老舊小區(qū)住宅外墻低能耗改造策略及模擬分析

20世紀90年代及以前建成的居住建筑，多為4~6層的多層磚混結(jié)構(gòu)單元式板樓。受當時設(shè)計標準、經(jīng)濟和建造技術(shù)等條件的影響，存在建筑密度高、住宅戶型小、廚衛(wèi)空間設(shè)計不合理、圍護結(jié)構(gòu)保溫隔熱性能差等問題；老舊小區(qū)設(shè)計僅以滿足基本居住功能為主，缺乏對人體尺度、綠化環(huán)境、人文關(guān)懷的考慮。體現(xiàn)在建筑構(gòu)造上，由于圍護結(jié)構(gòu)保溫隔熱性能決定60%~70%的熱損失，老舊住宅建筑外墻體侵蝕剝落，木（鋼）窗與墻體連接處開裂，使氣密性問題加劇，室內(nèi)熱環(huán)境差，人體舒適指數(shù)低。保溫隔熱多依賴于室內(nèi)機械設(shè)備調(diào)節(jié)，導(dǎo)致空調(diào)系統(tǒng)運轉(zhuǎn)帶來的大量電能消耗。基于城市化發(fā)展現(xiàn)狀趨勢與居住區(qū)實地調(diào)研，本文就有待改造的老舊小區(qū)提出外墻低能耗改造策略，即利用輕質(zhì)高效的外保溫裝飾復(fù)合材料，結(jié)合外遮陽設(shè)計對墻體進行改造。使立面改造過程裝配集成化，確保提升保溫性能，減少冷/熱橋的形成，在外墻結(jié)構(gòu)方面降低建筑能耗水平，促進與其他系統(tǒng)的良性交互。一體化的外保溫遮陽裝飾表皮還可從材料使用、人工成本、施工速度、環(huán)保性等方面提高施工效率。要實現(xiàn)老舊小區(qū)改造的系統(tǒng)化、綠色化、人文化，更好地滿足居民的生活要求，就需要在設(shè)計伊始確定具有針對性的解決方案、強化綜合統(tǒng)籌。就建筑單體而言，雖然結(jié)構(gòu)維護、屋面整修、保溫隔熱、管線整治、立面美化等，屬于建筑改造的不同方面，但若能通過系統(tǒng)性設(shè)計，結(jié)合處理墻體保溫、防曬遮陽、立面出新，即可在實現(xiàn)多重改造目的的同時，減少工序的復(fù)雜程度，并縮短工期，節(jié)約勞動力成本，減輕翻新過程對居民生活的影響。本文以江蘇省南通某20世紀90年代建造的住宅小區(qū)改造工程為例。以預(yù)制保溫裝飾一體板作為外墻改造材料，對保溫芯材的選擇、保溫板與遮陽構(gòu)件一體化等方面進行策略研究，應(yīng)用Ecotect軟件對改造成果進行模擬。1、保溫材料選擇根據(jù)保溫材料性質(zhì)，外墻保溫材料分為有機保溫材料和無機保溫材料兩類，其中常用的有機保溫材料包括普通聚苯板、石墨聚苯板、擠塑聚苯板、酚醛泡沫等；常用的無機保溫材料包括巖棉板、發(fā)泡陶瓷、泡沫玻璃、發(fā)泡水泥等。對不同種類保溫芯材的性能指標、價格和特點進行對比分析，結(jié)果見表1。表1?外保溫板芯材對比分析通過對比分析發(fā)現(xiàn)，發(fā)泡陶瓷和泡沫玻璃價格偏高，不適用于老舊小區(qū)經(jīng)濟適用類型的改造；發(fā)泡水泥和巖棉板雖價格較低，但導(dǎo)熱系數(shù)較高，在同等條件下保溫隔熱性能效果較低；酚醛泡沫和擠塑板物理性能較差，不易粘結(jié)且易剝落，不適用于外立面保溫，因此，選擇在同等厚度下保溫性能更好、價格更低的石墨聚苯板做外墻改造的保溫材料。2、遮陽構(gòu)件設(shè)計2000年前建設(shè)的住宅小區(qū)節(jié)能要求不高，遮陽構(gòu)件普及率很低，低能耗改造中將外墻體保溫做法與外遮陽結(jié)合處理，可使改造后的建筑室內(nèi)熱環(huán)境舒適度最大化，減少建筑能源消耗。南通地區(qū)老舊小區(qū)住宅建筑以南北開窗為主。東西兩側(cè)少開窗，若需開窗則為小窗。根據(jù)GB?50189—2015《公共建筑節(jié)能設(shè)計標準》，夏熱冬冷地區(qū)節(jié)能工作應(yīng)結(jié)合夏季遮陽和冬季圍護結(jié)構(gòu)保溫，故本文主要討論夏至日（6月22日）的住宅建筑南向遮陽。