（材料学专业论文）北京市既有建筑围护结构节能改造研究.pdf

摘要 摘要 建筑节能是一个世界性潮流，而北京市目前有大量的非节能建筑存在，因此 研究北京市既有建筑的节能改造具有重要意义。 统计了北京市建筑能耗状况，分析了北京市历年的采暖用能状况，采用人均 能耗分析法、单位建筑面积能耗分析法以及时间序列法等方法分析预测了北京市 2 0 1 0 年的建筑采暖用能数量，指出了北京市2 0 1 0 年采暖能耗增幅巨大。通过新 建建筑执行6 5 的节能设计标准和完成2 5 的非节能居住建筑和公共建筑的节 能改造，可实现节能1 6 0 万吨标准煤的节能潜力。 分析对比了北京市与欧洲主要城市的气候特征和建筑围护结构热工性能的 异同，提出北京市与欧洲主要城市相比，气候对建筑节能明显不利，并且北京市 建筑围护结构的保温隔热性能差，提出了对外墙进行外保温节能改造的方法，优 选对平屋顶采用倒置屋面、平屋顶改坡屋顶等节能改造方法。提出了针对不同建 筑外窗的节能改造方法。 提出了表征既有建筑节能改造效果优劣的性价比概念，结合e p s 板薄抹灰 系统分析了既有建筑实施节能改造的保温层经济厚度，通过对基准建筑的计算可 知该节能改造保温层厚度优于北京市节能6 5 建筑设计标准的要求，分析计算可 知以该经济厚度对既有建筑进行节能改造亦可使节能改造的投资回收最短。 抽样调查了不同墙体表面粘结强度状况，并提出针对不同状况墙体饰面进行 处理的方法。以外墙体进行外保温为节能改造研究重点，以聚苯乙烯材料( 包括 e p s 板和x p s 板) 为保温材料，采用粘锚方法，建立保温材料与墙体的优化结 合方式。 根据目前已有的既有建筑节能改造技术规程( j g j1 2 9 2 0 0 0 ) 、北京市居 住建筑节能设计标准( d b j0 1 6 0 2 2 0 0 4 ) 以及外墙外保温技术规程结合北 京市的既有建筑基本情况，制定了北京市既有建筑围护节能改造规则。 关键词既有建筑；建筑节能；热工计算：围护结构；节能改造 a b s t r a c t e n e r g yc o n v e r s a t i o ni nb u i l d i n g si saw o r l dt e n d e n c y t h e r ea l eq u a l i f i e so f 耐s t i n gb u i l d i n g s i nb e i j i n g s or e s e a r c ho ne n v e l o p e sr e f o r m a t i o ni n e x i s t i n g b u i l d i n gi nb e i j i n gi sas i g n i f i c a n tp r o b l e m t h ee n e r g yc o n s u m e df o rh e a t i n gw i l t 8s t a t i s t i c a l l ya n a l y z e da tp r e s e n t t h r o u g h a n a l y s i st h eh e a t i n gc o n s u m p t i o na l lp r e v i o u sy e a r s ，t h eh e a t i n gc o n s u m p t i o ni n2 0 1 0 w a sf o r e c a s t e db ym e a n so fa v e r a g ep e rp e m me n e r g yc o n s m n p f i o na n a l y t i cm e t h o d , u n i tc o n s t r u c t i o na r e ae n e r g yc o n s u m p t i o na n a l y t i cm e t h o da n dt i m es e r i e sl a w m e t h o d , i ti sf o u n dt h a tt h ei n c r e m e n to ft h ee n e r g yc o n s u m p t i o ni sh u g e t h r o u g h c a r r y i n g o u t6 5 e n e r g yc o n s e r v a t i o nd e s i g ns t a n d a r di nn e wb u i l d i n g sa n d c o m p l e t i n g2 5 o fn o n 印e 曜yc o n v e r s a t i o nb u i l d i n gr e f o r m a t i o n , a b o u t1 , 6 0 0 ，0 0 0 t o n ss t a n d a r dc o a l sw e r cs a v e d t h r o u g hc o m p a r i n gt h ew e a t h e rb e t w e e nb 喇i n ga n dm a i ne u r o p e a nc i t i e