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2015年浙江大学远程教育土木工程专业毕业论文-既有建筑节能改造技术探析

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远程教育学院 本科生毕业论文(设计)

题目

既有建筑节能改造技术探析 姓名与学号 年级与专业 学习中心 指导教师 陈宇 713068324001 13 春 土木工程 广州·珠海 江晨晖

浙江大学远程教育学院本科生毕业论文(设计)诚信承诺书
1.本人郑重地承诺所呈交的毕业论文(设计) ,是在指导教 师的指导下严格按照学校和学院有关规定完成的。 2.本人在毕业论文 (设计) 中引用他人的观点和参考资料均 加以注释和说明。 3.本人承诺在毕业论文 (设计) 选题和研究内容过程中没有 抄袭他人研究成果和伪造相关数据等行为。 4. 在毕业论文(设计)中对侵犯任何方面知识产权的行为, 由本人承担相应的法律责任。 毕业论文(设计)作者: 陈宇 2015 年 4 月 20 日

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毕业论文(设计)作者签名: 2015 年 4 月 20 日

浙江大学远程教育学院本科毕业论文(设计)

摘要

摘要
在这个提倡节能、环保、可持续发展的时代,绿色节能技术在建筑改造中 发挥着愈加重要的作用。国家根据节能战略的总体规划和目标,制定了《民用 建筑节能设计标准》和《公共建筑节能设计标准》 。近年来随着节能技术的不断 成熟, 节能标准也不断提高, 节能目标从最初的节能 30% 已逐步提高到节能 65%, 大多数新建建筑在建设阶段已经解决了能耗问题。但是,不符合相关标准的既 有建筑数量仍是巨大的,目前我国绝大多数既有建筑未采取节能措施,因此, 有必要对既有建筑开展全面的节能改造,针对不同时期的既有建筑进行节能改 造技术应用研究。 本文第一章主要介绍绿色建筑和既有建筑节能改造的定义及目前国内外的 现状;第二章主要介绍目前在既有建筑节能改造中常用的技术手段及应用;第 三章着重介绍了钢木结构在既有建筑节能改造中的应用。 绿色节能技术仍在不断发展,它必将为建筑更新做出越来越多的贡献。 关键词 绿色建筑 既有建筑 节能改造 钢木结构

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目录

目录
摘要 ........................................................................................................... I 第 1 章 既有建筑节能改造概述 .............................................................3
1.1 关于绿色建筑 ................................................................................................. 3
1.1.1 什么是绿色建筑 ................................................................................................. 3 1.1.2 发展绿色建筑的意义 ......................................................................................... 4 1.1.3 绿色建筑的发展现状 ......................................................................................... 5

1.2 关于既有建筑节能改造 ................................................................................. 6
1.2.1 什么是既有建筑节能改造 ................................................................................. 6 1.2.2 我国既有建筑节能改造的情况 ......................................................................... 6 1.2.3 既有建筑节能改造的技术有哪些 ..................................................................... 7

第 2 章 既有建筑节能改造技术的应用 .................................................9
2.1 围护结构节能改造 ......................................................................................... 9 2.2 采光通风改造 ................................................................................................11 2.3 太阳能技术 ................................................................................................... 12

第 3 章 钢木结构在既有建筑节能改造中的应用 ...............................13
3.1 现代钢木结构建筑 ....................................................................................... 13
3.1.1 木结构建筑的优缺点 ....................................................................................... 13 3.1.2 钢结构建筑的优缺点 ....................................................................................... 13 3.1.3 现代钢木结构建筑的优势 ............................................................................... 14

3.2 钢木结构房屋的四大体系及应用 ............................................................... 14
3.2.1 基本构架 ........................................................................................................... 15 3.2.2 保温防水体系 ................................................................................................... 16 3.2.3 装饰体系 ........................................................................................................... 17 3.2.4 水暖电体系 ....................................................................................................... 20

3.3 钢木结构技术的应用案例-屋顶阳光房改造 .............................................. 21
3.3.1 传统的阳光房 ................................................................................................... 22 3.3.2 新型钢木结构的阳光房 ................................................................................... 22
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第 4 章 结束语 .......................................................................................25 参考文献 .................................................................................................26 致谢 .........................................................................................................27

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第 1 章 既有建筑节能改造概述

第1章 既有建筑节能改造概述
1.1 关于绿色建筑
随着社会的发展,人们逐渐意识到环境保护的重要性,可持续发展观念逐 渐深入人心。就城市而言,建筑工程施工及建筑设计不当时常是造成资源浪费 以及城市污染的重要来源。因此,有必要从建筑的设计、施工和使用本身,对 建筑工程现状进行改善,以减少因城市建筑的建造而造成的资源浪费和环境污 染,从而提高城市形象。绿色建筑理念的提出,是可持续发展观念在建筑工程 中的体现,也是我国建筑工程未来的主要发展方向。

1.1.1 什么是绿色建筑
新版《绿色建筑评价标准》(GBT50378-2014)中对绿色建筑做出了如下定 义:绿色建筑是指在建筑的全寿命周期内,最大限度地节约资源(节能、节地、 节水、节材)、保护环境和减少污染,为人们提供健康、适用和高效的使用空 间,与自然和谐共生的建筑。 绿色建筑的概念是在全球资源、环境危机的大背景下产生的。从英国工业 革命开始到现在仅仅二百多年的时间,工业化造成的大气污染、酸雨、臭氧层 破坏、温室效应、水资源匮乏、土地资源退化、物种灭绝等环境问题已逐渐演 化为全球性环境危机。直至二十世纪六、七十年代,石油资源危机、水资源危 机、土壤资源危机等相继出现,面对种种环境和资源危机,人们开始意识到, 以前那种与自然对立的做法是完全错误的。人类是地球自然生态系统的组成部 分,人类的发展必须符合环境的承受能力,违背自然规律、一味索取的做法必 须停止。除此之外,人口的急剧膨胀、技术的滥用、政府行为的失控等也是加 剧环境危机的重要原因。人类如果不及时采取措施改变现有的发展模式,则最 终将导致地球生态系统的崩溃。 1980 年,世界自然保护联盟(IUCN)首次提出了“可持续发展”的概念, “可 持续发展”是从环境与自然资源角度提出的关于人类长期发展的战略模式,强 调环境与自然资源的长期承载力对发展的重要性以及发展对改善生活质量的重 要性。它的核心思想就是经济的健康发展应该建立在生态持续能力、社会公正 和人民积极参与的基础上。强调社会、经济的发展要与环境相协调,追求人与 自然的和谐,即“既满足当代人的需要,又不对后代人满足其需要的能力构成 危害的发展”。可持续发展的目标不仅是满足人类的各种需求,而且还要关注 各种经济措施的生态合理性,使生态环境和自然资源得到持续利用,不对后代
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第 1 章 既有建筑节能改造概述

