■ 金國輝 李佳 楊鵬 陳偉
1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)土木工程學(xué)院 包頭 014010
2.西安建筑科技大學(xué)西部綠色建筑國家重點實驗室 西安 710043
內(nèi)蒙古西部草原民居多數(shù)為自建單體建筑,呈分散狀態(tài)分布,在相近的村落中存在相互借鑒和參考現(xiàn)象,因此在整體布局上缺少規(guī)劃和建設(shè)經(jīng)驗,由于外圍護(hù)結(jié)構(gòu)無法對室內(nèi)達(dá)到預(yù)期的保溫效果,居民冬季采暖通過增加采暖設(shè)備來提高室內(nèi)熱環(huán)境,這使一次能源消耗量過大。因此,優(yōu)化當(dāng)?shù)孛窬幽芎膶崿F(xiàn)能源合理利用勢在必行。國內(nèi)外學(xué)者對于建筑能耗降低研究做了很多貢獻(xiàn),尤其超低能耗建筑的提出將建筑節(jié)能推到了大眾的眼前。陳凱等模擬設(shè)計新型節(jié)能農(nóng)宅,從建筑朝向、平面形態(tài)以及外圍護(hù)結(jié)構(gòu)等方面對固有住宅進(jìn)行綜合優(yōu)化,構(gòu)建出低成本節(jié)能農(nóng)村住宅[1]。王寧[2]利用不同的保溫材料分類組合后進(jìn)行能耗模擬,尋找外圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料建筑的整體能耗影響值規(guī)律,得出墻體節(jié)能技術(shù)影響因素最大為18.47%。我國任志剛、張強(qiáng)等[3]學(xué)者從氣候舒適性角度出發(fā),各選取中國、德國11座具有代表性城市,通過5 大指標(biāo)對被動房在我國的適應(yīng)性進(jìn)行分析,表明不同熱工區(qū)的被動房能源影響因素各有不同,對能源需求也比德國增多。此外國內(nèi)學(xué)者也對超低能耗技術(shù)在我國建筑節(jié)能中的應(yīng)用進(jìn)行了深化研究,徐偉、孫德宇[4]通過對比梳理國內(nèi)外超低能耗標(biāo)準(zhǔn),初步形成了適合我國國情的超低能耗建筑理論指標(biāo)體系,提出了先北后南、先民后公的推廣方向,奠定了我國超低能耗建筑的理論發(fā)展和技術(shù)基礎(chǔ)。山東省作為超低能耗建筑發(fā)展先驅(qū),山東建筑大學(xué)教學(xué)實驗綜合樓的設(shè)計便是利用了裝配式被動式超低能耗建筑節(jié)能技術(shù),對其外墻、保溫、構(gòu)造節(jié)點等進(jìn)行優(yōu)化[5]。張雅婷[6]通過對已建的辦公樓進(jìn)行Design Builder能耗模擬分析,提出適用于當(dāng)?shù)氐霓k公樓能耗極值和圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能限值,并歸納總結(jié)了嚴(yán)寒地區(qū)辦公樓超低能耗優(yōu)化組合方案。尹志芳通過對比3種可實現(xiàn)超低能耗建筑能耗軟件,由于軟件內(nèi)置的計算方式不同,在對建筑模型描述時會導(dǎo)致最終能耗模擬輸入和結(jié)果存在差異[7]。于玉等通過Trnsys 軟件對山東省濟(jì)南市某被動式超低能耗建筑5層辦公樓的全年動態(tài)負(fù)荷進(jìn)行了模擬,全年供熱能耗為30.87 kW·h/m2,與節(jié)能建筑能耗進(jìn)行對比該超低能耗建筑節(jié)能率約為40%[8]。夏熱冬冷地區(qū)的氣候適應(yīng)型超低能耗建筑采暖供冷技術(shù)對建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的影響中利用EnergyPlus進(jìn)行了分析,運用正交試驗法得出外圍護(hù)結(jié)構(gòu)各部分的影響趨勢,并得出相應(yīng)設(shè)計方案使之達(dá)到總能耗全年最低[9]。