s ，i ti s f o u n dt h a tt h ew e a t h e ri nb 蜘i n gi sm o r ed i s a d v a n t a g e o u st h a ne u r o p e a nc i t i e s ，a n d t h ep r o p e r t yo fh e a tp r e s e r v a t i o ni sw e a k e x t e r n a lt h e r m a li n s u l a f i o no nw a l l sw a s p r o p o s e dt on n p r o v e t h ei u s u l a t i o no fe x t e r n a lw a l l o p t i m a lu s i n gt h ei n v e r s i o nr o o f , c h a n g i n gt h ef l a tr o o ft os l o pr o o f , t h er e f o r m a t i o nm e t h o du s e di no u t d o o ra n d w i n d o w sa r ea l s op r o p o s e d t h er e f o n n a t i o nc o s tc a l lb ed i v i d e di n t ot h ei n v a r i a b l ec o s ta n dt h ev a r i a b l ec o s t i ne p se x t e r n a li n s u l a t i o no nw a l l s f w a sp r o p o s e dt oc h a r a c t e r i z et h ee f f i c i e n c yo f e n v e l o pe n e r g ys a v i n gr e f o r m a t i o n t h ee c o n o m i ct h i c k n e s so fi n s u l a t i o nm a t e r i a l s w a sg i v e n i ti sp r e v i o u st ot h et h i c k n e s st h a tc a l c u l a t e du n d e rt h e6 5 e n e r g y c o n s c r c a t i o nd e s i g ns t a n d a r d t h ee c o n o m i ct h i c k n e s so fi u s u l m i o nl a y e ra l s oc a n m a k ep a y b a c kp e r i o dt ob es h o r t e s t t h ei n t e n s i t yc o n d i t i o n sw e l l s p o tc h e c k e do i ld i f f e r e n tw a l ls u r f a c e e p se x t e r n a lt h e r m a l i n s u l a t i o nt e c h n o l o g yi sa d o p t e d t a k e , t h ep o l y s t y r e n em a t e r i a l ( i n c l u d i n gt h ee p s b o a r da n dt h ex p sb o a r d ) a st h et h e r m a li n s u l m i o nm a t e r i a l u s e ss t i c ka n da n c h o r 1 1 1 北京t 业大学t 学硕1 ：学位论文 m e t h o d ，e s t a b l i s h e st h et h e r m a li n s u l a t i o nm a t e r i a la n dt h ew a l lo p t i m i z e du n i o nw a y b a s e do nt e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o nf o re n e r g yc o n s e r v a t i o nr e n o v a t i o no fe x i s t i n gh e a t i n g r e s i d e n t i a lb u i l d i n g ( j g j1 2 9 2 0 0 0 ) ，d e s i g ns t a n d a r df o re n e r g ye f f i c i e n c yo fr e s i d e n t i a l b u i l d i n g s b j0 1 - 6 0 2 - 2 0 0 4 ) a n dt e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o