北方寒冷地區(qū)農(nóng)村既有建筑按需節(jié)能改造效益分析

郭建宏 張順 馬坤茹

摘 要：為了改善北方農(nóng)村既有建筑無保溫措施、建筑熱負荷高而造成的冬季采暖能耗高、供暖經(jīng)濟負擔(dān)重、污染排放多及環(huán)境差的現(xiàn)狀，需對農(nóng)村既有建筑進行圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能改造。根據(jù)河北省農(nóng)村戶均常住人口現(xiàn)狀及保定市阜平某農(nóng)村既有建筑的調(diào)研分析，確定僅對人員頻繁活動的房間進行改造的4種按需節(jié)能改造方案，并針對4種按需節(jié)能改造方案及現(xiàn)有的整體節(jié)能改造方案進行能耗模擬、成本核算，分析其環(huán)境效益和經(jīng)濟效益。結(jié)果表明：只按需改造墻體、不改造屋頂和地面的靜態(tài)投資回收期最短為4.03年，按需改造全部圍護結(jié)構(gòu)的回收期最長為5.9年，現(xiàn)有的整體改造方案為11.88年。農(nóng)村居民可根據(jù)自身需求及經(jīng)濟條件選擇合適的節(jié)能改造方案，研究結(jié)論可為河北省乃至整個寒冷地區(qū)農(nóng)村既有建筑圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能改造政策的制定及技術(shù)的應(yīng)用推廣提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)參考。

關(guān)鍵詞：土木建筑工程設(shè)計其他學(xué)科;農(nóng)村;既有建筑;圍護結(jié)構(gòu);按需節(jié)能改造;能耗模擬;改造方案

中圖分類號：TU201.5;TU832.02文獻標識碼：A

doi： 10.7535/hbgykj.2020yx05006

收稿日期：2020-03-28;修回日期：2020-04-26;責(zé)任編輯：王海云

基金項目：國家自然科學(xué)基金（51976052）;河北省重點研發(fā)計劃項目（18274518）;河北省軍民融合項目（HB19JMRH030）;石家莊市科學(xué)技術(shù)研究與發(fā)展計劃項目（185230055A）;建筑安全與環(huán)境國家重點實驗室科研項目（BSBE-EE2019-2）

第一作者簡介：郭建宏（1996—），男，河北石家莊人，碩士研究生，主要從事建筑節(jié)能與新能源利用方面的研究。

通訊作者：張?順高級工程師。E-mail：12234036@qq.com

郭建宏，張順，馬坤茹.

北方寒冷地區(qū)農(nóng)村既有建筑按需節(jié)能改造效益分析——以河北省保定市阜平縣某農(nóng)居為例

[J].河北工業(yè)科技，2020，37（5）：335-342.

GUO Jianhong，ZHANG Shun，MA Kunru.

Analysis of on-demand energy-saving reconstruction benefits of existing buildings in rural areas of northern cold region： A case study of a farm house in Fuping County， Baoding City， Hebei Province

[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology，2020，37（5）：335-342.

Analysis of on-demand energy-saving reconstruction benefits of

existing buildings in rural areas of northern cold region：

A case study of a farm house in Fuping County，

Baoding City， Hebei Province

GUO Jianhong1，2， ZHANG Shun3， MA Kunru1，2

（1. School of Civil Engineering，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang， Hebei 050018， China; 2. Phase Change Thermal Management Technology Innovation Center， Data Center of Hebei Province， Cangzhou， Hebei 061001， China; 3. Baoding Green Building Development Center， Baoding， Hebei 071051， China）

Abstract：

In order to improve the situation of high energy consumption， heavy economic burden of heating， excessive pollution emission and poor environment in winter caused by the absence of heat preservation measures and the high thermal load of the existing buildings in northern rural areas， it is necessary to carry out energy-saving renovation of the enclosure structure of the existing buildings in rural areas. According to the survey and analysis on the current situation of permanent residents in each rural household of Hebei Province and the existing buildings in Fuping County， Baoding City， four on-demand energy-saving renovation schemes were determined for rooms with frequent personnel activities. Furthermore， the comparative analysis between those four renovation schemes and current energy-saving renovation schemes was conducted with regard to energy consumption and cost. Through the analysis of the environmental and economic benefits， the calculation result shows that the shortest static investment payback period for rebuilding the wall as needed without changing the roof and ground is 4.03 years， the longest payback period for rebuilding all enclosure structures as needed is 5.9 years， and the payback period of the overall transformation program is 11.88 years according to current schemes. Rural residents can choose suitable energy conservation renovation schemes according to their needs and economic conditions. The conclusions provide theoretical basis and reference data for the application and promotionof the energy-saving reconstruction policy in terms of the enclosure structures of existing rural buildings in Hebei Province and even in the entire cold regions.