人的生存和发展构成威胁。 在生态文明建设的大方向下,绿色建筑是我国建筑工程的主要发展方向。 相比传统的建筑,绿色建筑在资源消耗、设计与施工过程等方面都具有良好的 环境温和性,其主要的特征表现在以下几个方面: (1)绿色建筑本身较传统建筑,能源消耗大大降低,更有利于与自然环境 和谐共生。 (2)绿色建筑尊重当地自然、人文、气候,因地制宜,就地取材,没有明 确的建筑模式和规则,其设计具有与时俱进、因时而变的灵活性。 (3)绿色建筑充分利用自然条件,如绿地、阳光、空气,注重内外部的有 效联通,其开放的布局较封闭的传统建筑的布局有很多区别。 (4)相比传统建筑而言,绿色建筑更注重环境保护在工程中的具体实施。 施工过程中,对于噪音、扬尘等环境因素都进行重点控制,环境保护是绿色建 筑建设的整体指导思想。

1.1.2 发展绿色建筑的意义
绿色建筑在设计施工阶段能够节约大量的能源费用,在应用阶段因其设计 的独特性,能给使用者更好的居住或工作体验,除此之外,绿色建筑能够与周 围环境融为一体,从而提升城市的形象。作为我国建筑的发展方向,绿色建筑 的研究与发展具有多方面的意义。 (1)构建资源节约型设计与施工方案,节约工程成本 建筑工程建设是城市中资源消耗的大户,部分建筑单位受传统理念制约, 认为资源的消耗与建筑的质量成正比。除此之外,个别领导好大喜功,认为投 资越高的建筑,越能表现出其业绩,因此造成了大量资源的浪费。绿色建筑从 规划到设计,再到施工的过程,都深刻贯彻了节约资源的理念。在保证施工质 量的前提下,绿色建筑理念能有效减少电能、汽油、混凝土和水资源等多种能 源的使用,对于建筑整体成本的降低具有重要作用。 (2)减少建筑碳排放量,符合国家低碳要求 碳排放量过多与全球气温的升高息息相关。 “低碳”是目前国家对建筑领域 的基本要求。建筑的低碳设计是采用碳排放量较低的绿色建材与充分利用阳光 等自然资源的结构设计,从而达到减少碳排放量的目的。在建筑工程施工中, 对于施工工艺、施工机械等都应满足低碳标准,节约能源,禁止浪费,构建低 碳环保施工现场。绿色建筑理念符合国家规定的低碳环保要求,对于应对全球 气候变化,减少环境污染具有较为广泛的意义。 (3)改善市民生活环境,提升城市形象
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第 1 章 既有建筑节能改造概述

绿色建筑对于市民生活环境的改善具有十分重要的意义。绿色建筑采用与 周围环境协调一致的设计与施工方法,不论从建筑外观还是从建筑内部设施方 面都做了较大程度的优化,使建筑在使用过程中更贴近市民的生活。建筑周围 的环境在建筑设计时也得到了精心的改良,使城市拥有一个整体的主题,并能 满足绿色建筑对节能减排的需求,从而提升城市形象。与此同时,绿色施工能 有效减小施工噪音,较低的碳排放对于城市整体温度的控制有益。市民的生活 质量与周围环境关系密切,绿色建筑能使市民在更为舒适的环境下生活与工作。

1.1.3 绿色建筑的发展现状
我国从 20 世纪 80 年代起,便开始了对绿色建筑的探索。而当时较多的重 点放在了对生态建筑的研究上。随着全球气温的升高,全球气候变暖问题是各 个国家都必须要面对且解决的问题。因此绿色建筑理念逐渐被提出,在此之后, 北京、上海、天津等较为发达的城市相继出现了一批绿色生态建筑小区。时至 今日,绿色建筑的建设已在全国范围内展开,各种先进的建筑结构、建筑材料 及施工工艺被研究出来,也进一步促进了绿色建筑的发展。 (1)绿色建筑结构设计 在设计方面,研究者致力于研究更合理、更能充分利用太阳能、风能等天 然资源的建筑结构,如光导采光系统的研发。然而,由于技术及相关部门重视 程度不足等原因,投资在绿色建筑结构设计研究中的科研经费一直是制约这方 面技术发展的重要问题,许多好的想法由于各方面的阻力,在实际研究过程中 很难得到实施。另一方面,较为优秀的科研成果由于建筑建设单位的思想较为 陈旧,不愿意采纳或利用较为新颖的绿色建筑方案,这也是绿色建筑结构推广 较为缓慢的原因。 (2)绿色建材的应用 国外在绿色建材方面研究的成果较多,近些年来,我国在借鉴国外成功经 验的基础上,研制出了较多符合我国自身绿色建筑情况的绿色建材,如无公害 涂料、纤维强化石膏板、防潮壁纸等新材料。除此之外,各类新型合金的研发, 不但使原有材料具有更高的强度与韧性,还具有抗腐蚀、轻质量等特点。然而, 新材料的研发必定需要较高的成本,在绿色材料被投入到建筑工程应用的初期, 价格必然会相对昂贵。为达到低碳环保要求,国家应对使用绿色建材的建筑项 目实行适当的建筑经费补贴,这也更有利于新型绿色建材的研发与推广。 (3)绿色节能施工工艺 施工中的环境保护问题一直是我国建筑行业致力于解决的重要问题之一。 近年来,我国在建筑施工噪音与施工扬尘等方面进行了较多的研究,隔音墙等
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第 1 章 既有建筑节能改造概述