徐偉和呂燕捷結(jié)合嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)超低能耗建筑新風(fēng)系統(tǒng)研究,以哈爾濱地區(qū)建筑為例,分時段開閉新風(fēng)系統(tǒng)較全時段開閉分別節(jié)能30%和65%[10]。利用德國被動房技術(shù)對夏熱冬冷地區(qū)建筑進(jìn)行設(shè)計并不適配,實測數(shù)據(jù)表明,被動式超低能耗建筑的室內(nèi)舒適度存在較大優(yōu)勢,因此對于室內(nèi)制冷供熱能耗應(yīng)采用間歇式用能方式,在滿足超低室內(nèi)舒適要求的前提下實現(xiàn)超低能耗目標(biāo)[11]。
綜合以上文獻(xiàn)整理分析可知我國學(xué)者對于內(nèi)蒙古西部圍護(hù)結(jié)構(gòu)的研究雖已開展,但僅通過被動式節(jié)能優(yōu)化達(dá)到超低能耗技術(shù)指標(biāo)的研究比較缺乏。本文對外圍護(hù)結(jié)構(gòu)隔熱保溫性能研究分析,通過優(yōu)化替換保溫材料、增加保溫層厚度、更換外窗等方式,提出適合內(nèi)蒙古西部草原地區(qū)氣候條件和當(dāng)?shù)孛窬犹攸c的超低能耗建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu),并進(jìn)行建筑能耗和經(jīng)濟(jì)性綜合分析,從而確定適合內(nèi)蒙古西部草原民居外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最佳優(yōu)化方案,預(yù)期達(dá)到超低能耗技術(shù)指標(biāo)。
優(yōu)化當(dāng)?shù)孛窬油鈬o(hù)結(jié)構(gòu)保溫隔熱性能,不但可有效降低房屋冬季采暖期對一次能源的需求,達(dá)到節(jié)能減排的環(huán)保目標(biāo),也有利于緩解當(dāng)?shù)啬撩竦慕?jīng)濟(jì)壓力。根據(jù)十九屆五中全會提出的“優(yōu)先發(fā)展農(nóng)業(yè)農(nóng)村,全面推進(jìn)鄉(xiāng)村振興”的戰(zhàn)略方針,內(nèi)蒙古西部嚴(yán)寒地區(qū)超低能耗建筑的研究將對我國農(nóng)村改革、能源優(yōu)化以及提高利用率等方面起到顯著作用。從國家到地方政府科技部門皆設(shè)立了關(guān)于“內(nèi)蒙古西部草原民居超低能耗”的相關(guān)研究課題,本文基于基金項目的科研內(nèi)容對其中外圍護(hù)結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行了研究,是所研究的課題內(nèi)容的重要組成部分之一。
以內(nèi)蒙古巴彥淖爾市五原縣新公中鎮(zhèn)一戶牧民的住宅為基礎(chǔ)建立本次研究的初始模型,繪制平面示意圖(圖1)。該草原民居總建筑面積為88.14m2,包括臥室、客廳、廚房和儲藏間。供暖區(qū)域為臥室和客廳,面積為61.02m2;層高3.3m;南側(cè)、北側(cè)窗墻比分別為0.20 和0.15,東西兩側(cè)無窗。
圖1 初始草原民居平面示意圖
