唐山地區(qū)傳統(tǒng)農(nóng)居建筑本體節(jié)能改造模擬

張振迎，許禹菲，尹浩伊，劉璐

(華北理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院, 河北 唐山 063210)

由于北方地區(qū)采暖時(shí)間長(zhǎng)，農(nóng)村居民用能不合理，導(dǎo)致農(nóng)村居住建筑能耗成為我國(guó)建筑能耗的主要部分[1-3]。近年來，農(nóng)村建筑節(jié)能逐漸受到關(guān)注，但目前所頒布的節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)未精確考慮不同農(nóng)村地區(qū)的氣象條件及用能習(xí)慣，因此改善農(nóng)居圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能成為采暖節(jié)能的重要突破口。

近年來，相關(guān)學(xué)者對(duì)農(nóng)村地區(qū)的室內(nèi)熱環(huán)境情況也進(jìn)行了大量的研究，主要研究為對(duì)農(nóng)村地區(qū)圍護(hù)結(jié)構(gòu)、采暖用能方式等進(jìn)行調(diào)研，以及對(duì)既有農(nóng)居的熱物理參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試并進(jìn)行分析。國(guó)外學(xué)者Izzet Yuksek對(duì)土耳其農(nóng)居圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)房間布局、面積、窗墻比對(duì)該地區(qū)農(nóng)居的建筑節(jié)能起到重要作用[4]。Julie Gwilliam使用EnergyPlus和TRNSYS軟件，對(duì)英國(guó)住宅外墻的傳熱系數(shù)、窗墻比、朝向等方面進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，提出零能耗住宅優(yōu)化策略[5]。Setiawan使用eQUEST軟件對(duì)不同印尼西亞的住宅進(jìn)行能耗模擬，分析外窗玻璃、遮陽形式、墻體構(gòu)造、屋頂?shù)葘?duì)住宅能耗影響，結(jié)果表明，使用優(yōu)質(zhì)的外窗玻璃可有效降低能源消耗[6]。國(guó)內(nèi)學(xué)者邵騰對(duì)東北嚴(yán)寒地區(qū)的農(nóng)村民居進(jìn)行了調(diào)研和測(cè)試，并通過設(shè)計(jì)能耗模型和計(jì)算機(jī)語言程序?qū)r(nóng)居改造方案進(jìn)行理論計(jì)算[7]。邸芃對(duì)夏熱冬冷地區(qū)村鎮(zhèn)住宅展開節(jié)能研究，提出減小建筑體型系數(shù)、窗墻比和門窗傳熱系數(shù)會(huì)顯著增強(qiáng)建筑節(jié)能性能[8]。周帥在對(duì)魯中地區(qū)農(nóng)居進(jìn)行實(shí)測(cè)的基礎(chǔ)上利用DeST軟件建立模型，并對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行變參數(shù)模擬和量化評(píng)價(jià)，結(jié)果表明，增設(shè)陽光間、控制窗墻比和使用中空門窗是降低采暖能耗的最經(jīng)濟(jì)方式[9]。馬坤茹等人利用DeST軟件模擬保定某農(nóng)宅耗能，計(jì)算5種改造方案的節(jié)能率，綜合改造節(jié)能率達(dá)到80%以上[10]。

唐山市的傳統(tǒng)農(nóng)居多為1976年震后建造的房屋，大部分建于上世紀(jì)80～90年代。由于當(dāng)時(shí)條件所限和地域特點(diǎn)，形成了獨(dú)特的農(nóng)居建筑。該研究以唐山市農(nóng)居建筑為研究對(duì)象，建立了唐山農(nóng)居模型，使用DeST動(dòng)態(tài)模擬軟件，對(duì)農(nóng)居外墻、外窗、地面等圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了節(jié)能改造模擬分析，研究了圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造對(duì)農(nóng)居能耗及自然室溫的影響。