Keywords：

other disciplines of civil architecture engineering design; rural areas; existing buildings; enclosure structure; on-demand energy-saving reconstruction; energy consumption simulation; renovation scheme

中國在“十一五”規(guī)劃中明確提出了降低能耗、減少主要污染物排放的要求;“十二五”規(guī)劃中制定了節(jié)能減排的主要任務(wù)，明確了節(jié)能減排的重點工程，完善保障措施，促使規(guī)劃落地實施;“十三五”規(guī)劃進一步樹立了創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享的發(fā)展理念，通過提高效率、明確責(zé)任等形式，在促使中國社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的同時也促進環(huán)境的改善。中國對城市既有建筑的節(jié)能改造已經(jīng)取得了很大成就，但是農(nóng)村受到經(jīng)濟、技術(shù)等因素的制約，在建筑節(jié)能改造方面投入較少，發(fā)展相對滯后。中國農(nóng)村既有建筑量大面廣，據(jù)中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布的“2018年城鄉(xiāng)建設(shè)統(tǒng)計年鑒”顯示，中國農(nóng)村實有住宅建筑面積為252.2億m2，大部分未采用節(jié)能技術(shù)，供暖方式落后，效率低，導(dǎo)致農(nóng)村居住建筑能耗逐年上升[1-3]，污染嚴重，所以對農(nóng)村既有建筑的節(jié)能改造刻不容緩。

1?河北省農(nóng)村既有建筑現(xiàn)狀

1.1?缺乏規(guī)劃

農(nóng)村建筑缺乏規(guī)劃，建筑的布局、朝向、體形系數(shù)以及各項基礎(chǔ)配套設(shè)施都比較隨意[4]。大多是單層平房，自行設(shè)計建造，無施工圖紙作為指導(dǎo)依據(jù)，更沒有按照施工驗收規(guī)范進行施工驗收[5]。布局較為簡單，大多有正房和東西兩側(cè)廂房，正房通常用作休息和會客等活動，廂房多作為儲藏間和廚房。

1.2?建筑圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)大

農(nóng)村房屋大多由農(nóng)村建筑隊根據(jù)當?shù)貍鹘y(tǒng)習(xí)慣以及戶主提出的要求進行建造，墻體多數(shù)采用黏土磚，少數(shù)老舊的建筑為土坯房[6]，大部分既有建筑圍護結(jié)構(gòu)未采取保溫措施，

門窗以木制和鋁合金為主，玻璃多為普通單層玻璃[7]，

房屋整體保溫性能差，遠達不到節(jié)能標準。《農(nóng)村居住建筑節(jié)能設(shè)計標準》（GB/T 50824—2013）[8]中規(guī)定，寒冷地區(qū)農(nóng)村住宅外墻傳熱系數(shù)不得高于0.65 W/（m2·K），屋頂傳熱系數(shù)不得高于0.5 W/（m2·K）。而北方農(nóng)村既有建筑外墻和屋頂傳熱系數(shù)大多都在1 W/（m2·K）以上，保溫效果較差。

1.3?供暖能耗高、污染重

河北省保定市屬于寒冷地區(qū)，農(nóng)村住宅供暖方式以家用供暖鍋爐、火爐為主，支國瑞等[9-10]通過調(diào)查估算，該地區(qū)的農(nóng)村散煤消耗量超過500萬t/a。由于農(nóng)村使用的燃煤供暖鍋爐熱效率低，僅為30%～40%[11]，造成能源大量浪費和環(huán)境污染。另外，鍋爐產(chǎn)生的煤渣被隨意丟棄，粉塵也對生活環(huán)境造成了影響。隨著氣代煤、電代煤工作的持續(xù)推進，近年來部分地區(qū)進行了清潔能源供暖改造，采用了電暖氣、空氣源熱泵和燃氣供暖等供暖方式，但新的供暖方式也需進行節(jié)能改造以降低能耗。

1.4?居住人口減少

根據(jù)《河北經(jīng)濟年鑒（2018）》中的數(shù)據(jù)（注：目前河北省未發(fā)布《河北經(jīng)濟年鑒（2019）》），河北省2000年—2017年農(nóng)村基本情況見表1。

