国家十一五科技支撑计划子课题建筑节能关键技术研究与示范中的子课题为:建筑节能改造关键技术研究。其主要研究内容为研发既有建筑外窗和玻璃幕墙节能改造的适用性技术与产品，通过工程试点验证节能改造技术的安全性、有效性与持久性。课题研究目标:通过对既有建筑外窗和玻璃幕墙节能改造技术进行系统的适用性研究，并结合不同的功能改造需求开发相应的产品与改造工艺，为满足我国目前面临的大规模既有建筑节能改造的社会需求提供系统的技术支撑。
本课题需要解决的主要技术难点包括:1)节能改造必须考虑系统的安全性;2}节能改造的气候适用性间题;3)节能改造方案实施的可行性节能改造的经济性与功能平衡问题;5)适宜性节能改造技术的开发。
本课题的技术途径为;通过理论分析与实验验证，开发门窗、幕墙建筑节能改造初步方案，并通过新技术、新产品的开发与试验和工程试点，分析节能改造技术的适用性、经济性与安全性。
1．改造前项目概况
该项目为地处北京某科研单位主楼，于90年代初建成，地下2层，地上21层，22层为设备层，建筑总高78.40m;建筑结构类型为框架结构，南北朝向为主立面采光，东西向设有走廊采光窗;北立面为主出人口，大门紧邻北三环;楼角部分为45度斜面剪力墙外砌240mm砖墙;南北立面竖向装饰柱为空心水泥挂件，挂件从三层到二十一层，装饰柱挂耳厚240mm嵌于主结构上下边梁间，装饰柱凸出结构面650mm;窗下墙为砖砌墙加100mm厚水泥压顶;大楼水平剖面呈八角形，屋面南北两侧设有宽2700nmrn储藏室，东西两端为机房。大楼外立面装修:实体墙及装饰柱外贴瓷砖，少数瓷砖已随机脱落，南立面设有部分空调窗机钢结构，南门厅扩展改造为首层接待大厅。
2．改造范围和内容
依据《公共建筑节能设计标准》(CB50189－2005)，提高大楼整体外围护结构热工性能，有效降低能耗，提高室内舒适度。改造范围包括整体立面外围护改造。具体分项包括;
(1)外立面实体墙在增加保温层基础上干挂陶板幕墙;
(2)分朝向设计隔热铝合金门窗;
(3)铝单板装饰柱及窗套板;
(4)顶层铝单板格栅;
(5)地面通风口铝合金百叶;
(7)东立面改建观光电梯;
(8)北人口采用2. 5 mm单层铝板外包;
(9)首层南立面增加钢结构接待大厅(含咖啡厅)铝板、玻璃幕墙。
改造内容包括:大面移沙卜墙瓷砖处理降低安全隐患;新建点支撑玻璃观光电梯;墙体保温;干挂陶土板外墙;铝单板装饰柱;首层增加接待厅(外立面为干挂陶板、玻璃幕墙、铝板遮阳构造)。工程现状没有室外脚手架及垂直运输设备，施工基准线、基准点自行测量，该工程地处北京市三环以里，施工材料运输受时间限制，工期短且不能影响正常办公。
3．节能改造总体设计思路
该工程为大型公共建筑既有工程改造，施工准备包括旧窗拆除、大面积外墙瓷砖处理降低安全隐患、新型隔热铝合金窗安装、新建点支撑玻璃观光电梯、墙体保温、干挂陶土板外墙、铝单板装饰柱。工程现状没有室外脚手架及垂直运输设备，施工基准线、基准点自行测量，该工程地处北京市三环以里，施工材料运输受时间限制，工期短且不能影响正常办公。
其难点在于:
(1)该建筑外墙瓷砖已有脱落现象，将来脱落程度很难预测;
(2)各层装修不统一，旧窗洞口尺寸不一致。新窗安装左右与铝单板装饰往交口，垂直方向必须控制一致;新窗上下与陶土板交口，陶土板宽度为固定规格不可调且必须保证横缝一致;各层装修不一致，新窗进出位置不能里外照应;综合定位难;
(3)陶土板幕墙转折点多。整体建筑呈八角形，拼角多，安装精度要求高，对称控制难;
(4)该工程业主为大型科研院所，室内环境要求高。因此综合考虑，以下之安全性和节能性指标是设计确保的重要物理性能。
由于该建筑面临北三环主干道，建筑主体距离主干道不到仅30米左右，因此，考虑到噪音影响，窗户的北立面和南立面的噪声隔声指标分别考虑;另外，南北立面的窗户保温性能也分别规定了相应的传热系数。