1農(nóng)居建筑冷熱負(fù)荷計(jì)算原理

該研究農(nóng)居的冷熱負(fù)荷采用DeST軟件進(jìn)行計(jì)算。該軟件是基于清華大學(xué)江億院士提出的狀態(tài)空間法所開發(fā)的建筑熱環(huán)境模擬軟件，根據(jù)“分階段模擬”的理念，將建筑的墻體、門窗、房間內(nèi)的溫度作為節(jié)點(diǎn)并建立熱平衡方程，保證空間上離散而時(shí)間上連續(xù)的一種算法，軟件以自然室溫為橋梁，可在不同的氣象條件、使用情況以及環(huán)境控制系統(tǒng)下將建筑物與系統(tǒng)連接起來，進(jìn)而動(dòng)態(tài)模擬建筑的熱狀況隨時(shí)間變化的過程，同時(shí)也可以分析建筑物的熱特性、模擬系統(tǒng)性能等[11]。

根據(jù)狀態(tài)空間法，自然室溫的計(jì)算原理如下[12]：

(1)

式中：tk(τ)房間k的空氣溫度，℃；

qj——房間k的熱擾，W；

{λi}——狀態(tài)空間法中各個(gè)建筑物空間特征值向量；

{φij}——采樣后各個(gè)擾量對(duì)房間溫度的影響系數(shù)；

n——各種熱擾的特征值維數(shù)；

m——熱擾個(gè)數(shù)。

2模型選擇與參數(shù)設(shè)定

結(jié)合調(diào)研情況及圍護(hù)結(jié)構(gòu)測(cè)量結(jié)果，總結(jié)唐山地區(qū)農(nóng)居特點(diǎn)以此建立農(nóng)居模型并設(shè)置農(nóng)居模型的相關(guān)參數(shù)，典型農(nóng)居模型如圖1所示，圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置表如表1所示。

表1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置表

圖1 典型農(nóng)居模型圖

唐山位于河北省東北部，溫暖帶半濕潤(rùn)氣候，無霜期為180～190 d，降水集中在7～8月，常年降水量為500～700 mm。夏季高溫高濕，雨水集中，冬季寒冷，盛刮西北風(fēng)，1月為最冷月，溫度在-5 ℃左右，7月為最熱月，平均氣溫為26 ℃[13]。圖2為唐山市采暖季室外干球溫度分布圖，-13 ℃溫頻段包括所有低于-13℃的時(shí)間，-11 ℃溫頻段包括-9～-11 ℃的所有時(shí)間，其他溫頻段以此類推。16 ℃溫頻段包括所有高于13 ℃的時(shí)間。該城市有85%的氣象參數(shù)點(diǎn)集中于-7～5 ℃之間。

圖2 唐山干球溫度時(shí)間分布圖

由于唐山地區(qū)農(nóng)村民居戶型簡(jiǎn)單，農(nóng)居內(nèi)設(shè)置1個(gè)系統(tǒng)，其余各個(gè)房間被該系統(tǒng)控制。采暖期設(shè)置為11月15日至次年3月15日。根據(jù)調(diào)研以及相關(guān)規(guī)范要求農(nóng)居采暖季室內(nèi)溫度上限為18 ℃，室內(nèi)溫度下限為14 ℃。制冷季室內(nèi)溫度上限為28 ℃，室內(nèi)溫度下限為22 ℃。通過統(tǒng)計(jì)作息時(shí)間、通風(fēng)習(xí)慣，確定最大和最小通風(fēng)頻率設(shè)定值。冬季最小通風(fēng)頻率為 0.5 次/小時(shí)，最大為 5 次/小時(shí)；夏季最小通風(fēng)頻率為 2 次/小時(shí)，最大通風(fēng)頻率為5 次/小時(shí)[14]。結(jié)合實(shí)際調(diào)研情況，在軟件中設(shè)定了該模型中的熱擾情況，包括人員、燈光、設(shè)備等參數(shù)的設(shè)置。設(shè)置室內(nèi)最多人數(shù)為3 人，家具系數(shù)為30，人均發(fā)熱量為53 W/人，室內(nèi)設(shè)備最大功率為12.7 W/m2。