设施也逐渐被引入到建筑施工行业。除此之外,在基坑开挖、高层建筑施工等 大型工程中,也引用了许多优良的施工工艺,对于施工对周边环境的损坏起到 了一定的抑制作用。然而,我国建筑工程施工中废弃建筑垃圾的处理问题一直 未能得到较好的解决。建筑垃圾在道路基层中的应用研究已经展开,除此之外, 相关部门还应为建筑垃圾的再利用问题设立更多的科研项目,以指导实际工程 中废弃建筑垃圾的合理处置。

1.2 关于既有建筑节能改造
1.2.1 什么是既有建筑节能改造
既有建筑节能改造,是指对不符合民用建筑节能强制性标准的既有建筑的 围护结构、供热系统、采暖制冷系统、照明设备和热水供应设施等实施节能改 造的活动。 西方发达国家对建筑节能、可持续发展、生态技术等概念重视较早,从上 个世纪便开展了与建筑节能等有关的研究,其研究涉及节能技术、评估体系、 生态技术、可再生能源开发与利用、可再生材料利用及相关的经济性分析等内 容。

1.2.2 我国既有建筑节能改造的情况
目前我国的建筑耗能已与工业耗能、交通耗能并列,成为我国能源消耗的 三大“耗能大户”之一。由于政府及社会各界对建筑节能的重视,我国建筑节 能和发展绿色建筑等成绩斐然。但这些成绩绝大多数体现在新建建筑中,而在 既有建筑节能改造中贡献较少,据相关数据显示,我国目前既有建筑面积超过 500 亿平方米,其中 90%以上属于高耗能建筑,城镇节能建筑占既有建筑面积的 比例仅为 23.1%。 既有建筑存在的问题是:屋面和墙体没有保温措施,门窗密封性较差,造 成建筑能耗流失的加快,采暖系统采用单管顺流式,无法实现分户、分室控制, 电气照明系统有些灯具仍采用日光灯造成能源的浪费。因此,既有建筑的节能 改造也需要从这几个方面进行,提高围护结构的热阻值和密闭性,采用节能效 果好,方便操作和使用的材料和系统,达到节约建筑物的使用能耗的目的。另 外还要考虑旧建筑多有原使用者,所以施工改造必须要尽可能的快捷、方便和 经济。 当前既有建筑的节能改造在北方已成规模,而南方仍是“零敲碎打”“穿 外套”的形式,呈现地区发展不平衡的态势,普遍存在资金筹措困难、改造主
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第 1 章 既有建筑节能改造概述

体不明确、改造方式不系统等问题。 “十二五”期间,我国既有建筑改造的任务是:完成北方采暖地区既有居 住建筑供热计量和节能改造 4 亿平方米以上,夏热冬冷和夏热冬暖地区既有居 住建筑节能改造 5000 万平方米,公共建筑节能改造 6000 万平方米。为此,各 省市也相继制定了既有建筑节能改造的行动方案和“十二五”期间的改造任务。 但笔者查阅相关资料了解到,由于既有建筑存在产权形式多样、结构形式复杂、 改造标准不一、改造费用投资巨大和资金筹集困难等诸多因素,既有建筑节能 改造成为节能工作的难点。

1.2.3 既有建筑节能改造的技术有哪些
目前,既有建筑节能改造的技术有: (1) 围护结构节能,墙体/屋面保温隔热、窗户/幕墙隔热、外遮阳等; (2) 照明系统节能,高效照明灯具、电子镇流器、LED 等、智能照明控制; (3) 采暖空调、热水系统节能,热回收、高效空调系统、变频技术、冷 却塔免费供冷等; (4) 其它机电系统节能,能源管理系统、电梯、灶具节能等; (5) 可再生能源,太阳能热水系统。 既有建筑节能改造技术的内容主要包括:外墙、屋顶、门窗、楼梯间隔墙 以及供热系统。根据综合整治、经济适用的原则,既有建筑节能改造应首先使 外墙、楼梯间隔墙、屋顶、门窗等外围护结构的保温隔热性能符合建设部《民 用建筑节能设计标准(采暖居住部分) 》 (JGJ26-95)的要求;供暖系统改造有限 解决温控和热计量的问题(那些污染严重、能耗高的锅炉除外) 。 新建建筑的节能工作经过 20 年来的研究实践,已经形成一批相对成熟的技 术,其中绝大部分如外墙外保温隔热、屋顶改造、节能门窗等技术多可以经过 改造,嫁接到既有建筑节能改造技术上来。因此,既有建筑节能改造的技术是 相对成熟的。 上世纪 80 年代末、90 年代初, 我国已经开始了个别既有建筑节能改造示 范工程,总结了不少经验。从这些经验中可以看出,改进建筑围护结构热工性 能是节能改造的关键。 提高围护结构热工性能的有效途径,首推外墙外保温技术。与外墙内保温 相比,外墙外保温的优越性在于:我国传统建筑大多为砖混结构,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。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;并阻断冷桥,提高了供热效果,改善了室内
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第 1 章 既有建筑节能改造概述