针对该工程特点和难点，我们严格遵守国家相关规范和标准，遵守国家现行有关强制性标准的规定，按照施工图要求，在节点设计时充分运用了三维调整方式，本着结构安全、构造节能、经济合理、建筑美观，且充分考虑了施工工序(放线测量、基准定位、作业面划分、安装顺序和质量控制)，以有效保证施工进度和施工质量。
针对建筑外墙瓷砖脱落，设计采用镀锌钢丝网(25 x25 x.1.3)利用化学锚栓和镀锌垫片与墙体锚固，固定点疏密合理米字分布，即使外装修完成若干时间后瓷砖再脱落，由于钢丝网和墙体的密贴，瓷砖不会脱离原位，即使偶尔脱离原位，也只能局限在米字格中，不会造成大量堆积，因此不会造成幕墙隐患，同时又充当了外墙保温层的基础。
针对旧窗洞口尺寸不一致。首先保证陶土板同层水平度和立面平面度，保证铝单板装饰柱竖向垂直度，新窗钢附框设计为平面内可调式连接，洞口外侧封口铝单板相对独立，进出位置以外立面为基准，保证装饰柱与窗框交口一致，保证陶土板与窗框交口一致，个别楼层偏差较大时，将陶土板上下封口铝板立面宽度定尺，但必须交圈，保证外立面效果;内侧边框部位根据每层具体内装情况用符合铝板封边找平。
针对陶土板幕墙转折点多，拼角多，对称控制难;首先将造型角处陶土板以平面大块板和转角小块板用陶板专用粘结胶粘连固定后整体安装，减少拼缝，故可减少安装偏差形成。
针对该工程室内环境指标，设计计算建筑外窗采用60系列铝合金隔热窗;玻璃选用Low－e中空玻璃，膜面置于第二面，有效阻止热传导，同时保证了室内采光，且按立面隔声、保温要求不同定为:北立面采用钢化双中空劫w一。玻璃(6 Low－e+9A+5+9A+6)，膜面置于第二面;南立面一、二层大板面玻璃为满足强度要求，采用钢化单中空Low－e玻璃(6Lｏw－ｅ+ 12A+6)，膜面置于第二面;其余南、东、西立面玻璃采用钢化单中空Low－e玻璃(6Low－e+12A+5)，膜面置于第二面。
关于墙体设计部分的节能，北京属寒冷地区，主楼为近似长方形(八角形)，最高高度78.4m，《依据《公共建筑节能设计标准》GB50189－2005，建筑外墙包括(非透明部分幕墙)的传热系数要求:K大于等于0. 60W/(m2K);建筑外窗的热工设计要求，依据招标文件:北侧K大于等于2.2W/(m2，K)，南侧K大于等于2.5W(m2·K)。
另外依据(民用建筑热工设计规范》GB50176－93，计算围护结构的最小传热阻，并对办公楼的东、西侧围护墙体进行判断:如属HIM、IV型墙体，进行夏季隔热计算。
节能改造工作主要分为三个部分:建筑外窗、东西立面墙体、南北立面墙体，下面将分开讨论以上三个部分的热工性能，包括冬季保温和夏季隔热两个方面的情况。
4．门窗系统
4.1特点
门窗系统采用“乐意(ＬＯW－E}系列铝合金隔热门窗系统，系统具有以下特点: (1)抗风压强度高:该系列型材纵向断面尺寸大，在较高洞口利用时，可利用加强中挺，增大型材惯性矩，相应强度提高;
(2)隔声效果增强:腔内壁凹凸设计，利用声波漫反射原理，消除因共振祸合产生的声波。
(3)保温性能好:利用等腔原理，减少冷热辐射及对流对热量的损失途径，提高了型材的保温性能。
(4)结构连接可靠，安全度高:内外等腔设计，与单腔薄壁的断热窗相比，有着无可比拟的优越性:边框与开启扇型材在加工的时候进行双组角连接，组角部位连接紧密，受力均匀，开启扇可经受多次反复开启而不至产生角部裂缝的现象;且边框隔热条两侧型材共同承受荷载，受力形式好，连接可靠，安全度高。(如下图)4－1，4－２。
(5)优异的防水措施:本工程铝合金窗安装位置居中于结构洞口，洞口外侧窗台披水斜度3%，窗框四周与铝单板安装缝隙用硅酮耐侯胶密封，为避免发生渗水现象，窗框开泄水孔，防止外界水的渗人。从而保证窗户的密封性能与防护性能。