利用DeST-h模擬軟件建立草原民居初始模型,圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)參照初始草原民居圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件(表1)。研究僅針對民居建筑本體參數(shù)對能耗的影響,室內(nèi)內(nèi)擾在本研究中屬于有利因素,因此忽略人員、設(shè)備、照明損失能耗,模擬時設(shè)定所有房間的室內(nèi)內(nèi)擾值為0。北方嚴(yán)寒地區(qū)采暖約180天,冬季室內(nèi)設(shè)計溫度為15℃[12],氣象參數(shù)參考同緯度烏拉特后旗。草原民居冬季采暖總能耗模擬結(jié)果為19552.11 kW·h,冬季采暖能耗為221.83 kW·h/m2。
表1 初始草原民居外圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)及標(biāo)準(zhǔn)值
內(nèi)蒙古巴彥淖爾市五原縣新公中鎮(zhèn)地處典型的中溫帶大陸性季風(fēng)氣候帶,屬于干旱地帶,日照豐富多平原,海拔較高導(dǎo)致太陽輻射強(qiáng),僅次于青藏高原地區(qū)日照輻射,平均日照時數(shù)在3200 小時左右,全市輻射量在6278.25~6603.04MJ/m2之間[13],因此在民居南向外墻外建立被動式凸出式陽光間如圖2 所示,陽光間縱深選擇1.4m[14],選擇普通中空玻璃加配塑鋼外框,可以將白天的太陽能轉(zhuǎn)化成熱能有效地儲存起來,并在夜間通過外墻再將熱能傳導(dǎo)至室內(nèi)。
圖2 陽光間與主體建筑剖面圖
通過DeST-h 模擬軟件模擬得出典型日無陽光間主臥室、次臥室室溫以及有陽光間主臥室、次臥室的基礎(chǔ)室溫數(shù)據(jù)表并繪制成24h曲線分布圖(圖3)。由此可知,增加陽光間可以阻擋室內(nèi)熱量損失,減小向外熱量傳遞,有利提高室內(nèi)溫度。當(dāng)民居冬季室內(nèi)維持在15℃時,相較于未增設(shè)陽光間時草原民居冬季采暖模擬能耗的19552.11 kW·h,增加凸出式陽光間后草原民居冬季采暖能耗下降了46.2%,冬季采暖能耗為10519.04 kW·h。
圖3 基礎(chǔ)室溫模擬曲線分布圖
考慮到當(dāng)?shù)啬撩窠?jīng)濟(jì)情況,選擇了較為常見的幾種外窗表2 所示,序號1 外窗為初始模型外窗。利用能耗模擬軟件DeST-h 分析不同外窗構(gòu)造下對草原民居能耗的影響,其他模型參數(shù)不變,結(jié)果見圖2。結(jié)合表2、圖4可以看出,外窗的的傳熱系數(shù)與太陽得熱系數(shù)(SHGC)隨著中空玻璃的層數(shù)增加而降低,草原民居能耗因傳熱系數(shù)減小而減??;低輻射中空玻璃窗的節(jié)能效果較明顯,但相應(yīng)的太陽得熱量同樣也會受到影響;無論是從能耗降低結(jié)果還是太陽得熱情況出發(fā),70系列平開下懸窗是最理想的選擇,并且其傳熱系數(shù)最為接近超低能耗建筑標(biāo)準(zhǔn)值,但70系列平開下懸窗由于密封性生產(chǎn)技術(shù)的要求,造價成本相對較高。建議選擇3 層Low-e 雙中空玻璃窗作為構(gòu)建內(nèi)蒙古西部草原民居外窗。
圖4 不同類型外窗冬季采暖能耗
表2 不同類型外窗參數(shù)
內(nèi)蒙古草原民居多為單層獨棟建筑,除去外墻,民居的屋面與外界環(huán)境接觸面積最廣,結(jié)構(gòu)多以木屋梁+磚瓦+秸稈泥+吊頂構(gòu)成,沒有設(shè)置正規(guī)的保溫層。室內(nèi)熱空氣在秋冬季上浮于屋頂,造成熱損失嚴(yán)重。
