老旧小区住宅外墙低能耗改造策略及模拟分析
永无止境111
2023年06月13日 09:53:39
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  20世纪90年代及以前建成的居住建筑,多为4~6层的多层砖混结构单元式板楼。受当时设计标准、经济和建造技术等条件的影响,存在建筑密度高、住宅户型小、厨卫空间设计不合理、围护结构保温隔热性能差等问题;老旧小区设计仅以满足基本居住功能为主,缺乏对人体尺度、绿化环境、人文关怀的考虑。体现在建筑构造上,由于围护结构保温隔热性能决定60%~70%的热损失,老旧住宅建筑外墙体侵蚀剥落,木(钢)窗与墙体连接处开裂,使气密性问题加剧,室内热环境差,人体舒适指数低。保温隔热多依赖于室内机械设备调节,导致空调系统运转带来的大量电能消耗。

 

20世纪90年代及以前建成的居住建筑,多为4~6层的多层砖混结构单元式板楼。受当时设计标准、经济和建造技术等条件的影响,存在建筑密度高、住宅户型小、厨卫空间设计不合理、围护结构保温隔热性能差等问题;老旧小区设计仅以满足基本居住功能为主,缺乏对人体尺度、绿化环境、人文关怀的考虑。体现在建筑构造上,由于围护结构保温隔热性能决定60%~70%的热损失,老旧住宅建筑外墙体侵蚀剥落,木(钢)窗与墙体连接处开裂,使气密性问题加剧,室内热环境差,人体舒适指数低。保温隔热多依赖于室内机械设备调节,导致空调系统运转带来的大量电能消耗。

基于城市化发展现状趋势与居住区实地调研,本文就有待改造的老旧小区提出外墙低能耗改造策略,即利用轻质高效的外保温装饰复合材料,结合外遮阳设计对墙体进行改造。使立面改造过程装配集成化,确保提升保温性能,减少冷/热桥的形成,在外墙结构方面降低建筑能耗水平,促进与其他系统的良性交互。一体化的外保温遮阳装饰表皮还可从材料使用、人工成本、施工速度、环保性等方面提高施工效率。

要实现老旧小区改造的系统化、绿色化、人文化,更好地满足居民的生活要求,就需要在设计伊始确定具有针对性的解决方案、强化综合统筹。就建筑单体而言,虽然结构维护、屋面整修、保温隔热、管线整治、立面美化等,属于建筑改造的不同方面,但若能通过系统性设计,结合处理墙体保温、防晒遮阳、立面出新,即可在实现多重改造目的的同时,减少工序的复杂程度,并缩短工期,节约劳动力成本,减轻翻新过程对居民生活的影响。

本文以江苏省南通某20世纪90年代建造的住宅小区改造工程为例。以预制保温装饰一体板作为外墙改造材料,对保温芯材的选择、保温板与遮阳构件一体化等方面进行策略研究,应用Ecotect软件对改造成果进行模拟。

1保温材料选择

根据保温材料性质,外墙保温材料分为有机保温材料和无机保温材料两类,其中常用的有机保温材料包括普通聚苯板、石墨聚苯板、挤塑聚苯板、酚醛泡沫等;常用的无机保温材料包括岩棉板、发泡陶瓷、泡沫玻璃、发泡水泥等。对不同种类保温芯材的性能指标、价格和特点进行对比分析,结果见表1。

表1 外保温板芯材对比分析

通过对比分析发现,发泡陶瓷和泡沫玻璃价格偏高,不适用于老旧小区经济适用类型的改造;发泡水泥和岩棉板虽价格较低,但导热系数较高,在同等条件下保温隔热性能效果较低;酚醛泡沫和挤塑板物理性能较差,不易粘结且易剥落,不适用于外立面保温,因此,选择在同等厚度下保温性能更好、价格更低的石墨聚苯板做外墙改造的保温材料。

2遮阳构件设计

2000年前建设的住宅小区节能要求不高,遮阳构件普及率很低,低能耗改造中将外墙体保温做法与外遮阳结合处理,可使改造后的建筑室内热环境舒适度最大化,减少建筑能源消耗。

南通地区老旧小区住宅建筑以南北开窗为主。东西两侧少开窗,若需开窗则为小窗。根据GB?50189—2015《公共建筑节能设计标准》,夏热冬冷地区节能工作应结合夏季遮阳和冬季围护结构保温,故本文主要讨论夏至日(6月22日)的住宅建筑南向遮阳。

