严寒地区既有公共建筑绿色化改造综合技术措施研究

华通设计顾问工程有限公司

吕萌萌 朱显泽 陈静 康帅

1 引言

我国城市建设在改革开放以来迅速发展，目前城镇化率已经超过54%，既有建筑面积达到500亿平方米左右，不节能、非绿色的既有建筑存量巨大，而这些既有建筑中很大部分都存在能源资源消耗水平偏高、环境负面影响偏大、室内舒适度不高、使用功能有待提升等方面的不足。为了节约能源资源，保护历史文化，避免大拆大建，既有建筑节能改造、绿色化改造已成为实现节能减排、环境保护、人居环境提升目标的重要技术手段。本文以位于严寒寒冷地区的某既有公共建筑为改造案例，为了达到改造目标，采用计算机模拟技术预测各项技术措施应用后的改造效果，并进行对比分析，从而提出综合的绿色化改造技术策略并实施改造。

2 项目基本情况及主要问题分析

案例项目位于内蒙古锡林浩特市，建筑功能为医院，总建筑面积约5万平方米，主要包括门诊楼、住院部、医技楼、餐厅等建筑。

项目建筑形式大多为玻璃幕墙结构，包括竖明横隐式、全隐框式和点式幕墙，局部区域为石材幕墙，如图1所示。按照建筑热工设计分区，项目属于严寒地区，冬季采暖形式为散热器，夏季未考虑防热措施，大部分功能房间未安装舒适性空调，采用自然通风冷却降温形式，部分南向房间设置内遮阳窗帘（见图1）。

图1改造前主要建筑外立面

通过查阅项目竣工图纸及实地调研，项目主要问题为各栋建筑均存在夏季南向和西向房间过热，冬季北向房间过冷的问题，尤其是住院部病房区，室内舒适度较低，已影响医护人员的工作及住院病人的休养。

分析产生的原因主要包括以下四方面：

（1）采用大面积玻璃幕墙，围护结构保温性能较窗墙结构差，建筑热惰性小，冬季防寒及夏季防热性能都较差；

（2）玻璃幕墙气密性能较差，冬季冷风渗透量较大；

（3）锡林浩特在全国太阳能资源区域划分中属于资源较丰富的二类地区，全年日照时数为3000-3200小时，太阳能辐照量≥6700MJ/m²•年，其中，夏季5-7月太阳辐射强烈，而建筑未设置外遮阳系统，导致夏季太阳辐射得热量巨大；

（4）由于考虑安全因素，建筑玻璃幕墙可开启窗扇多为上悬窗，可开启面积比例小，夏季自然通风基础条件较差。

针对项目实际问题及产生原因，结合改造技术措施实施难度及成本因素，设计绿色化改造方案。

3 绿色化改造综合解决方案设计

3.1 优化室内自然通风系统

通风是采用自然或机械方法为建筑内部提供新鲜的空气，改善室内空气质量，还能消除建筑内部的余热、余湿，提高人体的热舒适性。自然通风还是一项被动冷却技术，不需要消耗机械动力，节约电能。锡林浩特夏季平均温度10℃-25℃，最热月日均最高气温为28℃，夏季自然通风的基础条件良好。因此，优化建筑室内自然通风，增加可开启窗扇，将室外空气有效引入室内，则能为建筑提供较舒适的室内环境。对项目各栋建筑的玻璃幕墙进行改造，增加可开启窗扇，可开启面积增加至原设计的2-3倍，从而优化室内自然通风效果。

3.2 增设机械通风系统

优化室内自然通风虽然能够改善夏季室内过热问题，但对于局部自然通风条件仍较差的部分建筑空间，如住院部病房、门诊楼大厅等区域，考虑增设机械通风系统。通过机械通风系统，有效排掉室内热空气，引入更多室外新鲜空气，从而进一步去除夏季室内余热，提高室内舒适度。

以住院部为例，住院部阳台之间的隔墙为轻质隔墙，水平风管易于穿越。因此，在住院部阳台的吊顶内部设置水平机械排风系统。系统由水平镀锌风管、双层百叶排风口、节能型低噪音排风机、防雨百叶风口组成。通过加设排风系统，在阳台空间内设置负压空间，引导室外空气通过住院部阳台的可开启部分直接进入阳台内，去除室内热负荷，降低室内温度，改善热环境（见图2）。

