某办公建筑围护结构节能改造效果分析

建筑节能是实现国家“双碳”战略目标的重要措施之一，尤其是对存量巨大的既有建筑开展节能改造。对既有公共建筑的节能改造不仅可以有效降低建筑能耗，还能改善建筑外部环境和内部舒适度，为室内工作人员提供舒适、健康的工作环境，是一项具有非常重要意义的工作。

我国大量早期建筑的围护结构参数远未达到现行标准要求，保温性能差造成了大量能源浪费，具有很大的节能潜力。陈华研究表明围护结构的传热耗热量占到建筑总耗热量的73%~77%，是建筑物的主要耗热量。崔俊奎等对寒冷地区某公共建筑围护结构保温特性参数进行试验测试，得出建筑围护结构的传热系数、气密性、热工性能等保温特性系数达标后节能效果显著，可达到50.2%的综合节能率。

以北京市某办公建筑为研究对象，对该建筑改造前、后建筑热工性能分别进行了测评，得出该建筑的围护结构热工缺陷、传热系数、室内温度等参数的实际状况，并结合实测数据模拟计算出改造后的节能率，对围护结构外墙、外窗、屋顶节能改造贡献率进行对比分析，综合评价了办公建筑围护结构改造的节能效果。

1工程概况

该建筑位于北京市，建筑年代1996年，建筑面积1.2万m ² ，建筑高度22m。原外墙为200mm无砂空心砌块，外窗为普通单玻铝合金窗，夏季制冷采用分体空调，冬季热源为区域燃气锅炉，供热末端为散热器。冬季供热时很多房间室内温度仅能达到16℃，舒适度较差，一些房间需使用分体空调辅助供热，造成该建筑供热用电负荷较大。为此对该建筑进行了外围护结构改造，改造范围包括外墙、屋面保温和外窗更换。

2节能改造实测分析

围护结构节能改造后，建筑外观焕然一新，由于采用外保温体系，使建筑外墙受到保护，冬季主体墙面温度变化较为平缓，热应力减少，产生裂缝、变形、破损的风险大为减少，从而延长了外墙的使用寿命。

2.1围护结构热工缺陷

外墙保温改造后，通过红外热成像仪对建筑外墙测试发现，外保温主体墙面无明显热工缺陷，而少数热工缺陷主要集中在楼板接缝处，窗框周边等部位，如图1所示。

（a）                                （b）

图1外墙面红外热成像图

（a）局部墙面红外热像图；（b）外墙立面红外热像图

2.2围护结构传热系数

采用热流计法对外墙主体部位传热系数进行测试，检测时间选在冬季室外温度较低时，检测期间室内外温差大于15℃，检测时间不少于96h，满足测试条件。测试时供热系统全部开启，室内侧空间密闭较好。

为覆盖不同受热部位，外墙传热系数检测选取不同楼层3个部位进行测试，每个部位设置3~4组热流计片和温度传感器；对同一部位于改造前、后分别进行了测试。测试部位外表面采取遮挡措施，避免阳光直射，测试前均利用红外热成像仪确认测试区域无明显热工缺陷。

2.2.1围护结构节能改造前

改造前，外墙某部位内外表面温度和热流密度变化曲线，如图2、图3所示。

图2改造前外墙墙体内外表面（单组温度传感器）传热系数测试变化曲线

图3改造前外墙墙体热流密度变化曲线（对应热流计片）

2.2.2围护结构节能改造后

改造后，对相同部位进行了重复测试，墙体内外表面温度和热流密度变化曲线如图4、图5所示。

图4改造后外墙墙体内外表面（单组温度传感器）传热系数测试变化曲线

图5改造后外墙墙体内外表面（单组温度传感器）传热系数测试变化曲线

经测试得出外墙、屋面（同外墙测评方法）的平均传热系数。外墙改造后墙体传热系数大幅度减小，与改造前相比减少可达63.6%，极大地改善了的墙体热工性能。但改造后外墙平均传热数未达到设计值，与预期效果有一定偏差，分析认为这与现场环境、测量误差、设计、施工等多方面因素有关。

由于窗户的玻璃和窗框的材料、厚度，传热不均匀，因此窗户的传热系数现场测量一般不采用外墙检测常用的热流计法，目前常用的现场测量方法可参照相关国家标准建筑外门窗保温性能检测方法，受制于测试条件，以验收证明资料为依据，其中外窗的传热系数为2.80W/(m ² ·K)，外窗的气密性等级为6级。

2.3室内温度

2.3.1节能改造前后室内温度对比

选取同一房间为研究对象，在供热系统没有改变的前提下（以下同），对改造前、后不同供暖季典型时间段（室外温度较低）的室内温度进行分析，现以连续10d的室内外温度变化曲线为例，如图6 所示。

图6同一房间改造前后室内温度对比

（a）改造前室内外温度变化曲线；（b）改造后室内外温度变化曲线

对比分析发现，改造前室外平均温度为–1.4℃时，室外最高温度5.6℃，最低温度–7.7℃，室外波动幅度13.3℃；室内平均温度仅为16.1℃，室内最高温度20.9℃，最低13.2℃，上下波动幅度达到7.7℃，室内温度波动较大。