热舒适度。外墙外保温材料主要使用聚苯乙烯板,这种材料保温性能好,施工 方便,造价较低,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该在 18kg/m3 以上。板的厚度应符合节能设计标准的要求。 增加聚苯乙烯板的厚度,其造价增加不多,但保温效果会大大提高。 北京南苑某住宅楼的既有建筑节能改造,就是在 1993 年进行的,此住宅楼 是一栋三个单元的砖混建筑,建筑面积 1320m2,层高 2.7m,37cm 实心砖墙, 单层玻璃木门窗。节能改造的技术为:外墙用 50mm 的聚苯乙烯板作外保温: 对原有平屋顶改造成坡屋顶,并在天棚顶上填充 20cm 厚的袋装膨胀珍珠岩;在 除厨房外的所有窗框外安装了毛刷密封条,并将北向卧室窗户改造成单框双层 玻璃窗;进户门内加 3cm 厚的聚苯板,门的四周也安装毛刷密封条,阳台门的 门芯内加反射铝薄膜并留空气间层;楼梯间墙加贴 3cm 厚的聚苯乙烯板保温。 改造后,对此建筑的外围护结构进行热工测试,其节能效果很明显。根据外墙、 窗户和屋顶的传热系数(W/m2/K) ,节能改造前与节能改造后的结果分别是:外 墙从 1.59 减至 1.53;窗户从 4.96 减至 2.85;屋顶从 0.97 减至 0.28。实践证明, 采取以上一系列的节能措施后,可以达到节能 50%的要求。

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第 2 章 既有建筑节能改造技术的应用

第2章 既有建筑节能改造技术的应用
2.1 围护结构节能改造
建筑的围护结构包括屋顶、屋面、墙体、门窗等。这些结构的设计对建筑的 能耗,环境性能,舒适度有着很大的影响。就国内而言,我国在墙体、屋面材料、 门窗、楼板节能技术和产品的研发生产、设计、建设等方面做了大量工作,也取 得了一定的成绩,但是由于建筑围护结构的保温性能,建筑的密闭性等问题,造 成我国的建筑能耗居高不下和国外仍有一定的差距。我国的建筑外墙热损失是西 方国家同类建筑的 3 倍-5 倍,窗的热损失在 2 倍以上。可见我国在建筑围护方面 还有潜力。 (1)对于屋顶而言,目前的节能措施多采用屋顶绿化或“冷屋顶”可控性玻 璃屋顶,同时相应的添加合适的太阳能装置,比如太阳能热水器等。对既有建筑 来说,既有建筑的屋顶很少能满足绿化的荷载要求,因此就目前来看比较合理的 是“冷屋顶”即“白色反光屋顶” 。它是指日射反射率高的屋顶,通过对普通屋顶 涂上浅色的、高反射率的涂料,提高屋顶的日射反射率,减少太阳能热量的吸收, 从而达到减少空调冷负荷,节约空调能耗的目的。它的作用除了减少空调的能耗 外,同时还可控制“热岛”现象,保护臭氧层,而且屋顶材料的老化也比较慢、 使用时间较长。 (2)屋面的节能改造技术措施可归纳为以下四类: 第一,干铺保温材料。除非被改造建筑的防水层已经老化渗漏,不得不翻修, 否则一般不宜在屋面大拆大改,以修漏补裂为主,进行局部翻改。在符合标准的 防水层上作保温处理,干铺保温材料,留出排水通道。该方法类似倒置屋面做法, 保温材料可以采用加气混凝土,干铺在原有屋面防水层上,再在其上做防水涂料。 保温材料厚度除满足保温要求经热工计算确定外,还要满足屋面荷载不要超过原 屋面允许承载范围。 第二,聚氨脂防水保温屋面。在屋面上清除掉旧有防水层残破部分,局部修 补,然后进行硬泡聚氨脂喷涂。此保温方式由于在屋面上直接热喷涂施工,形成 的保温层是连续的、无接缝、抗渗透性强。施工不必铲除原有的防水层和保温层, 只需清除表面的灰、砂杂物,即可喷涂,能与各种原有屋面牢固粘结在一起,从 而避免粘结不良现象;耐老化性能优异,辅以适当的保护层,其使用年限可达 25 年;施工效率高,并且能够适应在任何复杂的屋面施工,特别是对复杂形状的屋 面施工。 第三,倒置式屋面。先清除原建筑屋面保护层,修漏补裂,力求使表面平整,
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第 2 章 既有建筑节能改造技术的应用

并在其上再铺设一层 4mm-5mm 厚油毡,然后干铺 XPS 保温板,之后在其上铺设 过滤性保护薄膜,最上面铺设卵石层。此保温方式有良好的防水保温功能,特别 是对防水层起到保护、延缓老化、延长使用年限,耐久性好,同时施工简便、速 度快,具有可在冬季或雨季施工的优势。 第四,平改坡。首先进行屋面和承重墙结构验算,在荷载允许的条件下,可 以在屋面上对应下层承重墙的位置砌墙。砌至设计高度上设混凝土或钢檩条,最 后铺上轻型屋面板及屋面装饰材料。此方法改善了有些原有建筑陈旧的外观形象: 解决顶层存在保温能力差,渗漏难以修补等问题,增加了有效利用空间。但平改 坡时需注意,以结合太阳能集热器采集能量的最佳坡度确定坡屋面的坡度,为安 装和使用太阳能热水系统、太阳能供热采暖提供条件。 (3)在外墙的节能改造上,应从保温隔热效果和有利于结构的稳定性两方面 来看,且优先考虑外墙保温技术,并与建筑立面的改造相结合。就目前来看,对 于既有的建筑外墙的处理比较理想的是挂聚苯乙烯泡沫塑料制成的保温板,常用 的保温板一般是 30 mm-120 mm 厚,该部分以合成粘结剂或机械方式固定于建筑 外墙,中间部分是持久的、防水的聚合物砂浆基层,此基层主要用于保温板上, 以玻璃纤维网来增强并传达外力的作用,最外面部分是美观持久的表面覆盖层。 墙体节能改造工程的施工通常是在建筑工程的施工现场完成的,施工质量的 优劣关系到节能改造的最终质量。首先应彻底清除基层墙体表面浮灰、油污、空 鼓、风化物等影响墙面施工的物质,墙体表面应尽量处理平整,对于大面积有坑 凹的面层要铲平、修补或加贴找平,松动处要铲除,有孔洞的地方要修补好,以 便进行外保温工程的施工:有水落管道的地方要拆除,将新位置设计并安设好之 后,进行外保温的正常施工。施工环境应尽量避开寒冷、大风和雨天,施工过程 中要规范施工操作,严格质量监控,保温层施工完成后必须认真开展隐蔽工程验 收。 ( 4 )既有建筑的围护结构中门窗面积约占 30% ,但其能耗的损失能占到 40%-50%,是影响室内热环境质量的主要因素之一,并且外窗的节能改造是最容 易做到并且极易见到实效的。对于原窗已无保留价值的,应更换新窗,且新窗的 选择应达到节能的目的,对于原窗可以保留的建筑,可在其原窗外增加一层新的 单层窗或双玻璃窗,形成双层窗,以达到保温节能的效果。外窗的节能改造上也 可优先采用增加遮阳的方法,减少阳光的过分照射,从而有效的控制太阳对室内 的辐射,施工也较为方便。 将原本热工性能差的外窗全部拆除,换为热工性能良好的平开“断桥”型铝 合金窗和塑钢窗或其它满足节能要求的窗户,在对既有建筑的窗户进行更换的同 时,一定要注意窗户安装的质量,有些建筑的窗户经过多年的使用,已有一些变 形,窗洞口已与设计和新建时大有不同,尺寸和形状都会有变化,要根据实际情
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第 2 章 既有建筑节能改造技术的应用