(6)良好的抗变形、位移的能力:因为窗洞口的构造在外力(自重、内应力、以及地震等)作用下会产生变形，传统的攻钉连接方式不能满足洞口变形要求，在拉力(或压力)作用下会导致铝框变形，严重时会影响窗的使用功能。本方案边框与钢附框之间采用弹性连接，避免了与钢附框的硬性连接，在以上原则得到充分保证的基础上，充分考虑经济性、效益性、提高性价比。(如下图4－3)
4.2节能设计措施
上述是“乐意(LOW一E)\”SD系列铝合金隔热门窗系统的基本特点，结合本工程应用时，联系节能要求，进行了具体细节和适应型设计，具体包括:
(1)立面朝向和隔声 项目南北立面窗墙比24/100，南北立面的外窗面积又大致相同，另外，窗型统一，尺寸、分格、开启形式完全一样。如图4一3所示。由于几乎处于正南和正北朝向，北立面紧邻北京市北三环主干道，主楼北立面临三环辅路边缘仅30米，北立面强调保温的同时，噪音隔离是一个重要问题。南立面面临2层办公楼和家属区。综合考虑后，窗系统保待一致的情况下，北立面玻璃选择为，南立面选择。后根据检测结果:北侧双中空铝合金隔声性能.Aw=36－2－5)dB;南侧单中空铝合金窗隔声性能:Ｒw=34－1－3)dB
(3)玻璃和空气层的确定 中空玻璃的传热系数与玻璃的热阻[1W/(m2·K和玻璃厚度的乘积有着直接的联系。当增加玻璃厚度时，必然会增大该片玻璃对热量传递的阻挡能力，从而降低整个中空玻璃系统的传热系数。对具有12mm空气间隔层的普通中空玻璃进行计算，当两片玻璃都为3mm
从计算结果也可以看出，增加玻璃厚度对降低中空玻璃K值的作用不是很大，Smm+Al2mm+8mm的组合方式比常用的6mm+Al2mm +6mm组合K值降低0. 03 w/(m2K)，对建筑能耗的影响甚微。本项目南北立面的玻璃厚度分别为南立面2层6mm和5mm玻璃，北立面3层为6mm和5mm、5mm玻璃，合计厚度差为5mm。结合上述分析，其差别对传热影响微乎其微。厚度选择除保证安全计算要求外，还考虑了60系列槽口的宽度限制，控制玻璃与铝框间隙不得小于3mm的规定。所以厚度最终确定为上述尺寸。 空气层对节能有两方面的影响，首先是保证传热系数，其次是传热系数的稳定。 单层玻璃窗的值与风值有关，其值在1. 25－0.63之间变化，此外，还应当考虑太阳辐射热所产生的颇大影响，并且这种影响，随着昼夜变化及窗户朝向的不同而有很大的差异。 中空玻璃或双层玻璃的特征是在两层玻璃之间形成一个空气间层，和其他空气间层一样，它可以阻止热量的通过。中空玻璃中的空气间层相对双层玻璃来讲密封性要好，但值都会随空气层厚度的增加趋于稳定。见图4－11。
由此可见，在最有利的气象条件下，双层玻璃的热传递比单层玻璃可减少45%;而在最不利的气象条件下可减少60%。 此次空气层的确定也是考虑了综合因素后，分别确定了9mm和12mm类空气厚度。 (4)气密性的影响 在风压和热压的作用下，气密性是保证建筑外窗保温性能稳定的重要控制性能指标。 外窗的气密性能直接关系到外窗的冷风渗透热损失，气密性能等级越高，热损失越小。一般窗缝渗透量约为4. 5m，/(m·h)属于1级;若采用3级窗，可减少房间冷风渗透热损失的40%;若采用4级窗，可减少这项能耗的60%;若采用5级窗，则可减少能耗的80%之多. 如果在施工中窗框和窗洞之间密封良好，冷风渗透热损失决定于窗的气密性等级。 室内冬季采暖计算温度取16℃，计算采暖期室外平均温度为－l.2℃。