nf o re x t e r n a lt h e r m a li n s u l a t i o no n w a l l s ( j g j l 4 4 2 0 0 4 ) ，t h et e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o nf o re n e r g yc o n s e r v a t i o nr e f o r m a t i o no f e n v e l o p e so f e x i s t i n gh e a t i n gr e s i d e n t i a lb u i l d i n gw a $ p r e p a r e c l k e y w o r d se x i s t i n gb u i l d i n g ；b u i l d i n ge n e r g yc o n s e r v a t i o n ；t h e r m a lc a l c u l a t i o n ； e n v e l o ps t r u c t u r e ；e n e r g ys a v i n gr e f o r m a t i o n - i v - 独创性声明 本人声明所里交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一起工作过的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：盔焦丛日期：墨叠篁 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文全部或部分内 容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 签名：奎丝堕l 导师签名： 乡r 耪 日期：! 堡巫一 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究背景 建筑使用能耗是我国用能增长最快的领域之一。全国每年城乡新建房屋建筑 面积近2 0 亿m 2 ，其中8 0 0 , 4 以上为高耗能建筑，既有建筑近4 3 0 亿m 2 ，9 9 以 上是高耗能建筑，因此研究既有建筑的节能改造具有重要意义【。 据初步调查，截至2 0 0 5 年底北京房屋建筑总面积5 0 5 0 7 万m 2 ，住宅总面积 2 8 9 2 2 3 万m 2 ，在住宅建筑中，节能住宅面积约1 9 5 4 3 3 万m 2 ，非节能住宅面积 约9 3 7 9 万i n 2 。在公共建筑中，普通公共建筑1 5 1 3 0 万l n 2 ，大型公共建筑2 2 7 0 万m 2 3 , 4 1 ，且其均未达到节能标准。这些住宅冬冷夏热，采暖和空调能耗高， 这部分非节能建筑急需进行节能改造。在非节能建筑中，外围护结构的热损耗较 大，在我国建筑节能规划目标中，建筑围护结构承担其中4 7 2 的节能任务。因 而围护结构热工性能的改善是降低采暖能耗的重要途径i s , 6 l 。 1 2 建筑节能的定义与意义 1 2 1 建筑节能的定义 建筑节能概念的提出于2 0 世纪7 0 年代。1 9 7 3 年，欧佩克国家对美国石油 禁运，世界石油危机爆发，促使发达国家采取各种措施节约能源，建筑节能被提 了出来。其内涵是不断变化的，现在通行的说法是指提高建筑中能源利用效掣州 建筑使用过程中所消耗的能量，即通常所说的建筑能耗，在社会总能耗中占 有很大比例。西方发达国家，建筑能耗占社会总能耗的3 0 , - 4 5 。美国一次能 源消耗量，2 0 0 0 年达到3 6 5 5 亿吨标准煤，其中建筑能耗占3 3 7 ，t 业能耗占 3 5 9 ，交通能耗占2 4 8 。法国建筑能耗占社会总能耗的4 5 【7 朋。我国尽管社 会经济发展水平和生活水平都还不高，但是建筑能耗已占社会总能耗的 2 0 0 一2 5 ，正逐步上升到3 0 ，不论西方发达国家还是我国，建筑能耗状况都 是牵动社会经济发展全局的问趔】。 北京t 业人学t 学硕卜学位论文 1 2 2 建筑节能的意义 能源是人类赖以生存和推动社会进步的重要物质基础。中国是一个能源生产 大国，但是人均占有量不足世界平均水平的1 2 ，目前中国经济已进入高速发展 阶段，有关专家预测2 0 2 0 年能源需求量将为2 7 9 4 亿吨标准煤。即使目前采用 先进技术，加速新能源与可再生能源的开发利用，预计到那时能源的供应量为 2 0 亿吨标准煤，这之间的差额就需要靠节能来完成 - q 。 ( 1 ) 建筑节能是改善空间环境的重要途径 我国建筑采暖能源以煤炭为主，约占采暖能源总量的7 5 。目前，我国采暖 燃煤排放二氧化碳每年约为1 9 亿吨，排放二氧化硫近3 0 0 万吨，烟尘约3 0 0 万 吨。二氧化碳造成的地球大气外层的“温室效应”，严重危害人类的生存环境；烟 尘、二氧化硫和氮氧化合物也是呼吸道疾病、肺癌等疾病的根源，环境酸化、酸 雨也是破坏森林、损坏建筑物的罪魁祸首。显然，降低建筑能耗，提高建筑节能 效果是改善大气环境的重要途径1 7 , 8 1 。 