况和尺寸制作窗户,窗户的安装也要请有经验的工人进行,特别是中空玻璃窗的 安装,在安装时不能有任何变形、硬挤、硬压的现象,窗墙之间的空隙处应以泡 沫聚氨脂灌注,内外边沿再用密封膏封闭防渗、避免冷桥产生,确保节能工程质 量。对原有外窗进行“整形” ,一是对基本完好的金属窗保留窗框及中挺,将窗扇 换成中空玻璃窗或其它满足节能要求的窗扇,并对原窗框及中挺进行处理,加一 层塑料窗套;二是在原外窗的内窗台或外窗台加一扇窗户,形成双层窗;三是在 原外窗上加气密条,提高外窗气密水平。 简言之,在建筑改造条件允许的情况下,对建筑围护结构进行保温隔热改造, 主要措施有: (1) 外墙和屋面增加保温材料,如 EPS 板、岩棉等; (2) 屋面采用屋顶绿化措施,可降低室内温度 2℃以上; (3) 玻璃进行保温隔热改造,如单玻璃改成中空玻璃,玻璃采用镀膜或 low-E 玻璃等; (4) 玻璃幕墙自然通风改造,如呼吸式玻璃幕墙等; (5) 建筑外遮阳改造,如采用可调解外遮阳板、遮阳百叶等。

2.2 采光通风改造
建筑自然通风是一种最古老、最节能的通风方法。它是改善室内空气品质的 基本方法。许多旧建筑因受到社会条件,经济条件和技术条件的限制,未能将建 筑的体量、形式、开窗面积等因素和自然采光进行整合设计,而许多已建成的现 代建筑由于对自然采光没有重视,以至于室内的光环境很差,存在拉窗帘而开灯 的现象。 (1)既有建筑的采光改造包括擦洗玻璃和纱窗,定时粉刷墙面和顶棚等简单 措施。另外也可通过改变窗口形式、窗口尺寸、设置采光控制系统和设置中庭空 间措施等方法。同时,将窗户的材料进行更换,都采用 UPVC 塑料型材的窗户可 以减少耗能和污染。对于一些临街的建筑,一些门可以更换成玻璃的以增加采光, 另外在既有临街建筑的墙体上可以改用保温且大面积的玻璃幕墙,也是一举多得 的措施。 (2)自然通风是改善室内空气品质的最基本的方法,也是增强室内热舒适的 方法之一,更是降低建筑空调负荷的有效措施之一。目前,国内的许多建筑都利 用风压、热压的原理进行自然通风达到节能的目的。而许多旧的建筑中,尤其是 公共建筑,多采用空调进行通风,空调系统大部分时间处于低负荷、低效率的运 行状态,造成资源上的浪费。因此,对既有建筑的通风空调系统进行改造已成为 建筑节能改造工程的重点。
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第 2 章 既有建筑节能改造技术的应用

2.3 太阳能技术
如何在既有建筑中应用太阳能技术是一个不容忽视的课题。理论上,新建筑 和既有建筑中都可以应用太阳能技术。但在实际操作过程中,既有太阳能技术利 用率十分低。 目前,在既有建筑改造中,用的最多的太阳能技术就是太阳能光电,其次是 太阳能光热。新建筑在设计阶段就可以考虑如何利用太阳能,而既有建筑则只能 在该过程中对太阳能利用方案进行调整。 太阳能利用方案应考虑既有建筑的运行能耗、保温隔热性能、天然光的利用、 通风组织、建筑结构、建筑构造和设备等方面的具体情况,选择合理的、个性化 的方案利用。太阳能集热器、太阳能光电板易于建筑的阳台、屋顶一体化设计。 因此一般情况下,建筑的接层、屋面改坡、屋面维修更新、加减阳台等改造工程, 是既有建筑利用太阳能的适宜时机。既有建筑的太阳能利用结合围护结构的节能 改造,与原有建筑整合同步设计,同时施工。利用太阳能技术改善原有建筑的能 耗,提高热舒适度,满足建筑的使用功能,是一项富有挑战性的工作,在改造前、 改造中、改造后深入工作,从既有建筑的状况、场地气候、经济性、节点构造等 方面进行综合考虑。 具体的方法因既有建筑的不同而异,太阳能光伏发电方面可以在屋顶设置太 阳能电池板,可以通过在外墙悬挂等多种方式来解决一部分的电力来源。另一方 面,在太阳能光热方面,已有的像太阳灶、热水器等都可投入到改造中去。太阳 能一体化技术,相比其他对既有建筑生态节能改造技术,如墙体、屋面等围护结 构的改造,基本上不会对建筑的形体外观产生直接影响,集成在现有建筑的表皮 上的太阳能技术则显著地改变了建筑的形象。且为降低能耗,改善建筑环境性能 的改造往往会采用多种生态技术, 它们之间需要相互配合协调, 力求达到 “1 + 1 > 2”的效果。 (1)太阳能热水系统:充分利用太阳能资源,为既有建筑提供生活热水,可 减少利用化石能源或用电消耗。太阳能集热板主要包含真空管和平板方式。公共 建筑的生活热水宜采用集中式较好,并考虑与建筑一体化设计,不影响建筑的美 观; (2)太阳能光电系统+LED 照明:太阳能非逆变 LED 照明(PV-LED)技术 是指将太阳能光伏发电融入建筑一体化中,采用高效职能控制技术,将组件-控制并网-储能-LED 灯具, 构建成一个发电用电的直流系统, 以光伏电力解决建筑内公 共区域的照明问题,以达到节能的目的。