经计算,夏至日满窗遮阳的构件水平挑出长度L最小为0.21m,厚度D为0.06m。

为确保满足住宅改造中的节能要求,防止连接处产生冷桥、热桥,兼顾保温与装饰的要求,形成一体化效果,遮阳构件可选择与外墙外保温相同的石墨聚苯乙烯板核心材料SEPS该材料自重小,方便施工,安全性好,成本较低;建筑遮阳构件本身就是一种高效的保温材料,能实现保温、遮阳、装饰一体的住宅改造更新效果(图1)。

图1 保温、遮阳、装饰一体化构造示意

3模拟分析

模拟分析对象主体为一个典型老旧小区砖混结构6层住宅,住宅套型室内面积有58㎡和63㎡两种,标准层平面如图2所示。

图2 标准层平面示意

3.1遮阳改造前后室内采光对比

取住宅南向卧室为研究对象(图2),在同样分析网格区间内模拟,以等值线更为直观地显示结果(图3)。可看到夏至日正午南向卧室无遮阳构件的情况下,自然采光区域显著大于有遮阳构件的室内,且无遮阳构件采光照度峰值(25.0%)高出有遮阳(20.6%)近5个百分点,而平均值(7.97%)高出有遮阳(6.42%)1.52个百分点。

根据计算,遮阳构件长度L为0.21m时,夏至日正午满窗遮阳。模拟中对构件的伸出长度进行对比分析,分别采用L=0.21m和L=0.40m。经计算可看出,伸出长度增加的情况下,自然采光区域有所减小,但峰采光照度的峰值和平均值并无明显变化。

(a)                     (b)

(c)

图3 遮阳改造前后室内采光对比(计算机截图)

(a)无遮阳;(b)遮阳构件L=0.21?m;(c)遮阳构件L=0.40?m

遮阳构件的尺度可根据地区日照条件,通过计算满足建筑采光设计及节能设计标准,而无需盲目增加无效尺寸导致材料浪费。

3.2整体改造前后住宅单元能耗对比

取住宅单体中的一个单元(图2)为研究对象,进行月度热/冷能耗模拟。选取改造前(图4a)砖混结构外墙、无遮阳进行能耗计算,得出年度总能耗为3653.6kW·h;然后用150mm厚石墨聚苯乙烯板和遮阳构件进行外墙外保温改造,年度总能耗为3104kW·h,(图4b);再调整不同方向墙体石墨聚苯乙烯板的厚度进行对比分析(南向厚150mm,其他方向厚200mm),算得年度总能耗为3106.4kW·h(图4c)。

从改造前后能耗分析(图5)可见,采用150mm厚的SEPS进行墙体外保温后,住宅单元年度总能耗比改造前节约15%;而增加保温层厚度,能耗无明显改变。若建筑南向墙体外保温厚度为150mm,将东西北三向调整为200mm,该住宅的单元能耗与各方向保温厚度均为150mm并无明显差别。因此,老旧建筑虽需增加外保温层来减小建筑能耗,并增加室内环境舒适度,但应根据建筑所在地区的地理位置和其 他综合条件,经模拟计算制订具有针对性的外墙保温改造策略。

(a)

(b)

(c)

图4 整体改造前后住宅能耗对比(计算机截图)    
(a)改造前能耗模拟;(b)改造后能耗模拟;    
(c)不同保温层厚度能耗模拟    

图5 改造前后住宅能耗分析(计算机截图)

注:图中各柱子从左到右依次为改造前,改造后(保温厚度相同),改造后(保温厚度不同)。

4结束语

老旧小区改造中,减少能耗是主要的设计原则之一。要做到低能耗,在项目实施初期就要综合多方面因素进行科学规划设计。建筑围护结构的保温系统和遮阳系统对减少能量损失具有重要意义,保温芯材的和遮阳系统的效用是实现低能耗节能效果的保障。

本文以江苏南通市老旧小区为研究对象,通过保温材料的指标性能比较,选择出性价比高、各方面性能优越的石墨聚苯乙烯作外墙外保温的核心材料,同时对南向房间进行保温遮阳装饰一体化设计;利用Ecotect软件进行改造前后采光和能耗模拟对比,量化低能耗改造效果,助力老旧住宅改造全面推进。

 


阿巅2019
2023年06月13日 12:13:42
2楼

谢谢楼主分享资料,感谢楼主热心分享!

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梁山水泊
2023年06月27日 15:02:31
3楼

谢谢楼主的资料来让大家分享,感谢楼主热心分享!

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