從表1中可以看出，河北省農(nóng)村在2000年—2017年間，戶均常住人口數(shù)逐年下降，人均擁有房屋面積和家庭人均可支配收入逐年上升。由于農(nóng)村常住人口較少，因此在冬季供暖期間，僅需對有人員居住及頻繁活動的房間進行供暖即可。

2?保定市阜平縣某農(nóng)居概況

1）農(nóng)居改造前圖紙

圖1為保定市阜平縣某農(nóng)居整體布局圖，正房為起居室，正房西側(cè)長期居住，東側(cè)為客房，很少居住。西廂房為廚房和儲藏間，東廂房為雜物間。根據(jù)實際構(gòu)造建立建筑模型，對其正房進行節(jié)能改造模擬。正房建筑面積為121.68 m2，該建筑圍護結(jié)構(gòu)做法較簡單，未采用保溫材料，建筑熱負荷較大;原設(shè)計供暖面積為121.68 m2，各房間均安裝有鑄鐵散熱器。改造前正房平面圖、立面圖及供暖系統(tǒng)示意圖分別如圖2、圖3和圖4所示。

2）農(nóng)居正房既有圍護結(jié)構(gòu)施工說明（見表2）

3?農(nóng)居正房改造方案

3.1?改造方案設(shè)計

目前農(nóng)村青壯年多外出打工，房屋常住人口較少，一般2間臥室就能滿足常住人口的居住需求，因此

按需設(shè)計節(jié)能改造方案，改造供暖系統(tǒng)，加裝旁通管與止回閥，僅對建筑軸線③左側(cè)房間進行供暖，將供暖面積控制為60.84 m2。

居民在建筑節(jié)能改造時普遍選擇對建筑整體進行改造，這種改造方式成本高，并且會造成資源浪費。為降低成本，主要對建筑軸線③左側(cè)長期居住的起居室等供暖房間增加保溫措施，建筑軸線③右側(cè)較少居住的客房保持原有構(gòu)造。根據(jù)對不同圍護結(jié)構(gòu)的改造，共設(shè)計4種按需（部分）改造方案（以下簡稱按需改造方案），并且

與常規(guī)建筑整體（全部）改造方案（以下簡稱整體改造方案）進行對比，分析按需改造方案的經(jīng)濟性。按需節(jié)能改造方案均改造供暖系統(tǒng)，整體改造方案不對供暖系統(tǒng)進行改動，改造方案及其實施內(nèi)容見表3，正房按需改造與整體改造示意圖及供暖系統(tǒng)按需改造示意圖分別見圖5、圖6和圖7。

3.2?農(nóng)居圍護結(jié)構(gòu)改造施工說明

《農(nóng)村居住建筑節(jié)能設(shè)計標準》（GB/T 50824—2013）中總結(jié)了不同保溫材料的性能特點、應(yīng)用部位和主要技術(shù)參數(shù)，為保溫材料的選擇提供了依據(jù)。外墻保溫選擇附錄A.0.1中非黏土實心磚EPS板外保溫，保溫板厚度為70 mm;考慮盡量不影響室內(nèi)裝飾環(huán)境及實用空間，因膠粉聚苯顆粒保溫涂料抗壓強度高，黏結(jié)力、附著力強，施工性好，選擇其作為內(nèi)墻保溫材料，厚度為30 mm;屋頂保溫選擇附錄A.0.6中鋼筋混凝土平屋面EPS板外保溫，保溫板厚度為90 mm;地面保溫按照圖集06J015選擇擠塑聚苯板保溫，保溫板厚度為40 mm。正房圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能改造做法及傳熱系數(shù)見表4。

4?建筑能耗模擬及效益分析

目前得到業(yè)內(nèi)廣泛認可并大規(guī)模應(yīng)用的建筑能耗模擬軟件主要有ESP-r，DOE-2，QUEST，TRNSYS，Energy Plus和DeST等[12]。其中DOE-2軟件分析結(jié)果最精確，但其專業(yè)性要求高、程序運行緩慢，不是最佳選擇;另外，在其內(nèi)核的基礎(chǔ)上研究開發(fā)出的各種能耗模擬軟件包括 Energy Plus，QUEST等軟件在能耗模擬的過程中也沒有解決軟件計算龐大的工作量問題，并且這些軟件一般只能計算出整棟建筑物的逐時負荷[13]。清華大學(xué)開發(fā)出的DeST軟件不僅可以用來模擬系統(tǒng)的性能，又可以詳盡地分析出建筑的具體熱特性[14]，彌補了上述軟件的不足。因此，使用DeST軟件進行建筑能耗模擬是較為合適的選擇。