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第 3 章 钢木结构在既有建筑节能改造中的应用

第3章 钢木结构在既有建筑节能改造中的应用
3.1 现代钢木结构建筑
所谓钢木结构,是指现代钢结构与传统的木结构相结合的一种混合结构方 式。柱、梁等受力构件采用钢结构形式,外包的采用木结构,包括装修的吊顶、 门窗、栏杆、楼梯等均用木结构,使建筑具有传统的建筑风格,且更坚固耐用。

3.1.1 木结构建筑的优缺点
优点: (1)木结构建筑工程周期短,风险小,建造能耗低; (2)木材是可再生的资源,对环境无污染,是绿色环保的建筑材料; (3)木结构建筑重量轻,延性好,吸附能力强,具有良好的抗震性能。 缺点: (1)木材具有干缩湿胀性,含有吸水性的极性羟基基团,水分进入或析出 会引起体积尺寸的湿胀和干缩,从而造成几何体形的不稳定性,甚至产生开裂 翘曲现象,所以木结构建筑需要进行干燥处理、防腐处理、维护处理等措施, 成本会增加; (2)木材是天然的生物质材料,具有可燃烧性,经过防火处理的建筑才具 有更高的安全性。

3.1.2 钢结构建筑的优缺点
优点: (1)钢材强度高,结构重量轻,适宜跨度、空间大的建筑; (2)钢材质地均匀,塑性韧性好,具有良好的抗震性; (3)钢结构制作简便,施工周期短,工业化生产程度高; (4)钢结构密闭性较好,钢材有重复使用性。 缺点: (1)钢材的耐腐蚀性差,钢材易与空气中的氧气、水蒸气发生氧化还原反 应,生成铁锈,需要防腐措施; (2)钢结构具有一定的耐热性但不耐火,钢材受热,当温度在 200℃以内 时,其主要性能(屈服点和弹性模量)下降不多;温度超过 200℃后,材质变化 较大,不仅强度总趋势降低,还有蓝脆和徐变现象;温度达 600℃时,钢材进入
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塑性状态已不能承载。

3.1.3 现代钢木结构建筑的优势
优势: (1)现代钢木结构建筑施工周期短,避免了混凝土浇灌成型风干的时间, 直接采用金属连接件连接,大大地降低了工程施工的时间; (2)现代钢木结构建筑环保节能,木材是一种可再生的自然资源,使用无 污染,钢材可以重复使用,而且钢木结构是建筑结构、建筑技术、建筑材料、 建筑施工方法的一次根本性的改革,具有可持续发展的意义; (3)现代钢木结构建筑具有良好的抗震性,钢材和木材都有此特性,两者 的结合很大程度上增强了钢木结构的抗震性; (4)钢木结构使木质材料与金属材料在性能上互相取长补短,产生协同效 应,使钢木结构综合性能优于原组成建筑结构而满足各种不同的要求; (5)钢木结构是以钢结构框架为基础,经过物理、化学处理改性的木质材 料应用于钢结构的外表面,从而建筑外观更为美观。

3.2 钢木结构房屋的四大体系及应用

图 3.2.1-1 基础示意图
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钢木结构房屋,简单化描述可分为四大体系:基本构架、保温防水体系、 装饰体系和水暖电体系。

3.2.1 基本构架
基本结构又大致分为三部分:基础、主体、屋顶。 (1)基础由脚底和基础墙组成,很显然脚底承载房屋所有的重量至土壤, 而基础墙除了承载上部结构的重至脚底,还要抵抗外侧土壤的压力及冻土膨胀 的力量。因此基础的材料必须是坚固的。早期有用石头、砖、混凝土块、陶等 甚至木头,70 年代后,基本都用钢筋混凝土浇筑了。 (见图 3.2.1-1)

图 3.2.1-2 主体示意图

(2)主体由框架体系及楼板组成。传统的框架体系由 balloon 式和 Platform 两种,简言之,前者是两层一起建,后者是一层一层建,现在基本都采用后者 了。早期典型的立柱为 2*4 英寸,间距为 16 英寸;现在大都采用 2*6 英寸,提 供更大的空间以放置的更多的保温材料而使房屋更加节能。 (见图 3.2.1-2)
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(3)屋顶本是挡风避雨的东西,现在又增加了建筑风格主要表现功能,木 结构刚好有易于造型的特点。屋顶的成型主要由椽子,衍架或托梁及盖板构成。 衍架能在工厂批量生产,再运至工地,大大缩短现场工期,因此被建筑商广泛 采用。 (见图 3.2.1-3)

