胡貴華李玉云蔣修英

1武漢科技大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院

2中南建筑設(shè)計(jì)院股份有限公司

武漢既有居住建筑外窗改造的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

胡貴華1李玉云1蔣修英2

1武漢科技大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院

2中南建筑設(shè)計(jì)院股份有限公司

為了解決武漢市既有居住建筑外窗節(jié)能改造過(guò)程中存在的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性難題，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)與市場(chǎng)調(diào)研，采用DeST-h能耗模擬軟件對(duì)遴選的可實(shí)施的既有建筑節(jié)能改造方案能耗模擬，分析了外窗改造的節(jié)能潛力，并根據(jù)市場(chǎng)造價(jià)，討論了可實(shí)施的外窗改造方案的經(jīng)濟(jì)性及社會(huì)效益。綜合節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)、改造效果與方案經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析比選，得到了適用于武漢市居住建筑外窗節(jié)能改造的優(yōu)選方案。

既有居住建筑 外窗改造 節(jié)能潛力 靜態(tài)投資回收期

0 引言

《關(guān)于做好既有居住建筑節(jié)能改造工作的通知》鄂建墻[2012]8號(hào)中明確提到：我省在推進(jìn)既有居住建筑節(jié)能改造過(guò)程中應(yīng)堅(jiān)持以窗改為主，適當(dāng)綜合的基本原則，即以門窗節(jié)能改造為主，鼓勵(lì)同步實(shí)施遮陽(yáng)改造；具備條件的，可實(shí)施屋面保溫改造、外墻外保溫或綜合性改造方式。相關(guān)研究數(shù)據(jù)表明：窗戶是圍護(hù)結(jié)構(gòu)的薄弱部分[1]，通過(guò)玻璃、窗框傳熱引起的損失約占建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)能耗的35%，是外墻能耗的兩倍多[2]，故外窗的節(jié)能改造對(duì)居住建筑節(jié)能起到了至關(guān)重要的作用。

為了討論武漢市既有居住建筑節(jié)能改造過(guò)程中存在的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)性難題，通過(guò)咨詢外窗等企業(yè)以及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、調(diào)研，采用DeST-h軟件，選擇一棟典型上世紀(jì)80年代既有住宅建筑模型進(jìn)行能耗模擬，分析外窗改造的節(jié)能潛力。本文將從節(jié)能效率、經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益三方面對(duì)建筑外窗節(jié)能改造方案展開探討。

1 武漢既有居住建筑模型

1.1 住宅模型基本信息

選取的模擬對(duì)象為一棟武漢某小區(qū)住宅樓，戶型為2室1廳2衛(wèi)，每層共6戶。該建筑共9層，第一層為架空層，層高3m，2～9層為居住部分，層高2.9m。建筑朝向?yàn)槟掀?2°，體形系數(shù)0.31，東、西向窗墻比為0.017，南向?yàn)?.33，北向?yàn)?.20；總建筑面積8104m2，其中空調(diào)采暖面積4311.48m2。圖1為該棟建筑的平面圖。

圖1 建筑模型標(biāo)準(zhǔn)層平面圖

1.2 住宅模型參數(shù)設(shè)置

住宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)基本參數(shù)[3]如表1所示。從表中參數(shù)可知，該建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能較差，均達(dá)不到相關(guān)節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的基本要求。

表1 典型20世紀(jì)80年代武漢住宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 外窗節(jié)能改造分析

外窗對(duì)建筑能耗的影響有：1）外窗的傳熱系數(shù)大小對(duì)建筑夏季空調(diào)和冬季供暖室內(nèi)外溫差傳熱的影響；2）窗戶受太陽(yáng)輻射影響而造成建筑室內(nèi)得熱；3）空氣滲透，夏季和冬季室外空氣過(guò)多的向室內(nèi)滲漏，導(dǎo)致建筑的空調(diào)采暖能耗增大[4]。因此，武漢建筑外窗的節(jié)能改造應(yīng)包括外窗氣密性、傳熱系數(shù)以及遮陽(yáng)系數(shù)改造三個(gè)方面。

2.1 外窗氣密性改造

2.1.1 外窗氣密性改造節(jié)能措施

外窗氣密性改造一是使外窗隔音性能增強(qiáng)，二是減少滲透，滲透包括空氣與雨水等[5]。已有的節(jié)能改造措施：1）對(duì)保存較好的已有建筑外窗，可通過(guò)增加密封條的方法來(lái)提高現(xiàn)有門窗氣密性；2）建筑換窗改造在選擇窗型時(shí)，盡量按固定窗、平開窗、推拉窗的順序選取，以達(dá)到減少建筑的空氣滲透的目的；3）在玻璃與窗框或者窗框與窗洞等連接部位處改進(jìn)密封方法。第一種方法簡(jiǎn)單、價(jià)廉、壽命短；第二、第三種方法易導(dǎo)致外墻與外窗接合處的密封性能變差，滲透增大，而且影響居民的正常生活。根據(jù)武漢既有居住建筑的勘察評(píng)估，上述三種方法都不適宜武漢既有居住建筑改造。