建筑节能可改善室内热环境。适宜的室内热环境，可以使人体易于保持平衡， 从而使人产生舒适感。节能建筑则可改善室内环境，做到冬暖夏凉。对符合节能 标准要求的采暖居住建筑，其采暖能耗仅为非节能建筑的一半左右，且冬季室内 温度可保持在1 8 左右，并使围护结构内表面保持较高的温度，从而避免其结 露、长霉，显著改善冬季室内热环境m 。 ( 2 ) 建筑节能是发展国民经济的需要 我国的能源形势严峻。能源是发展国民经济，改善人民生活水平的重要物质 基础。据测，我国年需要各种能源共1 7 亿吨标准煤，但生产的能源仅为1 3 7 亿 吨标准煤，远低于世界平均水平我国能源生产的增长速度长期滞后于国内生产 总值的增长速度，能源短缺是制约我国国民经济发展的根本因素7 朋。因此，节 约能源是发展国民经济的客观需要。 1 3 我国的建筑能耗现状 1 3 1 我国建筑能耗基本情况 ( 1 ) 建筑能耗大 第1 苹绪论 2 0 0 1 年，我国建筑年消耗3 7 6 亿吨标准煤，占能源消费总量的2 7 6 ，比 前1 9 9 6 年年均增长比例0 5 。据有关研究分析认为，从2 0 0 0 年至2 0 1 5 年是我 国民用建筑发展鼎盛时期的中后期，预测到2 0 1 6 年民用建筑保有量的一半是 2 0 0 0 年以后建造的【。随着建筑业的高速发展和人民生活水平的改善，建筑能 耗占全社会总能耗的比例还将增长。 ( 2 ) 能源利用效率低 我国建筑能耗约5 0 * 0 - , 6 0 的部分为建筑采暖和空调。北方城市中集中供暖 的热源主要以燃煤锅炉为主，锅炉的单台热工效率普遍较小，热效率低污染严重， 供热输配管网保温隔热性能差，而且整个系统的电耗、水耗也极高。公共建筑中 央空调系统的综合效率较低。 ( 3 ) 围护结构的保温隔热性能差 我国的建筑围护结构保温隔热性能普遍较型1 0 1 ，外墙和窗户的传热系数为同 纬度发达国家的3 4 倍。以多层住宅为例，外墙的单位面积能耗为同等气候条件 下发达国家的4 5 倍，屋顶是2 5 5 5 倍，外窗是1 5 砣2 倍，门窗空气渗透率 3 - 6 倍【3 ，7 。 1 3 2 我国建筑能耗特点 ( 1 ) 夏季空调用量大 1 9 9 7 年以来，中国每年发电量按5 * o - - , 8 的速度增长，工业用电量每年减少 1 7 9 。由于空调耗电大、使用集中，有些城市的空调负荷甚至占到尖峰负荷的 5 0 以上。许多城市如上海、北京、济南、武汉、广州等普遍存在夏季缺电现象。 ( 2 ) 冬季采暖能耗高 中国的东北、华北和西北地区，城镇的建筑面积约占全国的5 0 ，达到4 0 多亿m 2 ，年采暖用能约1 3 亿吨标准煤，占全国能源消耗量的1 1 ，占采暖地 区全社会总能耗的2 1 4 * * 。在一些严寒地区城镇建筑能耗已经占到当地全社会总 能耗的一半以上i 刀。 1 4 建筑节能改造的国内外发展状况 8 0 年代末9 0 年代初，我国已经开始了个别既有建筑的节能改造示范工程， 总结了不少有益的经验。从这些经验中可以看出，改善建筑围护结构的热工性能 北京t 业人学t 学硕1 ：学位论文 是节能改造的关键。而提高围护结构的热工性能的有效途径，首推外墙外保温技 术和节能门窗技术【m 1 3 1 。 1 4 1 国外建筑节能改造的发展状况 自二十世纪7 0 年代的石油危机后，许多发达国家就意识到建筑节能工作的 重要性，大力开展建筑节能的技术研究和应用，同时对既有建筑也展开了大规模、 高标准的节能改造。到上世纪8 0 年代中期北欧、中欧已经完成节能改造。 在发达国家建筑节能大致经历了三个阶段：第一阶段，称为在建筑中节约能 源( e n e r g ys a v i n gi nb u i l d i n g s ) ，我国称为建筑节能；第二阶段，称为建筑中保 持能源( e n e r g yc o n s e r v a t i o ni nb u i l d i n g s ) ，意为在建筑中减少能源损失；第三阶 段，近年来，普遍称为在建筑中提高能源利用效率( e f l c r g y e f f i c i e n c y i n b u i l d i n g s ) ， 意为积极意义上的提高能源利用效率，而不再是消极意义上的节省。 发达国家自7 0 年代爆发石油危机以来，一直重视建筑节能，并在改造中提 倡采用外墙外保温技术。并且在既有建筑节能改造方面己积累了丰富的经验。这 些经验证明，外墙外保温是既有建筑节能改造的有效途径。其做法多是使用聚苯 乙烯板，或挂、或粘、或用固定件固定在外墙表面，再贴耐碱玻纤网格布，并作 抹面层。 西方发达国家大规模开展建筑节能已持续了三十多年，如今高舒适度、低能 耗住宅已十分普遍，欧洲已成为世界上居住品质最高、最科学的地区。例如法国 从1 9 7 4 年起分三步走用法律形式正式规定采暖居住建筑的节能指标，要求1 9 7 4 年节能2 5 ，1 9 8 2 年和1 9 8 9 年分别达到节能4 5 、6 0 。1 9 9 0 年法国的建筑能 耗已从1 9 8 4 年占社会总能耗的4 2 4 5 降低到2 8 。