3結(jié)果分析與討論

3.1 外墻節(jié)能改造模擬分析

保持模型的其他參數(shù)不變，使用擠塑聚苯板作為外墻保溫材料，設(shè)置厚度范圍值為0～100 mm，分析不同墻體保溫厚度對(duì)其農(nóng)居能耗的影響。模擬全年累計(jì)熱負(fù)荷計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3 外墻保溫層厚度對(duì)累計(jì)熱負(fù)荷的影響

可以看出，對(duì)傳統(tǒng)農(nóng)居外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加裝外保溫改造，可有效減少墻體的熱量散失，降低農(nóng)居能耗，節(jié)能效果明顯且其節(jié)能潛力大。隨著保溫板厚度的增加，外墻傳熱系數(shù)和能耗指標(biāo)不斷減小且呈線性關(guān)系，保溫板厚度控制在20 mm，全年累計(jì)熱負(fù)荷降低24.3%，當(dāng)保溫板厚度控制在40 mm時(shí)，全年累計(jì)熱負(fù)荷降低36.3%；保溫板厚度在60 mm時(shí)，全年累計(jì)熱負(fù)荷降低38.6%；保溫板厚度80 mm時(shí)，全年累計(jì)熱負(fù)荷降低43.17 %；保溫板厚度100 mm時(shí)，全年累計(jì)熱負(fù)荷降低44.5%。經(jīng)過多次計(jì)算，保溫層厚度高于100 mm后，每增加20 mm，其負(fù)荷僅降低不到1%，若繼續(xù)增加保溫層厚度，能耗降低趨勢(shì)將逐漸減弱。綜合考慮外墻熱工性能參數(shù)和經(jīng)濟(jì)性，唐山地區(qū)農(nóng)居外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造保溫厚度應(yīng)設(shè)置在40～60 mm。

3.2 屋面節(jié)能改造模擬分析

屋面作為農(nóng)居最頂部的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是接觸太陽輻射面積最大，成為能量交流的一大重要通道。保持初始模型的其他參數(shù)不變，選用膨脹聚苯板作為屋頂保溫，僅改變屋面保溫厚度，模擬農(nóng)居室內(nèi)負(fù)荷并分析保溫厚度與農(nóng)居全年累計(jì)熱負(fù)荷的關(guān)系。模擬結(jié)果統(tǒng)計(jì)如圖4所示?？梢钥闯觯菝嬖鲈O(shè)保溫可有效降低全年能耗，通過分析并考慮其經(jīng)濟(jì)性，將屋頂保溫層厚度設(shè)置為40 mm時(shí)，與原有模型相比，屋頂傳熱系數(shù)降低76.6%，全年累計(jì)熱負(fù)荷降低29.8%。

圖4 屋頂保溫層厚度對(duì)累計(jì)熱負(fù)荷的影響

3.3 外窗節(jié)能改造模擬

外窗作為建筑的重要部件，具有采光、通風(fēng)、隔音、保溫等功能，唐山地區(qū)冬季氣溫低，多西北風(fēng)，因而外窗成為熱量損失的主要一大部件，占據(jù)整個(gè)建筑熱損失的25%～30%[15]。目前唐山農(nóng)居多使用木制窗框和鋁合金窗框，表現(xiàn)為密閉性差，冷風(fēng)滲透嚴(yán)重，故需對(duì)外窗進(jìn)行節(jié)能技術(shù)改造。外窗改造設(shè)計(jì)方案不改變初始模型參數(shù)、窗墻比和房屋朝向，僅測(cè)試不同玻璃類型對(duì)農(nóng)居負(fù)荷影響，外窗改造模擬結(jié)果如表2所示。玻璃的傳熱系數(shù)從1.4 W/(m2·K)變化至4.7 W/(m2·K)，其中中空玻璃材料節(jié)能效果最好，使用12 mm普通中空玻璃作為外窗材料，較初始模型可降低20%全年累計(jì)熱負(fù)荷。