4.1?DeST-h軟件模擬

DeST軟件是由清華大學(xué)建筑環(huán)境與設(shè)備研究所開發(fā)的，應(yīng)用于建筑環(huán)境及HVAC系統(tǒng)模擬的軟件平臺[15-16]。DeST-h軟件主要用于住宅建筑熱特性的影響因素分析、熱特性指標計算、全年動態(tài)負荷計算、室溫計算及末端設(shè)備系統(tǒng)經(jīng)濟性分析等領(lǐng)域[17]。其原理如下：

Q=KA（tn-tw ）a，（1）

式中：Q為圍護結(jié)構(gòu)耗熱量，W;K為圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)，W/（m2·K）;

A為圍護結(jié)構(gòu)傳熱面積，m2;

tn為室內(nèi)采暖計算溫度，℃（取18 ℃）;

tw為室外采暖計算溫度，℃（取-9 ℃）;

a為耗熱量修正系數(shù)。

q=QA，（2）

式中：q為采暖設(shè)計熱負荷指標，W/m2;Q為冬季采暖熱負荷，W;A為建筑面積，m2。

Q=0.278VρwCp（tn-tw），（3）

式中：Q為由門窗縫隙滲入室內(nèi)的冷空氣的耗熱量，W;

Cp為空氣的定壓比熱容，kJ/（kg·K）;

ρw為采暖室外計算溫度下的空氣密度，kg/m3;

tn為室內(nèi)采暖計算溫度，℃（取18 ℃）;

tw為室外采暖計算溫度，℃（取-9 ℃）;

V=nLl，其中，L為通過單位長度門、窗縫隙滲入室內(nèi)的空氣量，m3/（h·m）;

l為門、窗縫隙計算長度，m;

n為滲透空氣量的朝向修正系數(shù)。

R0=Ri+ΣR+Re，（4）

式中：R0為維護結(jié)構(gòu)熱阻，（m2·K）/W;

ΣR為圍護結(jié)構(gòu)各層材料的熱阻和，（m2·K）/W;

Ri為圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面換熱阻，一般取0.12 （m2·K）/W;

Re為圍護結(jié)構(gòu)外表面換熱阻，一般取0.04 （m2·K）/W。

4.2?建筑熱負荷分析

制定改造方案后利用DeST-h軟件進行能耗模擬，其中室內(nèi)設(shè)計溫度為18 ℃，供暖期為每年的11月15日至次年3月15日，各房間均不設(shè)新風(fēng)系統(tǒng)，只考慮門窗的滲透風(fēng)量＼，換氣次數(shù)設(shè)定為0.5次/h。DeST軟件中設(shè)置建筑的圍護結(jié)構(gòu)及相應(yīng)面積，最終得到建筑熱負荷與建筑供暖熱指標等，具體數(shù)據(jù)見表5。為了直觀對比建筑供暖熱指標，將其具體數(shù)據(jù)制成柱狀圖，見圖8。

通過模擬該農(nóng)居改造前后的能耗，發(fā)現(xiàn)對圍護結(jié)構(gòu)進行節(jié)能改造能夠有效降低建筑的熱負荷， 節(jié)能改造項目越齊全，建筑熱負荷指標越小，節(jié)能效果越好。與整體改造方案相比，按需節(jié)能改造方案的建筑熱負荷指標較高，原因是分隔未供暖房間的內(nèi)墻上添加的保溫層厚度比外墻保溫層小，增加了供暖房間的熱量損失，但按需節(jié)能改造方案減少了50%的供暖面積，因此其建筑累計熱負荷比整體改造方案減少大約1/2。

4.3?環(huán)境效益分析

改造前，該農(nóng)居全年供暖累計負荷為23 83481 kW·h，原有家用燃煤鍋爐采用煙煤作為熱源，熱值為27 170～37 200 kJ/kg，取28 000 kJ/kg;家用燃煤鍋爐的熱利用率為30%～45%，取40%;1 t煙煤排放二氧化碳

2 566～3 117 kg，取2 800 kg;供暖期122 d，煙煤價格按850元/t計算，改造前燃煤量為766 t，對應(yīng)費用為6 512.01元，二氧化碳排放量為21.45 t。改造前后的耗煤量、對應(yīng)費用及二氧化碳排放量見表6。由表6可知，進行節(jié)能改造后，每年冬季供暖可減少煤炭消耗和冬季供暖費用，并降低了二氧化碳的排放量。