在法国政府的主持下己 完成了4 0 座中等城市的旧房节能改造，虽然自1 9 7 4 年以来法国住宅面积增加了 约1 4 ，但建筑能耗几乎没有增长，法国的建筑节能成就巨大 1 7 t 9 】。 在西欧和北欧的一些国家，低能耗、高舒适度的既有居住建筑节能改造经过 近3 0 年的努力已趋于完成，并形成一套既有居住建筑节能改造的技术。既有居 住建筑节能改造所需费用可能相当于建筑造价的3 0 左右，但因节能和优化组 合，每年的运营费用却可节约5 0 以上【刎。 英国在墙体节能改造上做法是在传统的砌块墙体上钻眼，向空气间层内喷入 轻质散状保温材料，如聚苯颗粒或岩棉等，直至将空气间层全部填充满，培体保 第1 章绪论 温效能可大大提高口”。 德国冬季以燃油取暖为主1 2 2 1 。未进行节能改造的住宅，其燃油量在2 0 升m 2 以上。路德维希港的一栋示范建筑，主体为砖墙的住宅，外培贴上2 0 e m 厚的聚 苯乙烯板作保温层，屋顶采用2 9 e r a 聚苯乙烯板作保温。改造效果，在室内热舒 适的情况下，采暖燃油降低到3 升，m 2 。 1 4 2 我国建筑节能改造的发展状况 我国的建筑节能工作起步较晚，始于2 0 世纪8 0 年代后期： ( 1 ) 1 9 8 0 - - 1 9 8 6 年，是建筑节能技术的研究与节能标准制定的探索阶段。 1 9 8 6 年3 月，建设部颁发了第一部建筑节能率为3 0 * , ( 相对于各地区8 0 年 代典型居住建筑而言) 的民用建筑节能设计标准( 采暖居住建筑部分) ( j g j 2 6 8 6 ) ，于1 9 8 6 年8 月1 日开始试行。 ( 2 ) 1 9 8 7 年1 9 9 4 年，是第一个建筑节能设计标准的执行阶段。 ( 3 ) 1 9 9 4 年今，是有组织地制订建筑节能政策和计划并组织全面实施阶 段，相继颁布实施了民用建筑节能设计标准( 采暖居住建筑部分) ( j g j 2 6 9 5 ) 、 夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准( j g j1 3 4 - 2 0 0 1 ) 、夏热冬暖地区居 住建筑节能设计标准( j g j7 5 - 2 0 0 3 ) 和公共建筑节能设计标准( g b 5 0 1 8 9 2 0 0 5 ) 等标准，明确提出了节能5 0 的要求。 相对于全国范围的建筑节能，北京市走在了全国的前列，到目前北京市建筑 节能基本上经历的三个阶段【7 , 9 , 1 5 , 2 3 1 ： ( 1 ) 1 9 8 8 年北京市制定了相对于民用建筑节能设计标准( 采暖居住建筑 部分) ( j g j2 6 8 6 ) 的北京地区实施细则，即北京地方标准居住建筑节能设 计标准( d b j0 1 4 8 8 ) 。 ( 2 ) 1 9 9 5 年北京市颁布了第二部建筑节能设计标准居住建筑节能设计标 准( d b j0 1 6 0 2 9 7 ) ，作为国家行业标准民用建筑节能设计标准( 采暖居 住建筑部分) 在北京地区的实施细则。 ( 3 ) 2 0 0 4 年6 月北京市在全国率先发布了节能6 5 的居住建筑节能设计标 准，即在1 9 8 0 年基准水平的基础上节能6 5 ，达到每个采暖季耗标准煤 8 8 2 k g m 2 ，从而北京市的建筑节能工作走在了全国的前列。 在既有建筑节能改造技术方面，我国的整体水平和科研投入与国外差距较 北京i 业大学工学硕t j 学位论文 大。既有建筑节能改造工作虽然已有些城市、地区如我国北方的城市哈尔滨、 乌鲁木齐、天津、唐山等城市作了一定规模的技术研究和工程示范工作，但是由 种种原因，我国的既有建筑节能改造工作难度大、面积大。全国既有建筑房屋面 积3 6 1 1 亿m 2 ，城市7 3 5 亿m 2 ( 其中住宅4 1 7 亿m 2 ) ，农村2 8 8 1 亿m 2 ( 其 中8 0 是住宅) 。这些房屋建筑大多数是2 0 世纪7 0 - - 9 0 年代建筑的，其中能达 到节能设计标准的不到2 亿m 2 ，约占全部城乡建筑面积的o 0 5 e 2 4 1 。 目前，北京市既有非节能居住建筑面积9 3 7 9 万m 2 ，采暖能耗高达节能要求 的3 4 倍，对于有改造价值的6 3 7 8 万m 2 的非节能居住建筑，应该立即得到有效 的节能改造。近亿平方米的公共建筑也面临着节能改造。按照现行节能标准，仅 居住建筑改造完成后每年可节约标准煤超过1 0 0 万吨。在不考虑新增供热配套设 施的条件下，可增加供热面积近亿平方米例。 1 4 3 建筑节能改造研究的必要性 我国与同纬度的许多发达国家相比，冬天气候更冷，夏天气候更湿热。在这 种气候环境下，我国房屋的保温隔热性能，却要比发达国家差得多。墙体、屋顶 和门窗单位面积的传热量，为气候条件接近的发达国家的2 5 倍，单位建筑面积 的采暖能耗是发达国家的3 倍，建筑用能浪费极其严重。对于建筑用能的这种浪 费状况还没有引起全社会的充分重视。比如说，我国已制定了节能建筑的强制性 设计标准，按照这个标准来设计，是可以达到节能5 0 的目标。但真正按照这个 指标执行并达到标准的，估计不到新建建筑的1 0 。 