選擇常見石墨聚苯乙烯泡沫板作為屋頂?shù)谋貙硬牧?,在保持原屋頂結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,通過增設(shè)防水層和增加保溫層厚度等手段,研究屋頂能耗變化規(guī)律,提供適合當(dāng)?shù)孛窬咏ㄔO(shè)的保溫材料選擇。由圖5 可知,僅增設(shè)10mm防水層后,屋頂雖具有一定的自身保溫能力,但能源并未得到有效降低。在此基礎(chǔ)上繼續(xù)增加保溫層草原民居冬季采暖能耗明顯下降,保溫層厚度設(shè)置60~300mm 區(qū)間,取值間隔為30mm。當(dāng)厚度達(dá)到210mm 時采暖能耗曲線變化波動平緩,后續(xù)增加保溫層厚度草原民居冬季采暖能耗降低值不明顯。
圖5 屋面改造后冬季采暖能耗
考慮到當(dāng)?shù)啬撩窠?jīng)濟(jì)情況,選擇210~240mm范圍內(nèi)石墨聚苯乙烯泡沫板作為屋頂?shù)谋貙硬牧陷^為合適。從民居采暖耗能量來看,隨保溫層厚度的增加呈逐漸降低趨勢,但能耗的降低趨勢隨保溫層厚度無限擴(kuò)大時逐漸趨于緩和。保溫層210mm時傳熱系數(shù)為0.096W/(m2·K),240mm 時傳熱系數(shù)為0.088 W/(m2·K),300mm 傳熱系數(shù)為0.075 W/(m2·K)。傳熱系數(shù)從0.096W/(m2·K)降低至0.088 W/(m2·K),冬季采暖能耗遞減百分比為2.12%,傳熱系數(shù)從0.088W/(m2·K)降低至0.075 W/(m2·K),冬季采暖能耗遞減百分比為2.13%。此時繼續(xù)增加保溫層的厚度對草原民居冬季采暖能耗的減少效果已不明顯。通過上述簡單的分析可以初步得出,內(nèi)蒙古西部草原民居屋面的最佳保溫層厚度為240mm,對應(yīng)選擇的傳熱系數(shù)為0.088 W/(m2·K)為宜。
超低能耗建筑對外墻的隔熱保溫要求高于普通節(jié)能建筑,還要兼具抗老化、防火防潮、耐候行良好等功能。鑒于內(nèi)蒙古巴彥淖爾市屬于嚴(yán)寒地區(qū)對保溫材料的自身性能要求更嚴(yán)苛,以及當(dāng)?shù)啬撩窠?jīng)濟(jì)條件的限制,選取石墨聚苯乙烯、巖棉、硬質(zhì)聚氨酯、STP真空絕熱板四種保溫材料進(jìn)行研究,選擇加氣混凝土代替普通燒結(jié)磚作為內(nèi)蒙古草原民居的墻體主要材料。研究不同結(jié)構(gòu)構(gòu)造形式的內(nèi)蒙古草原民居外墻方案,見表3。
表3 外墻結(jié)構(gòu)及保溫材料厚度范圍
模擬分析各方案的冬季采暖能耗,得到加氣混凝土墻體結(jié)合不同保溫材料的冬季采暖能耗對比,如圖6所示。
2.4.1 同保溫材料不同厚度對采暖能耗的影響
草原民居的冬季采暖能耗受外墻保溫材料厚度影響較大,冬季采暖能耗會因外圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫層厚度的增加而逐漸降低。根據(jù)圖6可以看出,4種保溫材料冬季采暖能耗隨厚度變化的趨勢走向基本一致,且都存在相同的遞減模式,類分函數(shù)曲線圖。保溫材料厚度未超過200mm 時下降速度較快,超過200mm 后能耗減少趨勢略平緩。但是由于增加保溫層厚度會引起建筑成本的提高,若不考慮經(jīng)濟(jì)情況,在給出的保溫層限值內(nèi),超低能耗草原民居的外墻厚度越厚冬季采暖能耗越低。
2.4.2 同厚度不同保溫材料對采暖能耗的影響
根據(jù)圖6 的能耗結(jié)果顯示,相同厚度的保溫材料真空絕熱板的能耗最少;其次是硬質(zhì)聚氨酯和石墨聚苯乙烯,而巖棉的冬季采暖能耗相較于其他3 種材料顯著增加;硬質(zhì)聚氨酯和石墨聚苯乙烯兩者的的采暖能耗相差不大。采用STP 真空絕熱板具備大幅降低采暖能耗的優(yōu)勢,并且在達(dá)到相同能耗時STP 真空絕熱板的厚度較其他3 種材料可減少近50%的厚度,但根據(jù)現(xiàn)有實際測量結(jié)果分析,真空絕熱板性能受工藝及外界環(huán)境的影響較大,保溫隔熱性能無法得到保障,多數(shù)測量結(jié)果只能達(dá)到理論值的80%。另STP 真空絕熱板的造價相對其他3種保溫材料略高,出于多因素考慮,在優(yōu)化內(nèi)蒙古西部草原民居外墻保溫時選擇放棄STP 真空絕熱板材料。綜上,在不考慮經(jīng)濟(jì)條件時,同厚度前提下硬質(zhì)聚氨酯、石墨聚苯乙烯和巖棉3 種保溫隔熱性能選擇時,可參考優(yōu)先石墨聚苯乙烯次之硬質(zhì)聚氨酯然后巖棉的順序進(jìn)行選擇。