从图可看出，随着气密性的提高，建筑能耗显著降低。气密性为一般水平时，窗面积增大，建筑能耗增加;气密性达到4级水平时，建筑耗能随窗面积增大而减少，但效果不明显，窗宽由1. 5m增大到2. 7m，同比节能6%;气密性提高到5级水平时，随窗面积增大，其节能效果显著，可达到同比节能32%(这里的同比节能只是指南向外墙在窗气密性相同条件下，增大窗面积于不增大窗面积的节能效果)。 此次项目门窗的气密性确定为4级，是比较高的气密性要求，实际检测值完全满足指标要求。 另外，本项目高度为78. 40m，北立面临交通主干道，受西北风和东北风影响较大。其主导风向直接影响冬季住宅室内的热损耗及夏季室内的自然通风。因此，从冬季保暖和夏季降温考虑，主导风向因素不容忽视。窗户的朝向与主导风向的关系对室内通风有着相当的影响。 当门窗关闭的情况下，如果存在一定程度的空气渗透性，就会因为热对流传递而造成额外的损失。这和通过为了实现通风而打开的窗户的热对流传递原理是一样的。通过打开的窗户冬天热气会漏出，夏天不受欢迎的热气会进入室内空间。所以在门窗关闭的情况下，除了由于热传导而造成的热损耗概念，还包含了空气渗漏热损耗。衡量指标为气密性，按照国家标准GB/T7107-2002的规定，为采用10Pa时的单位缝长空气渗漏量q.和单位面积空气渗漏量。:作为分级指标。窗口外界的风速和渗漏的关系不可忽视，图4一14描述了根据传热系数计算出来的通过玻璃的热损耗和通过外表面的热损耗和外侧风速与接口渗漏量。值的关系，样板窗口宽1.2米x高2米。从图中看出，传热损耗随空气渗漏量呈等比级数增加，如果窗户直接面对风向时.有效绝热会更有限。
除外窗系统在设计时考虑了双道密封等措施外，与结构洞口的连接也采取了相应的措施。 首先，窗口在拆除后保留了原有的钢副框，表面进行防腐处理，外侧窗套由于安装铝板，对部分原有瓷砖进行了剔凿，钢副框与结构之间的缝隙采用聚氨醋发泡填塞。其次，新窗设计尺寸在底边、左右两边设计缝隙4mm，上框与原副框间隙至少保留l 0mm。其原因是保证在使用过程中，建筑变形作用于窗上主要是上横梁的挠度荷载，如果导致窗外框受力，必将影响整窗的变形，包括开启扇，窗户的整体正四边形是最不利的稳定几何形状，一旦变形，玻璃与框、扇、挺之间，扇与框之间，外框与结构洞口之间的密封性难以保证，空气渗漏必将导致热交换增加，整体节能性失效，问题的实质正在于此。 5．陶土板幕墙系统 5.1特点 该工程陶土板主要分布在窗间墙、山墙部位，整体建筑平面呈八角形，转折处90度角和135度角阴阳相间。本工程陶土板幕墙选择开敞式的设计，幕墙出色的接缝设计结合陶板的材料特性确保了幕墙表面完美的水导流效果，由此可以阻止幕墙表面沉积物的形成，进而保持幕墙表面的美观，突显陶板幕墙的自洁能力。经初步侧量，窗洞口尺寸存在较多偏差;考虑改造工程的经济性，选择多种规格标准宽度陶土板，以满足整模数和间墙尺寸要求，同时保证外立面效果。陶土板采用双层中空陶土板，厚度为30mm，窗间墙1－2层采用250mrn宽，3－21层采用237. 5mm宽，山墙采用300mm宽;陶土板颜色窗间墙为深灰色，山墙为浅米色两种。 本工程地处首都北京，全年温差较大。这样一个特殊的地理环境及其使用功能均要求其建筑外围护结构具有较高的保温、隔音、耐冲击等性能。陶板在高温下得到最佳的锻烧，这个过程能够最大限度地增强陶板对抗恶劣天气的性能，该陶板的科学之处还表现在其条形中空式的完美设计，此设计不仅减轻了陶板的重量，还提高了陶板的透气、降噪和保温性能。
5.2陶土板幕墙构造 (1)开敞无胶缝设计构造 陶土板的原材料为天然陶土，不添加任何其它成分，不会对空气造成任何污染;且陶生板接缝为开敞式.安装不需要打胶，不会对陶板及其它构件造成污染，影响外立面视觉效果。 良好的接缝设计结合陶板的材料特性确保了幕墙表面完美的水导流效果，由此可以阻止幕墙表面沉积物的形成，保持幕墙表面的美观。 通风是由陶板水平接缝缝隙实现，幕墙与墙体和隔热层之间70毫米的距离保证了幕墙内侧的通风及内部的干爽。见图5-2，图5-3.