由于我国既有建筑数量巨大，建筑热工性能差，能耗高，因此研究加强对既 有建筑的节能改造具有重要意义： ( 1 ) 建筑节能有利于缓解能源供给的紧缺局面 中国是个资源相对不足，生态先天脆弱的发展中国家，以庞大的能源消耗支 撑粗放型的经济增长，难以为继。但我国节能潜力巨大，能否以较少的能源投入 实现经济增长目标，保障能源安全，减少环境污染，取决于节能潜力能否挖掘出 来 1 2 , 1 3 。 目前我国经济发展速度约为8 ，能源生产增长速度约为3 5 ，我国能源生 产的增长速度滞后于国民经济的增长速度。随着我国现代化建设的发展，我国建 筑能耗比例将向国际水平( 3 0 - 4 0 ) 接近，能源供应将更加紧张，建筑能耗的增 第1 辛绪论 长远高于能源生产增长的速度州。因此新建建筑节能和已有建筑进行节能改造将 可以在很大程度上缓解我国能源供应的紧缺局面【2 5 2 6 1 。 ( 2 ) 建筑节能有利于改善大气环境，实现可持续发展 由于我国能源结构是以煤为主，煤炭的大量直接燃烧引起了城市大气污染日 益严重。北京地区采暖期与非采暖期相比，空气中总悬浮物高1 2 倍，氮氧化物 和一氧化碳高1 7 倍，二氧化硫高1 6 倍。烟尘颗粒物和二氧化硫、氮氧化物不 仅损害人体健康，还会形成对土壤、水体、森林、建筑物危害严重的酸雨。更为 严重的是煤炭燃烧还直接造成温室气体的大量排放。我国每年采暖燃煤排放的二 氧化碳约2 6 亿吨，约占世界总排放量的1 3 1 2 6 1 。实施建筑节能改造将有助于改 善大气环境、实现可持续发展的目标。 ( 3 ) 建筑节能有利于提高人民生活水平 过去我国对建筑物的保温、隔热、气密性重视不够，大多数住宅的建筑品质 和节能水平仅相当于欧洲5 0 年代的水平，冬季普遍居室温度低于1 6 、夏季超 过3 0 ，居住热环境很差，影响广大人民群众的身体健康。节能建筑维护结构 传热系数小，冬天保温、夏天隔热都较好，特别是我国建筑以密度大的混凝土、 砖石结构为主，在采用热保温的条件下，其热容量较大，热惰性较大。重质建筑 构件不断吸热放热，调节内室温，使室温波动小，热稳定性好；室内各处温度也 比较接近，室温较为均匀。节能效率越高，建筑维护结构的隔热性越好，建筑热 舒适度变高【2 7 1 。 1 5 本课题的主要研究内容及方法 研究内容： ( 1 ) 研究分析北京市建筑能耗状况，分析预测北京市2 0 1 0 年建筑能耗状况， 分析实施建筑节能6 5 和对既有建筑进行节能改造的建筑节能潜力。 ( 2 ) 计算既有建筑墙体热工性能参数，分析研究达到节能标准时所需保温 材料的状况，并研究分析最佳保温层经济厚度。 ( 3 ) 研究既有建筑墙体饰面强度性能特征，测试常见外墙体的强度状况， 破坏状态及分布状态，获得墙体基层的基本数据，分析和评估特定外墙构造的强 度特征，以此确定墙体处理的技术方案和评价方案。 ( 4 ) 研究保温材料与既有建筑墙体的结合方式和结合强度，研究分析不同 北京t 业大学= r = 学硕l 学位论文 结合方式的强度特征及其对墙体的适应性，以此确立优化的保温体系。 研究方案： 墙体热工性能研究方案 采用稳态传热【2 5 2 8 - 3 3 1 方法对外墙面进行热工计算，进而分析围护结构的保温 效果，研究改造的技术经济评价指标，建立保温层的优化厚度计算方法3 。 墙体强度研究方案 ( 1 ) 研究墙体强度性能的表征方法，采用拉伸粘结强度与剪切粘结强度方 法表征墙体强度，并现场抽样勘查墙体强度。 ( 2 ) 研究常见外墙体( 不同结构主体。不同外饰面等) 墙体的强度状况， 破坏状态及分布状态，获得墙体基层的基本数据。 ( 3 ) 研究粘贴与锚固相结合的方式，对保温材料与墙体的粘结强度进行效 果分析。 ( 4 ) 对以上研究结果进行分析，建立可靠、合理、经济的既有建筑墙体节 能构造技术体系。提出既有建筑节能改造方案及规则。 第2 章北京市建筑采暖能耗预测与节能潜力分析 建筑业是资源和原材料的消耗大户，也是制造废料、对环境产生直接影响的 重要行业。北京市作为人口和建筑密集的大城市，随着城市建设规模扩大和人民 生活水平的提高，建筑能耗需求总量将进一步增长。因此，有必要掌握建筑耗能 的现状和发展趋势，预计未来能量消耗状况，从而采取相应政策和技术措施，合 理调整能源消耗，达到节能降耗的目的；另一方面，北京市开展建筑节能已十余 年的历史，必须掌握节能对能耗降低的效果和趋势，从而预测未来建筑采暖能耗 的用量，评估和分析能源使用的效率，为建筑节能和节能给改造提供依据。 2 1 北京市既有建筑状况 l 、北京市既有建筑现状 截至2 0 0 5 年底北京市实有房屋建筑面积5 0 5 0 7 0 万m 2 ，其中住宅2 8 9 2 2 3 万m 2 ；城近郊区房屋建筑面积3 8 8 7 7 2 万m 2 ，其中住宅2 1 5 6 3 6 万m ? 。如下表 2 - 1 所示为北京市历年实有房屋、住宅建筑面积数据【。4 洲。 北京市从1 9 8 8 年开始实施建筑节能3 0 ( 以1 9 8 0 - - 1 9 8 1 年北京地区居住建 筑筑一个采暖季耗标准煤2 5 2 k g m 2 为1 0 0 ) 的居住建筑节能设计标准，1 9 9 8 年开始实施第二步5 0 的居住建筑节能设计标准。到2 0 0 5 年底，全市累计建筑 节能住宅2 2 7 3 7 万m 2 ，占现有居住建筑总量的7 0 ，8 ，。