圖6 加氣混凝土墻體結(jié)合不同保溫材料冬季采暖能耗
為選擇適合嚴(yán)寒地區(qū)的最佳保溫材料厚度,本文選擇使用凈現(xiàn)值法來分析。凈現(xiàn)值法(NPV)是經(jīng)濟(jì)性分析方法中常用的評價方式,是指節(jié)能節(jié)約費用經(jīng)社會折現(xiàn)率后與初始投資費用的差值。通過式(1)計算各種材料不同厚度的NPV值,可以得到保溫材料較經(jīng)濟(jì)的保溫層厚度:
式中:NPV——凈現(xiàn)值,元;
CI——年節(jié)約費用,元;
CO——初始投資費用,元;
i——社會折現(xiàn)率,%;
t——使用年限。
經(jīng)當(dāng)?shù)刈咴L,硬質(zhì)聚氨酯、石墨聚苯乙烯和巖棉的市場價格分別為900 元/m3、700 元/m3、1100 元/m3,社會折現(xiàn)率設(shè)為5%,當(dāng)?shù)厣逃秒妰r為0.526 元(kW·h),使用年限約為25年。通過計算適合內(nèi)蒙古西部草原民居的3 種外保溫材料不同厚度的凈現(xiàn)值和節(jié)能率如圖7所示。
圖7 不同保溫材料不同厚度凈現(xiàn)值與節(jié)能率對比
若僅考慮凈現(xiàn)值的情況下,NPV 值越大對應(yīng)的保溫材料經(jīng)濟(jì)效益越大。NPV 值最大都出現(xiàn)在保溫材料厚度最低限值時,即3 種材料厚度均為100mm 時,而對于內(nèi)蒙古西部草原民居而言,還應(yīng)考慮民居的節(jié)能率,當(dāng)外保溫層厚度最大時,其節(jié)能率必然也最低。通過Mat‐lab 軟件對內(nèi)蒙古西部草原民居的凈現(xiàn)值和節(jié)能率的曲線分別進(jìn)行擬合,NPV 和節(jié)能率的交點所對應(yīng)的厚度則為保溫材料最優(yōu)厚度。曲線擬合方程如下:
硬質(zhì)聚氨酯:YNPV=-2086.9x2-4415x+117886.4;
Y節(jié)能率=-0.002x2+0.0251x+0.1426,
計算得x=239mm。
石墨聚苯乙烯:YNPV=-1751x2-8987.6x+159848.8;
Y節(jié)能率=-0.0017x2+0.0203x+0.1655;
計算得x=220mm。
巖棉:YNPV=-2212.4x2-11058x+95677;
Y節(jié)能率=-0.0022x2+0.0262x+0.151;
計算得x=245mm。
綜上所述,綜合凈現(xiàn)值NPV和節(jié)能率分別可以獲得內(nèi)蒙古西部草原民居3種外墻保溫材料的最優(yōu)厚度。在內(nèi)蒙古西部嚴(yán)寒地區(qū),硬質(zhì)聚氨酯、石墨聚苯乙烯和巖棉的最優(yōu)厚度為239mm、220mm、245mm。同時3 種保溫材料的綜合性能均為石墨聚苯乙烯>硬質(zhì)聚氨酯≈巖棉。
根據(jù)以上提出的關(guān)于內(nèi)蒙古西部草原民居超低能耗外圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)建,最終選擇的適合內(nèi)蒙古西部超低能耗草原民居外圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)建參數(shù)如表4。在DeST 能耗模擬軟件中輸入表4 外圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件,對其進(jìn)行冬季采暖能耗模擬。環(huán)境、熱擾參數(shù)設(shè)置應(yīng)設(shè)置與初始模型相同參數(shù)。附加陽光間開啟關(guān)閉時間設(shè)置為冬日平均日和日落時間,即開啟時間為7:00~17:00,關(guān)閉時間為17:00~7:00。內(nèi)蒙古西部超低能耗草原民居附加陽光間整體模型圖見圖8。