(2)陶板防雨水冲击构造 关于击打状的雨，我们理解为从天上落下的雨(雨滴)由于逐渐增大的风速的作用在水平方向的击打力变得不断增强的一种现象。如图５－4。
| 德国下业标准DIN 4108第只部分根据防护击打状雨的性能好坏为一系列外墙结构进行分类排队。由此得出的结论是:背面通风的陶土板防护击打状雨的性能特别稳定。主要是在有击打状雨的情况下背面通风的空间可以阻断呈毛细状态侵人的潮湿(水分)。陶板在这里的作用就象是“第二防水层，’。由子背面通风的空间与外界相通，因此陶板内、外两边的气压相等，实际上击打状雨不可能穿透陶板侵人通风的空间来。多年来己经有一系列论文和出版物发表了这方面在不同情况下十分成功的实际工程的例子。 由此我们得出结论:背面通风的陶板防护击打状雨的性能水平非常高。无论是呈毛细状态侵人的潮湿(水分)，或者是直接落在房屋或建筑物隔热保温层上的雨水，由于其独特的开放式物理结构，即使隔热保温层被侵人的湿汽或水分弄湿了，保温层也可以通过护墙板背面通风的空间迅速将湿汽或水分导出、变干，而不会影响其保温性能。 击打状雨产生的负荷其基本动力是由风力产生的。在一堵没有铺设背面通风空间的外墙面上由房屋或建筑物周围的风绕流所产生的滞止压力会使雨水通过可能存在的细缝陶板或裂隙直接侵入到外墙后面的隔热保温层里面，产生浸湿效应。背面通风空间可以阻断这个过程，并且有能力通过背面通风的气流将侵人进来的潮气(水分〕重新蒸发出去。从国外一些相关的试验可以确定在通常5－l2mm宽度开缝的情况下，只有特别的狂风暴雨才有可能使少量雨滴因压力不平衡穿过开缝进人到陶板背面来。如图5–5所示:
然本工程所用陶板为槽口式.出色的槽口接缝设计、接缝件、带孔铝板的接缝、封修配合确保了幕墙表面完美的水导流效果，由此可以阻止幕墙表面沉积物的形成，进而保持幕墙表面的美观杜绝了雨水通过水平横缝进入陶板背面。
4)保温、透气、降噪音
南、北侧墙体:
4)50厚挤塑聚苯板(XPS);
6.铝板幕墙系统 6.1特点
南、北立面构造柱铝板幕墙:
6.2保温隔热
对原有外墙瓷砖的保护和防护措施施工—镀锌钢丝网施工，镀锌钢丝网选择25x 25 x 1. 3 mm的产品，以间距830mm为基准进行固定，用塑料胀栓连接直径60mm的垫片将镀锌钢丝网固定于原有瓷砖之上，目的是防止瓷砖的脱落和以后对陶板幕墙的影响。镀锌钢丝网布置完毕，即可后补埋件施工以及钢龙骨的安装和调试。
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