其中符合节能3 0 0 6 的设 计标准要求的建筑6 5 0 0 万m 2 ，符合界能5 0 n , 6 设计标准的住宅1 2 5 4 4 万n 1 2 。 表2 - 1 北京市历年房屋建筑面积 t a b l e 2 1t h eb u i l d i n gc o n s t r u c t i o na r e ai n1 9 9 7 - 2 0 0 5 注：数据米源北京市1 9 9 7 - 2 0 0 6 年历年统计年鉴 北京t 业大学r 学硕i 学位论文 2 、北京市建筑采暖耗能现状 ( 1 ) 现有建筑节能状况 截止到2 0 0 5 年底，我市实有房屋建筑总面积5 0 5 0 7 0 万m 2 。其中住宅2 8 9 2 2 3 万m ? ，占房屋总面积的5 7 3 ；公共建筑1 8 2 9 0 万m 2 米，占房屋总面积的3 6 2 ； 其他建筑3 2 9 4 7 万m 2 ，占房屋总面积的6 5 ，详细情况见表2 2 。 表2 2 北京市实施三步建筑节能设计标准期间建筑面积 t a b l e 2 - 2t h ec o n s a - u c t i o na r e ao f t h r p e r i o do f d e s i g ns t a n d a r df o rb u i l d i n ge n g l g ys a v i n g 建筑面积小计合计总计 分项 ( t y m 2 )( 7 m 2 )( 万m 2 ) ( t y m 2 ) 公普通公共建筑1 5 1 3 0 共 大型公共建筑 2 2 7 0 1 8 2 9 0 建 筑 按节能标准设计的公共建筑 8 9 0 节能3 0 6 5 0 0 民用建节能5 0 1 2 5 4 42 2 7 3 7 5 0 5 0 7 筑居节能6 5 3 6 9 35 4 3 4 3 住 1 9 7 6 年前 建 其中5 0 - 6 0 年代 3 0 0 l 筑 非节能建 1 9 7 7 1 9 9 05 9 8 09 3 7 9 筑 1 9 9 l 2 0 0 33 9 8 2 0 0 4 - 2 0 0 5 年底 其他建筑 3 9 3 73 9 3 7 ( 2 ) 建筑供热和能耗状况 2 0 0 5 年底，全市建筑总供暖面积为4 7 5 6 0 万m 2 ，城市热力网供热面积9 7 3 0 万i n 2 ，燃气供热面积发展到1 4 7 0 8 万m 2 ，燃煤供暖面积为2 0 0 2 5 7 万m 2 ，采用 其他能源( 电、燃油、地热等) 集中供暖以及燃气壁挂炉自采暖面积共为3 0 9 6 3 万m 2 。 2 0 0 5 年建筑采暖用能8 5 9 9 万吨标准煤，占全市能源消费量的1 7 3 ，居民 生活用电6 8 亿k w h ，折合2 2 7 万吨标准煤；公共建筑耗电9 8 亿k w h ，折合3 2 7 万吨标准煤，合计1 4 1 3 9 万吨标准煤，占2 0 0 5 年我市能源消耗总量的2 8 1 【3 7 1 。 2 2 北京市2 0 1 0 年建筑采暖耗能预测分析 对北京市2 0 1 0 年建筑耗能进行需求预测，能够有力说明北京市既有建筑节 第2 章北京市建筑采暖能耗预测r j 节能潜，分析 能改造的必要性，有效推动北京市既有建筑节能改造的进行。 ( 1 ) 人均能耗分析 表2 3 显示了1 9 9 7 年至2 0 0 5 年人均采暖耗能状况。由表2 3 可知，人均能 耗逐年呈现上升趋势，其主要原因是人均住房面积增大、办公和社会公共建筑( 学 校、医院、商场、娱乐场所等) 条件改善和公共建筑扩大。人均建筑面积增大， 人均采暖耗能增加。1 9 9 7 年人均住居面积为1 1 9 5 m 2 ；而2 0 0 5 年人均住居面积 为1 8 8 1 m 2 。图2 1 为现状和预测分析。 表2 - 3 历年人均采暖能耗 t a b l e 2 - 3t h ee n e r g yc o n s u m p t i o nf o rh e a t i n gi nl a t e s ty e a r s 注：原始数据来源历年北京市统计年鉴 一 1 皇 u j | j 馨 馨 柴 露 一 图2 - 1 人均采暖能耗随时间变化关系 f i 9 2 2t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ne n e i g yc o n s u m e df o rh e a t i n gw i t ht i m e 由图线可见有两个能耗降低的拐点，1 9 9 8 年和2 0 0 5 年。1 9 9 8 年相对1 9 9 7 年人均采暖耗能降低有两方面的原因：其一，1 9 9 8 年开始实施建筑节能5 0 设 计标准，以及采暖供热系统的节能改造；其二，1 9 9 8 年颁布了节约能源法， 北京t 业大学t 学硕l ：学位论文 加强了人们的节能意识和节能管理。 图中2 0 0 5 年人均采暖能耗下降原因有两方面：一是2 0 0 4 年北京市颁布实施 节能6 5 的建筑设计标准；二是北京市开展了一定规模的既有建筑节能改造。 