改造后，室外平均温度为–4.4℃，室外最高温度2.9℃，最低温度–14.1℃，室外温度波动幅度17℃，选取室外条件较改造前更为寒冷，但改造后室内平均温度为23.4℃，室内最高温度24.3℃，最低温度21.8℃，上下波动幅度为2.5℃。结果表明，改造后室内平均温度与改造前相比有明显提高，室内平均温度提高了7.3℃，且温度波动较小，室内舒适度显著提升。

2.3.2改造后完整采暖季室内温度分析

围护结构节能改造后，对完整采暖季室内外温度进行了测试，如图7所示，建筑室内温度总体较平稳，其中阴面房间室内平均温度23.2℃，阳面房间室内平均温度24.2℃，阳面室内平均温度比阴面室内温度高1℃，表现出室内温度较设计值偏高，阳面房间较阴面房间温度偏高等问题。因此在开展围护结构节能改造时，应同时考虑对建筑供热空调系统及其他系统进行综合改造。

图7改造后室内外温度变化曲线（完整采暖季）

3节能量计算及建议

3.1节能改造模拟分析

以该建筑为研究对象，采用DeST–C模拟软件建立建筑模型，如图8所示。对建筑的全年逐时冷、热负荷进行计算，得出改造前、后的全年累计负荷，从而得到改造后的节能率。将围护结构改造前实测值，改造设计值，改造后实测值分别作为边界条件进行计算。室外气象参数按北京地区标准设置，室内参数按各功能房间要求设定。

图8建筑模型

结果如图9所示，围护结构改造后，全年累计热负荷明显降低，相比于改造前实测值，改造后实测值全年累计热负荷降低37.6%。对围护结构外墙、外窗、屋面单项改造分别进行计算，可得出围护结构不同部位供热负荷降低率，外窗对围护结构节能降低率达到19.0%，贡献率最高；其次为外墙，达到14.5%；屋面节能贡献率最低，为4.1%，可见该建筑外窗和外墙改造节能效果较明显，而屋面改造节能效果较弱。

图9建筑全年累计冷热负荷

而全年累计冷、热负荷降低了19.5%，因此围护结构节能改造的效果主要表现在降低了冬季热负荷。节能改造后，全年累计冷负荷反而略有增加，也就是说墙体保温效果好，制冷能耗不降反增。

究其原因，当外墙传热系数减小，保温效果好时，墙体的蓄热功能相应就好，虽然在炎热的白天或者极端气候条件下，对建筑节能有利；但在夜间或者非极端气候条件下，反而阻碍了墙体向室外散热，增加了空调冷负荷。

相关文献对围护结构传热系数影响的研究同样表明，全年累计冷负荷在采用保温层后呈现增大的趋势，随着保温层厚度的增加而增大，但增大的幅度很小。

3.2节能改造建议

改造后实测值与设计值相比，围护结构热工缺陷、传热系数等热工参数存在不同程度的负偏离，与设计值相比，全年累计热负荷节能效果偏差为–5.2%。结合本项目改造使用过程中发现的问题，提出建议如下。

（1）改造前应重视对围护结构热工性能进行节能诊断，结合节能诊断制订合理的改造方案。比如，该办公楼改造前外墙传热系数的原设计值为 1.70W/(m ² ·K)，实测值为1.77W/(m ² ·K)，虽然是单个项目不具普遍性，但建造年代较早的建筑很有可能已不满足原设计值，若按原设计值进行设定势必影响最终的改造效果。

（2）加强细部节点的质量控制，除屋面、外墙和外窗这些围护结构的主要部位外，还有很多节点和细部处理需要结合实际现场情况，如女儿墙墙体、门窗洞口、空调室外机及基层处理等。

（3）既有建筑改造工程是一项系统全面工程，围护结构改造应结合实际情况，全面做好每个环节，同时应综合考虑建筑其他系统的改造，只有这样才能达到预期改造目的，收到良好的环境效益和社会效益。

4结论

对北京市某办公建筑围护结构节能改造热工性能测评，并结合实测数据进行了模拟计算，通过上述分析得出以下结论。

（1）通过建筑围护结构节能改造，建筑外观明显改观，围护结构无明显热工缺陷，改造后该建筑外墙平均传热系数大幅度降低，降低幅度达63.6%。

（2）围护结构节能改造后，室内平均温度提高了7.3℃，且温度波动幅度小，较为稳定，室内工作环境和舒适度得到显著提高。

（3）模拟分析表明，北京地区围护结构改造的节能效果主要体现在可降低冬季供热负荷，改造后全年累计热负荷降低了37.6%，其中建筑外窗和外墙节能效果较为明显，而屋面影响最小。围护结构改造应对全过程予以重视，结合实际情况做好每个环节，以确保节能改造达到预期要求。