2.1.2 外窗氣密性改造節(jié)能潛力分析

換氣次數(shù)對(duì)建筑能耗影響模擬結(jié)果見表2。由表中數(shù)據(jù)可知，當(dāng)換氣次數(shù)從1.6次/h降到節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的1.0次/h時(shí)，建筑全年能耗降低13.79%，其中夏季制冷能耗減少了0.43%，冬季供暖能耗降低24.98%，可見外窗的氣密性改造對(duì)建筑冬季供暖的節(jié)能效果極其顯著。

表2 換氣次數(shù)對(duì)建筑能耗影響

2.2 外窗傳熱系數(shù)模擬分析

模擬方案：采用單一變量控制法，即在其他參數(shù)保持不變的情況下，僅改變外窗的傳熱系數(shù)，可得到不同傳熱系數(shù)改造對(duì)建筑全年的空調(diào)采暖能耗影響。以原建筑模型外窗傳熱系數(shù)k=6.6W/(m2·K)、綜合遮陽(yáng)系數(shù)為0.74模擬得到的能耗為比較基準(zhǔn)。

外窗傳熱系數(shù)對(duì)建筑能耗影響模擬結(jié)果見圖2。對(duì)圖中數(shù)據(jù)可知道：當(dāng)外窗傳熱系數(shù)由4.7W/(m2·K)降到2.2W/(m2·K)時(shí)，建筑全年節(jié)能率變化為5.59%～11.52%，其中，隨著傳熱系數(shù)的減小，夏季空調(diào)節(jié)能率從4.99%變化到3.61%，冬季供暖節(jié)能率則由6.25%逐漸增加到20.29%?？梢姡錆h既有居住建筑外窗傳熱系數(shù)改造對(duì)冬季供暖需要較大的住戶具有十分可觀的節(jié)能改造價(jià)值。

圖2 外窗傳熱系數(shù)對(duì)建筑能耗影響

從圖2中曲線變化趨勢(shì)可知：隨著外窗傳熱系數(shù)的降低，供暖季的節(jié)能率不斷提高，但建筑制冷季的節(jié)能率則不斷降低，當(dāng)外窗傳熱系數(shù)降到3.0W/(m2·K)時(shí)，節(jié)能率為9.63%。再隨著傳熱系數(shù)的減小，節(jié)能率變化趨于平穩(wěn)，即節(jié)能改造效果愈發(fā)不顯著。

利用IBM SPSS軟件對(duì)摸擬數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合分析，主要分析外窗傳熱系數(shù)與建筑總節(jié)能率之間的函數(shù)關(guān)系，得到各回歸模型及參數(shù)估計(jì)值見表3（自變量為外窗傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；因變量為總節(jié)能率，%）。擬合曲線如圖3所示。對(duì)表3分析可知：表中R值表示擬合度，其意義就是各類回歸曲線與樣本點(diǎn)的擬合程度，R數(shù)值越大，表明擬合程度越好；Sig表示模型顯著性：Sig值＜0.05表示利用樣本代表總體的可信度達(dá)到95%，是統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的邊界線；0.05＞Sig＞0.01則被認(rèn)為具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；本次擬合數(shù)據(jù)Sig值為0，則表明該模型函數(shù)具有顯著的統(tǒng)計(jì)意義。

表3 模型匯總和參數(shù)估計(jì)值

圖3 外窗傳熱系數(shù)與建筑節(jié)能率擬合曲線

由以上分析可得，二次方程的擬合曲線參數(shù)R2=1.00，Sig=0，故其擬合的結(jié)果最為理想，擬合曲線方程為：

式中：Y為節(jié)能率，%；K為外窗傳熱系數(shù)，W/(m·2K)。

2.3 外窗遮陽(yáng)系數(shù)模擬分析

外窗遮陽(yáng)模擬方案：僅改變外窗遮陽(yáng)系數(shù)對(duì)建筑進(jìn)行能耗模擬，探討遮陽(yáng)系數(shù)改變對(duì)建筑能耗的影響。模擬結(jié)果見圖4。分析圖中數(shù)據(jù)可知，當(dāng)外窗遮陽(yáng)系數(shù)SC由0.7降到0.2時(shí)，建筑全年的節(jié)能率變化為0.57%～7.01%，其中，建筑夏季空調(diào)節(jié)能率變化為2.30%～31.67%，冬季供暖節(jié)能率-0.88%～-13.64%。可見外窗遮陽(yáng)系數(shù)的改造對(duì)建筑冬、夏能耗的影響效果是截然相反的，但對(duì)夏季制冷能耗的影響程度明顯大于冬季供暖能耗。