图 3.2.1-3 屋顶示意图

3.2.2 保温防水体系
简而言之,从基础到屋顶,防水保温就像里面穿棉衣外面穿雨衣,里三层、 外三层地包裹全身,应该是风雨不进了。保温层地面以下不做是为了达到地库 冬暖夏凉的效果。 需要注意的是早年建的房屋保温材料的使用是不合现代规范的。如石棉及 UFFI(Urea Formaldehyde Foam Insulation 脲醛泡沫保温材料) 。70 年代以前,石 棉被广泛应用,但如今,石棉已经被明确列入为致癌物。当然只有石棉材料发 生破损,空气才会被污染。因此,当那些使用了含石棉建筑材料的旧式房屋装 修时,需有专业人士处理掉石棉。UFFI 主要使用于 70 年代下半期,安徽省为了 节省能源,曾鼓励使用 UFFI 注射进墙体作外墙绝缘隔热材料。所幸当时并不普 及,全国大约只有十万户采用,但后来又发现 UFFI 会释放出甲醛,于是政府替 住户拆除。实际上甲醛挥发很快,也从来没有实际案例证明含有 UFFI 的房子甲 醛气体超过标准。即便如此,UFFI 还是作为一个卖主需要告知买家的要求,也 许除了一手业主,一般业主实在是不知道,或者这样轻微的问题几十年过去早
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就忽略了,因此几乎 100%的老房业主都会回答不知道,让写在合同里的条款十 分的尴尬。 (见图 3.2.2-1)

图 3.2.2-1 保温防水体系示意图

3.2.3 装饰体系
(1)外墙砖是最普通的,也有石材、仿石材等。尽管外观是实实在在的砖, 但并非承重,只起到装饰、保护主体和挡风雨的作用。砖墙离内部的主体结构 和防水层还有 1 寸的空间,均匀分布的固定件将砖和墙体立柱牵拉固定。要注 意的是,砖墙并非严丝合缝,雨水在风力作用下会渗透进墙内,因此在砖墙的 根部留有不少小孔,是用来排水的,在 Caulking(填塞)时千万别将小孔堵住。 (见图 3.2.2-2)
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图 3.2.2-2 外墙示意图

图 3.2.3-1 砖砌墙示意图

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Siding(木质、金属、塑料条形板材)的应用也非常广泛,安装在防水层外, 作用和砖墙一样。Siding 的颜色可选,一般为白色,匀称优雅的横向线条十分美 观,备受某些族裔的喜欢。 (见图 3.2.3-1)

图 3.2.3-2 屋顶示意图

(2)屋顶的材料有很多,柏油砖石最常用的,份量不同,寿命也不同,最 典型的是 210 磅的,使用寿命为 12-15 年,较好的 320 磅的寿命可超过 25 年。 (见图 3.2.3-2) (3)门窗看得见摸得着,没什么特别的。但值得注意的是:北美冬季寒冷 漫长,随着能源价格的日益上涨,高保温性门窗成为人们日益的最求,政府也
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出资鼓励更新换代。门窗的好坏直接关系到采光、节能、美观;早期的窗子密 封性能较差,现正大规模陆续更新, 新型的窗子基本都采用塑料的,多层玻璃, 内充氩气,性能大大提高,因此,现在的窗户可以开得很大而不影响保温。窗 户的性能要看几方面的指标,按 CSA 标准,有气密、水密、抗风三个重要指标; 另一项非常重要的指标 ER 是指吸收太阳热量与流失能量差异指标。 玻璃的重要 指标为低发散率(Low-E) ,低发散率玻璃有一薄金属涂层,在冬季时可使阳光 照入吸收能量,同时可延缓内部热量的向外散发;在夏季,阳光仍然可以照入, 但其表面可吸收大量长波辐射,新的涂层还能 吸收太阳辐射的短波及长波(红 外线)以及紫外线。 (见图 3.2.3-3)

图 3.2.3-3 门窗示意图

3.2.4 水暖电体系
水:每家住户均有一进水总阀、独立水表,户内给水冷暖管道均为铜管, 排水管道一般为 PVC。注意:通往户外的管道在冬季来临前要过冬处理,否则 有可能会导致管道涨裂。 电:根据房屋大小配电容量,一般 60-200 安培,早期的电供暖的房子配电 较大;现在的配电盘都为空气开关,无保险丝,早期的大量房子采用保险丝,
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很多仍未更新,但不影响安全。现在的电线均为铜线,早期大量采用铝铜混用, 现在的电线和插座都是铜的了,铜铝接合在一起最大的问题是容易引起腐蚀, 从而影响导电性, 在装修时要由专业电工操作。 注意: Knob-and-Tube Wiring (瓷 柱瓷管布线) , 50 年以前的房子有很多的电线排布是采用电线绕在陶瓷柱上绑紧 拉直,穿越木头时通过陶瓷管道,很显然,安全性很低,容易引起火灾,因此 保险公司很难接受,或者保费会很高。 暖:取暖方式五花八门,有传统的壁炉、辐射取暖(暖气片,媒介有直接 式和水) 、风暖;能源有电、油、天然气。现在基本都采用燃气送风,结合冷气 机形成中央空调系统,特点是起效快,空气流通并能保持湿度;70 年代前还有 很多采用电暖片,优点是运行安静、可分开控制,缺点是起效慢,空气不能流 通、干燥。 注意:燃油的暖炉在 60 年代前的房子还大量存在,没什么优点,气味重、 环境污染严重,建议更换。如果要更换,油箱的处理时关键点,如果油箱在地 面上,比较简单,直接移开就可以了;如果在地下,移走时要做土壤检测,费 用不小,移走的费用很大。因此在买这类房产时一定要注意,要咨询费用纳入 预算,因为如果不处理这个问题,保险公司十有八九是拒保的。当然,有些房 屋虽然更改了体统,地下的油箱却并未处理,千万要小心!有的会留下喉管等 蛛丝马迹,有的更本看不出来,政府并不知情,但早晚是个隐患。