图2 住院部阳台内新增排风装置

3.3 改善围护结构热工性能

针对玻璃幕墙热工性能较差的问题，建议在玻璃幕墙的内侧，增设隔热保温材料以改善围护结构热工性能。与单纯的玻璃幕墙相比，这种构造的太阳光线透过率明显降低，避免夏季过多的太阳辐射热进入建筑内部。在冬季，保温材料的传热系数较小，能减少建筑向外散热量，提高围护结构保温性能。改造方案为保留每层幕墙中部透明玻璃部分，上部及下部幕墙内侧增加窗上墙及窗下墙，改造效果如图。

选取岩棉板作为隔热保温材料，岩棉板具有优良的隔热保温性能和防火性能，化学性能稳定、吸声性能好、使用周期长、热阻大，在冬季能阻止室内的热量向室外传递；在夏季能将室外空气中的热量进行阻隔，避免传递到室内。同时，在岩棉板的外侧增加了铝单板，一方面，铝单板对岩棉板起到装饰和保护作用；另一方面，铝单板在夏季能将透过玻璃幕墙的太阳辐射反射到室外，起到了隔热的作用（见图3）。

图3 项目某栋围护结构改造前后对比图

依据内蒙古《公共建筑节能设计标准》DBJ03-27-2011，外墙传热系数限值0.45W/(m²•K)，利用PKPM节能设计软件PBECA2015进行计算，建议选取80mm厚的岩棉板。同时，由于增加保温隔热板后对建筑室内自然采光有一定影响，项目中对各主要功能房间的采光系数进行计算校核，保证改造后建筑各主要功能房间自然采光仍满足《建筑采光设计标准》GB50033-2013的要求。

3.4 设置外遮阳系统

锡林浩特地区夏季日照时间长，辐射强烈，造成太阳辐射得热量较大。为了改善夏季室内舒适度，考虑外遮阳系统对于建筑立面影响、结构安全性以及经济性问题，选取门诊楼大厅的高大空间进行外遮阳系统的改造，加设电动可调外遮阳，有效减少太阳辐射得热，提高室内热舒适性（见图4）。

图4 项目门诊楼大厅可调外遮阳改造

4 改造效果模拟预测分析

为了避免改造效果不理想，造成资源浪费，影响项目使用，项目采用计算机模拟分析技术，综合以上绿色化改造技术措施，对项目改造效果进行模拟预测，以判断改造实施效果。模拟分析采用Star-CCM+及IES<VE>。

模拟预测分析以住院部为例，通过优化围护结构保温性能、增加可开启窗扇、设置机械通风系统的改造措施，在夏季最不利工况下，病房阳台的室内平均温度由36℃降低至29℃，室内最高温度由52℃降低至32℃，室内舒适度得到较大程度改善；冬季工况下，室内热负荷需求降低55%，在原采暖系统不变的条件下，北向病房的室内温度显著提升，可满足室内热环境温度要求。综上分析，综合改造技术方案实施效果能够达到项目的改造预期，满足使用者对于室内舒适度的要求。

5 结论

本文以严寒地区的既有公共建筑绿色化改造为案例，结合项目所在地的气候特征、项目现状及主要问题，研究分析了适合严寒地区既有公共建筑绿色化改造的技术措施。采用计算机模拟分析技术，模拟预测了实施综合改造技术措施后项目可能达到的改造效果，避免改造技术方案不理想等问题的产生，验证了绿色化改造方案的合理性，满足使用者对于室内舒适度的改造要求，为项目案例的改造工作提供了有力的技术支撑，也为进一步开展严寒地区既有公共建筑绿色化改造工作和改造方案评估提供了工程应用方法。

参考文献

[1]郑海超.既有公共建筑围护结构绿色改造技术研究[D].山东：山东建筑大学，2017.

[2]王俊.我国既有建筑绿色化改造发展现状与研究展望[J].建设科技，2013（13）：22-26.

[3]石丽丽，席文川，舒楠.既有建筑室内保温体系改造措施研究[J].煤炭工程，2012年第2期17-23.

[4]罗静.寒冷地区既有建筑节能改造及能耗评估的研究[D].西安：西安科技大学，2008.

                                      END                                             

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