經(jīng)計算，夏至日滿窗遮陽的構(gòu)件水平挑出長度L最小為0.21?m，厚度D為0.06?m。為確保滿足住宅改造中的節(jié)能要求，防止連接處產(chǎn)生冷橋、熱橋，兼顧保溫與裝飾的要求，形成一體化效果，遮陽構(gòu)件可選擇與外墻外保溫相同的石墨聚苯乙烯板核心材料SEPS該材料自重小，方便施工，安全性好，成本較低；建筑遮陽構(gòu)件本身就是一種高效的保溫材料，能實現(xiàn)保溫、遮陽、裝飾一體的住宅改造更新效果（圖1）。圖1?保溫、遮陽、裝飾一體化構(gòu)造示意3、模擬分析模擬分析對象主體為一個典型老舊小區(qū)磚混結(jié)構(gòu)6層住宅，住宅套型室內(nèi)面積有58?㎡和63?㎡兩種，標準層平面如圖2所示。圖2?標準層平面示意3.1?遮陽改造前后室內(nèi)采光對比取住宅南向臥室為研究對象（圖2），在同樣分析網(wǎng)格區(qū)間內(nèi)模擬，以等值線更為直觀地顯示結(jié)果（圖3）?？煽吹较闹寥照缒舷蚺P室無遮陽構(gòu)件的情況下，自然采光區(qū)域顯著大于有遮陽構(gòu)件的室內(nèi)，且無遮陽構(gòu)件采光照度峰值（25.0%）高出有遮陽（20.6%）近5個百分點，而平均值（7.97%）高出有遮陽（6.42%）1.52個百分點。根據(jù)計算，遮陽構(gòu)件長度L為0.21?m時，夏至日正午滿窗遮陽。模擬中對構(gòu)件的伸出長度進行對比分析，分別采用L=0.21?m和L=0.40?m。經(jīng)計算可看出，伸出長度增加的情況下，自然采光區(qū)域有所減小，但峰采光照度的峰值和平均值并無明顯變化。（a）

（b）（c）圖3?遮陽改造前后室內(nèi)采光對比（計算機截圖）（a）無遮陽；（b）遮陽構(gòu)件L=0.21?m；（c）遮陽構(gòu)件L=0.40?m遮陽構(gòu)件的尺度可根據(jù)地區(qū)日照條件，通過計算滿足建筑采光設(shè)計及節(jié)能設(shè)計標準，而無需盲目增加無效尺寸導(dǎo)致材料浪費。3.2?整體改造前后住宅單元能耗對比取住宅單體中的一個單元（圖2）為研究對象，進行月度熱/冷能耗模擬。選取改造前（圖4a）磚混結(jié)構(gòu)外墻、無遮陽進行能耗計算，得出年度總能耗為3?653.6??kW·h；然后用150?mm厚石墨聚苯乙烯板和遮陽構(gòu)件進行外墻外保溫改造，年度總能耗為3?104??kW·h，（圖4b）；再調(diào)整不同方向墻體石墨聚苯乙烯板的厚度進行對比分析（南向厚150?mm，其他方向厚200?mm），算得年度總能耗為3?106.4??kW·h（圖4c）。從改造前后能耗分析（圖5）可見，采用150?mm厚的SEPS進行墻體外保溫后，住宅單元年度總能耗比改造前節(jié)約15%；而增加保溫層厚度，能耗無明顯改變。若建筑南向墻體外保溫厚度為150?mm，將東西北三向調(diào)整為200?mm，該住宅的單元能耗與各方向保溫厚度均為150?mm并無明顯差別。因此，老舊建筑雖需增加外保溫層來減小建筑能耗，并增加室內(nèi)環(huán)境舒適度，但應(yīng)根據(jù)建筑所在地區(qū)的地理位置和其他綜合條件，經(jīng)模擬計算制訂具有針對性的外墻保溫改造策略。（a）（b）（c）圖4?整體改造前后住宅能耗對比（計算機截圖）（a）改造前能耗模擬；（b）改造后能耗模擬；（c）不同保溫層厚度能耗模擬圖5?改造前后住宅能耗分析（計算機截圖）注：圖中各柱子從左到右依次為改造前，改造后（保溫厚度相同），改造后（保溫厚度不同）。4、結(jié)束語老舊小區(qū)改造中，減少能耗是主要的設(shè)計原則之一。要做到低能耗，在項目實施初期就要綜合多方面因素進行科學規(guī)劃設(shè)計。建筑圍護結(jié)構(gòu)的保溫系統(tǒng)和遮陽系統(tǒng)對減少能量損失具有重要意義，保溫芯材的和遮陽系統(tǒng)的效用是實現(xiàn)低能耗節(jié)能效果的