3.3 钢木结构技术的应用案例-屋顶阳光房改造
钢木结构的既有建筑节能改造,施工周期短,施工方法简单,施工规模适 当,达到对居民生活工作的干扰最少: (1) 建筑改造工期短,保障了业主的投资回收更快; (2) 构件工厂化生产节约了人工成本,使钢木结构建筑在人工成本很高 的欧美和日本得到了广泛应用; (3) 价格优势明显,钢木结构自重轻,不仅可以减少运输和吊装费用, 还可以降低基础造价; (4) 节约结构占有面积,增加使用面积,空间利用率高。易改造、可回 收,绿色环保 (5) 安装容易,施工期短,节约人工成本,投资回收快。 钢木结构不仅适用种类繁多的外部建筑风格,而且在室内布局和装饰方面 提供了相当程度的自由,可以充分发挥设计师的想象力和满足消费者的个性需 求。木材是唯一可再生的建筑材料,木结构房屋在建造过程中不污染环境,木 结构房屋的取暖费用较低,冬暖夏凉,而且它的自然亲和力有益于居住者的健
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康,这是其他结构房屋无法比拟的,也是中国及世界各国大力提倡的。

3.3.1 传统的阳光房
很多顶层业主在装修时,都会在自己的露台上,或者在一个中小型的阳台 上,搭建起一个漂亮、时尚、高档的阳光房。但是这种阳光房花费大,更重要 的是,夏天的时候像桑拿房一样,经过阳光暴晒,室内高达 60℃以上,根本没 法待人;而到了冬天,跟进冰窖一样冷,不少业主不禁感慨:“这种阳光房还 不如不建!” 而传统阳光房的商家,大多数以钢化玻璃、塑钢门窗、铝包木门窗等为主 要材料,隔热和保温性能千差万别。阳光房顶材料主要有钢化玻璃、阳光板、 彩钢板、德高瓦、断桥铝等。阳光房的顶部传统工艺多为钢化玻璃,后期的第 二代保温隔热阳光房及第三代断桥阳光房目前陆续上市,顶部材料变更后,一 定程度上缓解了玻璃顶阳光房夏天过热的问题。 但是传统阳光房顶材料各有优缺点,在制作前一定要考虑好根据自己的需 要选择: (1)钢化玻璃顶阳光房,优点:通透性最好的就是玻璃顶阳光房;缺点: 隔热和保温性就不太好。 (2)彩钢顶阳光房,优点:彩钢板的隔热和保温性比较好;缺点:彩钢板 不透光,色调单一,不上档次。 (3)德高瓦顶阳光房,优点:有德高瓦、桑拿板等五层组成的顶子隔热、 保温好、颜色多样、外表美观漂亮;缺点:采光不够好,价格比较高;可以在 顶部开天窗、四周设计高大的窗子,帮助采光通风。

3.3.2 新型钢木结构的阳光房
如果采用钢木结构搭建阳光房,则既省时且环保节能隔热性超强,轻型木 结构房屋(顶)充分考虑了保温和隔热隔音,使得阳光房室内冬暖夏凉。如果 配上 VELUX 天窗作为采光透气,则更完美无缺。 实施方案: (1)采用钢结构做主要骨架支撑,如图 3.3-1 所示; (2)使用加拿大进口木材,如图 3.3-2 所示; (3)美国佳殿木结构维护系统,包括呼吸纸、隔音喷棉(无甲醛) 、反射 隔热棉贴(solarguard) 、防水卷材等。 造价:约 4200 元/平方米,按照地面面积计算。

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图 3.3-1 顶楼阳光房俯视现场施工图

图 3.3-2 顶楼阳光房室内现场施工图
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采用钢木混合结构的阳光房特点: (1)室内空间感强,钢结构做主要支撑房间,可做大跨度大空间,并且钢 木混合的建筑感觉提升整体办公档次; (2)采用的美国佳殿木结构维护系统,特别是反射面贴和保温隔音喷棉的 应用, 极大提升保温隔音性能 (保温效能提升 30%以上、 隔音效果约为 50 分贝) , 而且材料安全环保无污染; (3)二次拆装及利用率高,此房屋结构完全拼装式,特别是钢结构和木结 构骨架在二次拆装中均基本没有浪费,提升了房屋的可移动性。

图 3.3-3 顶楼阳光房改造前后对比图

在国外,特别是美国、加拿大和日本,钢木结构的房屋随处可见,究其原 因,还是其快捷、方便、成本低、可持续发展等特点所致。在中国,随着绿色 建筑观念的深入人心,此类房屋也会越来越多的出现在人们的生活中。

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第 4 章 结束语

第4章 结束语
中国既有的近 500 亿平方米建筑,仅有 1%为节能建筑,其余无论从建筑围 护结构还是采暖空调系统来衡量,均属于高耗能建筑。而每年新建的十六亿至 二十亿平方米建筑中真正称得上“节能建筑”的还不足 1 亿平方米,建筑耗能 总量在中国能源消费总量中的份额已超过 27%,接近三成。因此在保证提高建筑 舒适性的条件下,执行节能标准,采用节能型的技术、工艺、设备、材料和产 品,利用可再生能源,对既有的建筑特别是高层建筑实施改造是非常必要的。 虽然在建筑设计与工艺设计、空间利用与设备定置等方面仍然存在许多对立的 不可兼顾的问题,但这也是我们今后要解决的问题和努力的方向。

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参考文献

参考文献
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致谢

致谢
感谢一直以来陪伴我们完成学业的珠海学习中心张梅老师和曾远思老师, 指导本毕业论文的浙江大学江晨晖老师,特别着重感谢的是我的好友,江苏宜 润建筑改造有限公司的总经理张毅先生,是在他的启示下,我才开始了解和接 触到钢木结构等既有建筑节能改造方面。 由于本人目前在建筑行业涉及不多,经验较少,本文仅能靠查阅资料来完 成,因此文中不足之处还请见谅。 再次感谢帮助我完成本篇论文的各位老师、前辈、同学和朋友!

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