表2 外窗改造模擬結(jié)果

3.4 地面節(jié)能改造模擬

地面作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)重要部分，其熱工性能對(duì)于人體健康具有重要影響。目前唐山地區(qū)農(nóng)居地面耗熱量約占整個(gè)農(nóng)居散熱量的6%，對(duì)地面鋪設(shè)保溫層和防潮層并貼有低傳熱系數(shù)的地板，增加地面的蓄熱性能，將對(duì)降低農(nóng)居能耗具有顯著效果。在不改變農(nóng)居參數(shù)的情況下，考慮到農(nóng)民的經(jīng)濟(jì)水平，就地取材，減少施工步驟，在地面使用爐渣作為保溫措施，探究其能耗與保溫層厚度的關(guān)系。模擬結(jié)果顯示農(nóng)居地面增設(shè)保溫后可降低農(nóng)居全年熱負(fù)荷，隨著地面保溫層厚度的增加，其熱惰性參數(shù)增加，全年累計(jì)熱負(fù)荷指標(biāo)呈線性降低，使用爐渣作為保溫材料時(shí)，當(dāng)保溫層設(shè)置在40～200 mm時(shí)，其熱負(fù)荷降低1.5%～2.3%，對(duì)降低農(nóng)居能耗具有一定影響。

3.5 圍護(hù)結(jié)構(gòu)綜合節(jié)能改造模擬分析

該項(xiàng)研究以《農(nóng)村居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》為依據(jù)對(duì)冀東地區(qū)農(nóng)居圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行節(jié)能技術(shù)改造。選取90年代所建造的農(nóng)居作為改造對(duì)象，以調(diào)研結(jié)果作為依據(jù)，其相關(guān)參數(shù)見上文，原始建筑改造后符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱散失占比為外墻36%、外窗18%、屋頂43%、地面3%，故在保證節(jié)能條件下，需綜合考慮整體性和適用性。結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)和冀東地區(qū)農(nóng)村居民經(jīng)濟(jì)承受狀況，制定以下6種圍護(hù)節(jié)能改造方案如表3所示，探究圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料選擇對(duì)農(nóng)居能耗影響情況。

表3 綜合改造方案

改造前后利用DeST軟件進(jìn)行能耗模擬的負(fù)荷統(tǒng)計(jì)情況如表4所示?？梢钥闯?，原始農(nóng)居建筑的全年累計(jì)熱負(fù)荷指標(biāo)為101.01 kWh/m2，根據(jù)張思思等人給出的寒冷地區(qū)住宅節(jié)能指標(biāo)報(bào)表[16]，要求全年累計(jì)熱負(fù)荷建筑熱指標(biāo)低于70 kWh/m2，而原始農(nóng)居相對(duì)高出30.01 kWh/m2，即比節(jié)能建筑標(biāo)準(zhǔn)高出29.7%的能耗。農(nóng)居進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)綜合改造之后，全年累計(jì)熱負(fù)荷指標(biāo)在不同程度上呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。在農(nóng)居朝向相同的情況下，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)越小，則全年累計(jì)熱負(fù)荷越小，農(nóng)居改造后的全年累計(jì)熱負(fù)荷可降低60%～90%，圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能改造對(duì)夏季冷負(fù)荷的降低程度并不明顯，夏季仍需尋求其他方法降低全年累計(jì)冷負(fù)荷。若嚴(yán)格按照《農(nóng)村居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)其門窗、墻體、屋頂進(jìn)行整理改造后，可節(jié)能85%以上，若部分滿足節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，仍可節(jié)能59%以上。