圖4 綜合遮陽(yáng)系數(shù)對(duì)建筑能耗的影響

遮陽(yáng)改造時(shí)，如對(duì)外窗采取活動(dòng)外遮陽(yáng)措施，當(dāng)綜合遮陽(yáng)系數(shù)由0.7降到0.2時(shí)，建筑全年的節(jié)能率變化為1.05%～14.43%，相比固定外遮陽(yáng)或玻璃貼膜，節(jié)能率約提高2倍，節(jié)能效果更加顯著。因此，在外遮陽(yáng)改造時(shí)，如果能兼顧建筑冬夏兩季對(duì)陽(yáng)光的不同需求，降低遮陽(yáng)系數(shù)對(duì)供暖能耗影響的負(fù)作用[6]，采用活動(dòng)遮陽(yáng)的改造形式，節(jié)能改造效果更佳。

由IBM SPSS軟件對(duì)遮陽(yáng)系數(shù)與建筑節(jié)能率數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，導(dǎo)出的擬合函數(shù)曲線見圖5。可得線性方程的擬合函數(shù)：擬合度參數(shù)R2=1.00，顯著性參數(shù)Sig=0，其擬合結(jié)果最為理想，故擬合方程為

式中：Y為建筑節(jié)能率，%；SC為綜合遮陽(yáng)系數(shù)。

圖5 綜合遮陽(yáng)系數(shù)與建筑節(jié)能率擬合曲線

2.4 外窗改造方案分析

武漢地區(qū)既有居住建筑進(jìn)行外窗節(jié)能改造的重點(diǎn)是單層塑鋼窗和單腔鋁合金、單層玻璃窗。由于外窗的類型較多，改造時(shí)應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，相應(yīng)地采取最經(jīng)濟(jì)、有效的節(jié)能改造措施。依據(jù)不同現(xiàn)場(chǎng)條件，具體的外窗節(jié)能改造措施詳見表4。

在節(jié)能改造方案的選擇時(shí)，不能僅以方案的節(jié)能效果作為唯一的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)當(dāng)綜合節(jié)能效果與改造方案經(jīng)濟(jì)性兩方面因素，選擇出投入產(chǎn)出比最高的節(jié)能方案[7]。故本文引入改造的靜態(tài)投資回收期T[8]。

式中：M為節(jié)能改造年效益，元，節(jié)能量計(jì)算時(shí)，改造前后COP恒定，夏季按2.3，冬季按1.9取值，電價(jià)取武漢居民平均用電費(fèi)0.6元/kWh；K為節(jié)能改造的總成本，元；T為節(jié)能改造的靜態(tài)投資回收期，年。

表4 外窗傳熱系數(shù)節(jié)能改造方案及適用范圍

靜態(tài)投資回收期雖然沒(méi)有考慮資金的時(shí)間價(jià)值，但在一定程度上反映了投資效果的優(yōu)劣，經(jīng)濟(jì)意義明確、直觀，計(jì)算簡(jiǎn)便。靜態(tài)投資回收期T值越小，節(jié)能改造的投入產(chǎn)出比就越高，即節(jié)能改造效果越好。

外窗的節(jié)能改造是一項(xiàng)包括建筑外窗氣密性、傳熱系數(shù)及遮陽(yáng)系數(shù)的綜合性節(jié)能改造。該建筑模型外窗總面積為845m2，表5給出了14種不同改造方案的熱工性能、節(jié)能效果及改造的靜態(tài)回收期。節(jié)能改造后外窗的換氣次數(shù)按節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的1.0次/h取值。從表5可知，外窗節(jié)能改造對(duì)建筑能耗影響十分顯著，節(jié)能率可達(dá)20.46%～36.10%，有內(nèi)置百葉窗的節(jié)能效果最好。其中，節(jié)能效果最佳的是改造方案4；節(jié)能率最小的是方案13，節(jié)能率為20.46%?？紤]改造方案的靜態(tài)投資回收期，則方案1的靜態(tài)投資回收期最短，僅T=5.54年，建筑節(jié)能率為23.42%，為節(jié)能改造優(yōu)選方案之一；方案8改造的經(jīng)濟(jì)效益最差，靜態(tài)回收期最長(zhǎng)，達(dá)T=16.51年。從表5還可知，對(duì)建筑南向外窗，僅方案4能滿足節(jié)能65%的標(biāo)準(zhǔn)[9]；對(duì)建筑北向外窗改造，方案1～6、11、12均能滿足節(jié)能65%要求；對(duì)建筑東、西外窗改造，方案3、4能滿足節(jié)能65%要求，而方案1、2、5、6、11、12傳熱系數(shù)能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但其綜合遮陽(yáng)系數(shù)均大于0.5，大于標(biāo)準(zhǔn)限值，如對(duì)其外窗改造的同時(shí)，再適當(dāng)?shù)牟扇」潭ㄊ交蚧顒?dòng)式外遮陽(yáng)措施，方案也能達(dá)到65%的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)。

