降低室内温度的要求。冬季，关闭外墙上下两个玻璃扇，打开内部两个推拉玻璃窗，将遮阳百叶上卷，两层玻璃中间被阳光加热的空气将通过内窗上上边的玻璃扇进入室内，再通过下部回到夹层中，形成新的能量循环，达到加热内部空气的效果。与此同时，上层的褐色镀膜玻璃通过阳光的照射能够吸收更多的太阳能量，为不同时段的内部空间放热，这样就即降低了建筑能量的损失，又达到了太阳能对内部温度的补充。
        3.2 建筑外立面保温隔热设计
        建筑为坐北朝南，在正南向有较为充足的日照条件，结合重庆的气候特征，冬季日照较少，应以保温为主，夏季温度较高，湿度较大，日照充分，日照时间长，故应重点解决夏季的高温高湿气候，由于建筑年代久远，建筑墙体有一定的保温性能，可结合立面设计改善建筑的热工性能。
具体措施改造如下
        （1）在建筑的窗之间的墙体加入封闭玻璃幕墙，即达到强化立面竖向线条的同时，能够起到太阳房的简易原理，其中在上下各有可开启窗扇，形成图洛姆保温隔热墙体（图4）。在夏季，由于建筑南向，得热较多，所以在南立面中，开启上下玻璃幕墙中的窗扇，室玻璃幕墙中的热空气能够加速上升，有效降低立面温度。在冬季，关闭玻璃幕墙的上下窗扇，使得太阳能加热空气能够完全留在幕墙内部，同时加热墙体的温度，能够有效保留热量，并且延缓放热时间，使得室内温度保持恒定，减少能源浪费。
        （2）空调位的设置规整，统一采用外挂空调主机，舍弃原有窗式空调，修复已经破损墙体，使得内外热桥因素降到最低，同时有效提升了外立面的建筑整洁。
        3.3建筑屋顶的保温隔热设计——绿色种植屋面。
        由于建筑年代较为久远，建筑屋顶主要为传统的防水卷材，材料的保温隔热性能较差，夏季顶层房间温度较高，工作条件较为恶劣，只能通过空调降低室内温度，建筑能耗较大。同时由于传统屋顶不能有效吸收和消耗太阳热量，相应的增加了城市热岛效应。为了有效降低上诉效应，主要采用绿色种植屋面的手法。
        通过实验证明建筑物的屋顶绿化对于降低建筑物周围环境的气温的作用十分明显，气温降低的幅度可达 0.4-0.5℃，而建筑物周围环境的气温每降低 1℃，建筑物内部的空调容量可降低 6%，由于屋面面积比壁面面积大，夏季，从屋面进入室内的得热量往往占总围护结构得热量的70 %以上，夏季实测的结果表明，绿化的屋顶外表面最高温度比不绿化的屋顶外表面最高温度（可达 60℃ 以上）可低20℃以上，从而使从屋面传入室内的热量减少到1/4左右，绿化屋顶不仅可以在夏季对室内环境隔热保凉，而且可以在冬季对室内环境隔冷保暖，在极端天气对缓冲和削减极端温度起着突出的作用，以此可以看出，屋顶绿化对建筑设备节能和改善顶层房屋室内热舒适环境也具有重大意义。（图5）
        综合建筑的承重结构，建筑屋顶可以采用轻型模块式生态屋面，节水模块容器结构设计的主要原则包括: 能够快速拼接,结构紧凑, 有合理的储/排水、通风系统, 严格控制模块的总厚度和重量，所选用的植物必须是适应当地气候的景天属植物,具有耐干旱、耐瘠薄的特性, 可有效完善或修复城市生态链的某些环节。
        4.总结
        综上所述，在夏热冬冷地区教学楼的改造中，通过对窗、墙、空调外挂机与屋顶的处理，建筑的保温隔热性能得到很好的提升，降低了空调的使用频率，改善了建筑内部的通风环境,有效降低了建筑的能源消耗，并通过绿色屋顶的设置使得建筑能够有效减小城市热导效应，并增加了二氧化碳的吸收，于此同时建筑的立面也相应地得到很好的改善。
图片来源：
图1——作者自绘
参考文献：
1.清华大学建筑节能研究中心．中困建筑节能年度发展研究报告2007[M]．北京：中国建筑工业出版社，2007
2.《夏热冬冷地区既有教学建筑节能改造技术分析》——唐兰，南新军
3.《屋顶绿化对建筑能耗的影响分析》——时真男高旭东张伟
4.《绿屋面发展的新思路——节水模块式生态屋面系统》——严永红高蕾方文
5.《建筑师技术设计指南——采暖、降温、照明》。——诺伯特·莱希娜