表4 綜合改造方案能耗模擬結(jié)果

自然室溫指室內(nèi)未采用采暖或空調(diào)系統(tǒng)時(shí)，室內(nèi)溫度影響因素僅為室外氣象條件和室內(nèi)各種發(fā)熱物體。利用Dest-h軟件中自然室溫模擬計(jì)算單元，對(duì)改造后各方案的逐時(shí)自然室溫進(jìn)行模擬并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，自然室溫小時(shí)數(shù)統(tǒng)計(jì)如圖5所示。可以看出，6種改造方案對(duì)農(nóng)居自然室溫的影響呈現(xiàn)出差異性。未改造前，農(nóng)居室內(nèi)溫度在8 ℃以下的小時(shí)數(shù)為1 681 h，占全年小時(shí)數(shù)的20%，改造后自然室溫顯著提高，采暖季最低自然室溫可提高4～6 ℃，冬季平均室內(nèi)自然室溫為10～16 ℃，且波動(dòng)幅度變小。方案一圍護(hù)結(jié)構(gòu)各部分傳熱系數(shù)均滿足《農(nóng)村居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》要求，模擬結(jié)果顯示農(nóng)居臥室全年自然室溫高于其他方案，可完全消除自然室溫小于8 ℃的小時(shí)數(shù)，但夏季自然室溫高于其他方案，較高溫度小時(shí)數(shù)增多，若采取此方案夏季需增加自然通風(fēng)次數(shù)或增加風(fēng)扇、空調(diào)等降溫方式。方案三和方案六農(nóng)居改造均采用不同厚度的同種保溫材料，農(nóng)居自然室溫隨保溫材料厚度的增加而增加，兩方案冬季自然室溫相差2～3 ℃，夏季自然室溫相差僅0.1～0.3 ℃，保溫層厚度對(duì)于冬季自然室溫影響高于夏季。方案五著重于屋面的保溫，方案四著重于外墻的保溫，與未改造方案相比，由于屋面?zhèn)魅胧覂?nèi)的熱量來源于室外空氣與圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面之間的對(duì)流換熱和太陽輻射通過屋面導(dǎo)熱傳入的熱量，因此加強(qiáng)屋頂保溫更有利于改善農(nóng)居夏季熱環(huán)境。

圖5 綜合改造方案自然室溫及室外溫度分布統(tǒng)計(jì)圖

4結(jié)論

(1)對(duì)傳統(tǒng)農(nóng)居外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加裝外保溫改造，可有效降低農(nóng)居能耗，唐山地區(qū)農(nóng)居外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造保溫厚度設(shè)置在40～60 mm為宜，全年累計(jì)熱負(fù)荷可降低36.3%～38.6%。

(2)屋面增設(shè)保溫可有效降低全年能耗，通過分析并考慮其經(jīng)濟(jì)性，將屋頂保溫層厚度設(shè)置為40 mm時(shí)，與原有模型相比，屋頂傳熱系數(shù)降低76.6%，全年累計(jì)熱負(fù)荷可降低29.8%。

(3)對(duì)于傳統(tǒng)農(nóng)居建筑而言，外窗由6 mm普通玻璃改為12 mm普通中空玻璃，全年累計(jì)熱負(fù)荷可降低20%。農(nóng)居地面增設(shè)保溫后可降低農(nóng)居全年熱負(fù)荷，使用40～200 mm的爐渣作為地面保溫材料時(shí)，其全年累計(jì)熱負(fù)荷降低1.5%～2.3%。

(4)針對(duì)冀東地區(qū)既有農(nóng)居提出6種圍護(hù)結(jié)構(gòu)綜合改造方案，農(nóng)居采暖季節(jié)能率可分別滿足50%、65%、75%、85%的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，冬季農(nóng)居自然室溫可提高4～6 ℃，全年自然室溫低于8 ℃的小時(shí)數(shù)可降低85%以上，冬季全年累計(jì)熱負(fù)荷及自然室溫情況優(yōu)于夏季。