按历年能耗拟合数据曲线得函数式( 2 1 ) ，预测2 0 1 0 年人均采暖能耗将达 到9 4 8 9 k g c e 人，根据2 0 1 0 年北京市常住人1 2 1 控制在1 6 0 0 万人的目标，采暖总 能耗将达到1 5 1 8 2 万吨标准煤。 ( 2 ) 单位建筑面积能耗分析 1 、2 0 1 0 年建筑面积预测 按照单位建筑面积对采暖能耗进行分析和预测，首先必须对2 0 10 年建筑面 积进行预测。表2 4 显示了历年人均建筑面积状况。图2 - 2 则是现况和预测分析。 表2 - 41 9 9 7 - 2 0 0 5 年人均建筑面积统计 t a b l e 2 - 4 t h e c o n s l r u c f i o n a 呛a p e r p e r s o n i n1 9 9 7 - 2 0 0 5 b1 9 f f 1 嘲伸2 f 1 0 02 0 0 12 0 0 22 0 0 32 0 0 4 嬲2 6 时间( 年) 图2 - 2 人均建筑面积随时间变化 f i 9 2 - 3t h er e l a t i o n s h i pk 栅m c o n s a u c t i o na l g ap e rp e l b o i la n dt i m e 1 2 甜 竹 伸 仃 侣 侣 侣 住 o 3o 8 20 6 0 五层及以 外保温06 0 节能上建筑 内保温的主体 o 6 0 6 5 断面0 3 0 2 8 01 7 0+ 1 5 02 0 0o 5 00 5 5 四层及以外保温0 4 5 0 4 5 下建筑不采内保温 表3 4 其他国家设计标准中围护结构传热系数限值 t a b l e 3 - 4l i m i t e do v e r a l lh e a tw a m f e rc o e f f i c i e n ti nd e s i g ns t a n d a r do f o t h e rc o u a t r i e s 表3 _ 5 北京地区各时期居住建筑围护结构各部位耗热量分布情况 t a b l e 3 - 5d i s t r i b u t i o no f o v e r a l lh e a tt r a n s f e ro f b u i l d i n ge n v e l o p e si ne a c hp e r i o d 从表3 3 和表3 4 对可以看出，节能6 5 标准的传热系数与1 9 9 5 年节能3 0 标准相比己大幅度减小，与美国相比差距较小，与欧洲国家相比差距较大【9 闱。 北京地区地处我国建筑气候分区中的寒冷地斟删，其建筑节能主要考虑冬季 保温并兼顾夏季隔热要求。结合既有建筑的特点和采暖能耗的影响因素，对于北 京地区的建筑节能改造主要从改善围护结构热工性能和提高采暖供热系统两个 方面进行。在锅炉效率和室外管网效率提高到o 6 8 和o 9 0 以后，建筑物的节能 主要应有建筑物围护结构来承担h q 。从表3 5 可知外墙、门窗、屋顶是建筑能耗 的重点部位。 3 2 3 外墙节能改造方案的研究 目前存在外墙保温做法有三种，如图3 3 。但从既有建筑的特点和降低对住 户影响的角度出发考虑，外墙节能改造应选用保温效果好、工序简单、改造速度 快的、对居民干扰小、现场垃圾少的改造措施，应尽量避免选用工序复杂、现场 湿作业工作量大，污染环境的保温系统 1 2 , 1 3 , 4 7 1 。 2 3 北京t 业大学t 学硕 ：学位论文 ) 雾霪 、 l - - 、 3 图彝 z e ) 、 蓁蓁寨 【 ，、 a ) 外墙外保温”外墙内保温c ) 外墙夹心保温 a ) e x t e r i o rw a l lo u t s i d eb ) e x t e r i o rw a l li n s i d ec ) e x t e r i o ri n - b e t w e e n i n s u l a t i o ni n s u l a t i o ni n s u l a t i o n 图3 - 3 保温墙体示意图 f i 9 3 3t h es k e t c hm a po f e x t e r n a lw a l lt h e r m a li n s u l a t i o n l 外饰面层；2 保温层；3 基础墙体；4 一内饰面层；s 夹心保温层；6 粘结层 外墙外保温是建设部推广的主要保温形式，因其保温方式最为直接，效果也 最好，是我国目前应用最多的一项建筑保温技术。与外墙内保温相比，外墙外保 温的优越性在于： l 、我国传统建筑多为砖混结构，这种结构热容量大，有较好的蓄热能力， 使室内温度保持稳定。旧房改造时，外墙加外保温层，阻隔了热量通过墙体向外 散热的渠道； 2 、在外保温施工时，不影响住户的日常生活，不减少室内居住面积 4 0 1 ： 3 、有效阻断热桥，提高了保温隔热效果，改善了室内热环境； 4 、外墙外保温主要使用聚苯乙烯板，这种材料保温性能好，施工方便，造 价低，在我国既有建筑节能改造中可以普遍使用。但值得注意的是：聚苯乙烯板 的密度应改在1 8 k g m 3 以上。板的厚度应符合节能设计标准的要求。增加板的厚 度，其造价的增加不大，但保温效果会大大提高，更适应建筑节能对墙体热