4.4?經(jīng)濟效益分析

按照設(shè)計的建筑圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能改造做法，并根據(jù)每種材料的市場價格及目前人工費用得出的各項目綜合單價，使用廣聯(lián)達軟件計算出各節(jié)能改造方案的成本，具體數(shù)據(jù)見表7。

若采用空氣源熱泵作為熱源，可進一步降低冬季供暖費用，減少污染物排放。因此根據(jù)建筑熱負荷選用某品牌AP-03型號的空氣源熱泵，其制熱功率為2.5 kW，供暖制熱量為7.4 kW，參考價格為9 000元。按照河北省2018年出臺的“煤改電”支持政策，選擇電供暖設(shè)備，按設(shè)備投資額的85%給予補貼，每戶最高補貼金額不超過7 400元，熱源改造成本為1 600元。考慮該空氣源熱泵COP（性能系數(shù)）取值為3，不考慮峰谷電價與電價補貼，電價按

0.5元/（kW·h）取值，使用1 kW·h電所排放的二氧化碳以1.1 kg計。

項目投資回收期也稱返本期，是反映項目投資回收能力的重要指標，分為靜態(tài)投資回收期和動態(tài)投資回收期，本次主要計算方案的靜態(tài)投資回收期。對于一次性的投資方案， 若每年的凈收益基本相同， 則靜態(tài)投資回收期可用下式計算[19]：

TQ=KprPr，（5）

式中：TQ為靜態(tài)投資回收期，a;

Kpr為投資總額，元;

Pr為年凈收益或年平均收益，元/a。

綜合計算、分析得出各節(jié)能改造方案對應(yīng)的改造總投資、耗電量、電費、節(jié)約供暖費用、投資回收期、減少的二氧化碳排放量等，其具體數(shù)據(jù)見表8。

5?結(jié)?語

1）河北省農(nóng)村既有建筑圍護結(jié)構(gòu)大多未采取保溫措施，冬季供暖能耗高，因此，設(shè)計了4種方案進行節(jié)能改造。目前居民普遍選擇對建筑進行整體改造，但成本高，還會造成社會資源的浪費。結(jié)合農(nóng)村常住人口較少的現(xiàn)狀，本文提出按照實際需求進行改造。建筑節(jié)能改造后，熱負荷顯著降低，冬季供暖費用也隨之下降，并可減少二氧化碳等污染物的排放量。

2）以河北省保定市阜平縣某農(nóng)居為例，對比4種改造方案分別在整體改造和按需改造時所需的初投資及投資回收期發(fā)現(xiàn)，與整體改造方案相比，按需改造方案可減少約33%的投資，縮短約50%的投資回收期;按需改造方案中方案4（不改造屋頂與地面）的投資回收期最短，為4.03年，而方案1的投資回收期較長，為5.9年。按需改造方案的投資回收期相差不大，農(nóng)村住戶可根據(jù)自身居住現(xiàn)狀及經(jīng)濟條件選擇改造方案。

3）由于北方寒冷地區(qū)農(nóng)村的既有建筑圍護結(jié)構(gòu)采暖能耗高，環(huán)境污染嚴重，為了改善冬季大氣環(huán)境，政府出臺政策對農(nóng)村既有建筑進行清潔能源供暖改造，并補貼部分初投資及運行費用，但由于改造費用較高而未能實施，按需改造為農(nóng)村既有建筑圍護結(jié)構(gòu)的節(jié)能改造提供了新思路，最大限度降低了改造成本。

4）本文尚有一些不足之處，如：在進行圍護結(jié)構(gòu)改造時選取的保溫材料較為單一，僅按照設(shè)計標準中的推薦選取，未來可選用多種保溫材料進行能耗模擬及經(jīng)濟環(huán)境效益分析;方案設(shè)計的是一層平房建筑，隨著經(jīng)濟的發(fā)展，雙層建筑在農(nóng)村將會逐漸增多，今后可對雙層建筑進行能耗模擬及經(jīng)濟環(huán)境效益分析，為北方寒冷地區(qū)農(nóng)村既有建筑圍護結(jié)構(gòu)的節(jié)能改造提供更多的可選方案。

5）希望政府能夠加強對農(nóng)村既有建筑節(jié)能改造的宣傳力度，給予更多的鼓勵及政策扶持，進一步降低農(nóng)村建筑的供暖能耗，減少大氣環(huán)境污染。

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