表4 優(yōu)化后草原民居圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)
圖8 附加陽光間整體模型圖
通過對初始模型和優(yōu)化后兩種模型的模擬能耗結(jié)果分析,未優(yōu)化前內(nèi)蒙古西部草原民居初始模型冬季采暖總能耗達(dá)到19552.11 kW·h,冬季采暖能耗為221.83 kW·h/m2。而增加陽光間后的優(yōu)化內(nèi)蒙古西部草原民居模型冬季采暖能耗可達(dá)到2622.4 kW·h。冬季采暖能耗為29.75 kW·h/m2。對比兩組數(shù)據(jù),冬季采暖能耗節(jié)能率達(dá)到86.7%,低于嚴(yán)寒地區(qū)超低能耗居住建筑能耗為30 kW·h/m2的標(biāo)準(zhǔn)值,冬季采暖能耗得到大幅降低。
文章通過DeST模擬軟件分析了不同材料在內(nèi)蒙古西部嚴(yán)寒地區(qū)草原民居外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的能耗狀況,計算了所對應(yīng)材料的節(jié)能率,并對所選外墻保溫材料運用工程技術(shù)經(jīng)濟(jì)學(xué)中凈現(xiàn)值法進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析,主要結(jié)論如下:
(1)在超低能耗標(biāo)準(zhǔn)外墻傳熱系數(shù)限值內(nèi),隨著保溫材料厚度的增加,草原民居冬季采暖能耗明顯下降,但下降走勢隨著保溫層變厚而逐漸平和;通過對所選不同保溫材料不同厚度的NPV 值與節(jié)能率的對比,得到3種材料在達(dá)到超低能耗技術(shù)指標(biāo)要求時的外墻保溫最佳經(jīng)濟(jì)厚度分別為:硬質(zhì)聚氨酯239 mm、石墨聚苯乙烯220 mm和巖棉245 mm。
(2)3 種保溫材料中節(jié)能率最大的是石墨聚苯板。因此,對內(nèi)蒙古西部草原民居外圍護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化,外墻宜選擇220mm的石墨聚苯板及加氣混凝土磚;外窗應(yīng)優(yōu)先選用3 層Low-e 雙中空玻璃塑鋼窗;屋面保溫層材料應(yīng)優(yōu)先選用傳熱系數(shù)為0.088 W/(m2·K)的石墨聚苯乙烯泡沫板,最佳厚度宜為240mm。
(3)對各方案的節(jié)能率進(jìn)行計算分析,結(jié)果表明,改變外墻保溫層后節(jié)能效果最佳,節(jié)能率可達(dá)到20.92%,而外窗及屋面的節(jié)能率分別為16.21%、11.29%。綜合外墻、外窗、屋面優(yōu)化結(jié)果可使內(nèi)蒙古草原民居冬季采暖能耗降低至4118.4 kW·h,節(jié)能率超過82.1%。在這基礎(chǔ)上增加被動式陽光間后,節(jié)能率可達(dá)86.7%,能耗進(jìn)一步顯著降低,實現(xiàn)了超低能耗在內(nèi)蒙古西部嚴(yán)寒地區(qū)民居建筑冬季采暖能耗的技術(shù)指標(biāo)要求,為我國實現(xiàn)“兩山論”、“全面推進(jìn)可持續(xù)發(fā)展”目標(biāo)開辟了新的途徑。