表5 外窗改造節(jié)能量及經(jīng)濟(jì)性分析

3 節(jié)能改造環(huán)境效益分析

外窗節(jié)能改造減排量分析見表6。從表中數(shù)據(jù)可知，通過(guò)采取方案1、方案4、方案13的外窗改造方案，該建筑每年可減排二氧化碳15.02～24.94t，二氧化硫0.12～0.20t，粉塵0.09～0.20t?？梢?，既有居住建筑外窗的節(jié)能改造具有可觀的環(huán)境效益，對(duì)武漢市節(jié)能減排工作的開展有著良好的促進(jìn)作用。

表6 減排量分析表

4 結(jié)論

1）外窗氣密性對(duì)住宅冬季供暖能耗的影響大于夏季，當(dāng)換氣次數(shù)從1.6次/h降到1.0次/h時(shí)，建筑全年節(jié)能率13.79%。

2）隨著外窗傳熱系數(shù)的減小，供暖季節(jié)能率不斷地提高，制冷季節(jié)能率則不斷降低，當(dāng)傳熱系數(shù)由4.7W/(m2·K)降到2.2W/(m2·K)時(shí)，建筑全年節(jié)能率從5.59%增加到11.52%，當(dāng)傳熱系數(shù)K=3.0W/(m2·K)時(shí)，對(duì)應(yīng)的建筑節(jié)能率為9.63%，是節(jié)能改造的拐點(diǎn)值，但外窗傳熱系數(shù)K=3.0W/(m2·K)時(shí)，建筑的南向外窗不滿足武漢市城市圈低能耗居住建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的傳熱系數(shù)限值要求。

3）外窗節(jié)能改造對(duì)建筑能耗影響顯著，節(jié)能率可達(dá)20.46%～36.10%%，外窗改造方案4節(jié)能效果最顯著，節(jié)能率高達(dá)36.10%，其靜態(tài)投資回收期為12.43年；節(jié)能率最小的是方案13，節(jié)能率為20.46%，其靜態(tài)投資回收期為12.38年；改造方案1的靜態(tài)投資回收期最短，僅5.54年，其建筑節(jié)能率為23.42%，為節(jié)能改造優(yōu)選方案之一。

4）外窗遮陽(yáng)系數(shù)SC由0.7降到0.2時(shí)，建筑全年的節(jié)能率變化為0.57%～7.01%，其中夏季空調(diào)節(jié)能率變化為 2.30%～31.67%，冬季供暖節(jié)能率-0.88%～-13.64%，減小外窗遮陽(yáng)系數(shù)的改造對(duì)建筑冬、夏能耗的影響效果是截然相反的，但對(duì)夏季制冷能耗的影響程度明顯大于冬季供暖能耗。兼顧建筑冬夏兩季對(duì)陽(yáng)光的不同需求，即采用活動(dòng)遮陽(yáng)的改造形式，節(jié)能改造效果更佳?；顒?dòng)遮陽(yáng)包括：內(nèi)置百葉中空玻璃窗、鋁色單層鋁片百葉活動(dòng)卷簾等,當(dāng)建筑外窗東、西向SC為0.5，南向SC=0.35時(shí)，該案例建筑節(jié)能率為8.68%，節(jié)能改造能滿足65%節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)要求。

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Ana lys is of the Exte rna l Window Re trofitting for Te c hnology a nd Ec onom y in Wuha n’s Re s ide ntia l Buildings

HU Gui-hua1,LI Yu-yun1,JIANG Xiu-ying2
1 College of Urban Construction,Wuhan University of Science and Technology
2 Central-South Architectural Design Institute Co.,Ltd.

To solve the technical and economic problems that emerge in building exterior window retrofitting of existing residential building in Wuhan,through the field survey and market research,the energy consumption of practical existing buildings is calculated using the DeST-h energy consumption simulation software before and after energy conservation transformation.Analyze the energy saving potential of exterior window transformation,the economy and social benefit of multiple solutions on the grounds of the market cost is discussed.Finally,taking energy-saving standards,energy conservation efficiency and economy into consideration,the optimal scheme of exterior window retrofitting for residential buildings in Wuhan is obtained.

existing residential buildings,exterior window transformation,energy saving potential,static payback period on investment

1003-0344（2015）01-086-5

2013-10-8

胡貴華（1988～），男，碩士研究生；武漢市洪山區(qū)雄楚大街199號(hào)武漢科技大學(xué)（430070）；E-mail:huguihua0426@163.com