京津冀地區(qū)農(nóng)村裝配式節(jié)能住宅建筑研究

王艷，張偉捷，李芳德，李爭爭

（1.河北工程大學 能源與環(huán)境工程學院，河北 邯鄲 056038；2.華陽國際設計集團上海分公司，上海 201101）

0 引言

京津冀地區(qū)農(nóng)村對各類化石能源的大量消耗，是造成當?shù)乜諝馕廴镜闹匾蛑?。化石能源的大量消耗主要分布在取暖、炊事、空調(diào)三方面，其中取暖部分占53%[1]。相關部門發(fā)布《北方地區(qū)冬季清潔取暖規(guī)劃（2017～2021年）》[2]以來，京津冀地區(qū)農(nóng)村已禁止燃燒散煤，大力推行“煤改氣”“煤改電”工程，有大量清潔能源在農(nóng)村應用，但仍然存在能源利用率低、室內(nèi)舒適度差等問題，還造成了用電、用氣緊張的現(xiàn)象。除了能源結構不合理外，農(nóng)村住宅建筑本體的建造水平低、不符合節(jié)能設計標準、圍護結構保溫性能差等也是能耗居高不下、舒適度難以提高的重要因素。不同于城市地區(qū)的集中管理，農(nóng)村居住建筑分散，節(jié)能工作起步晚、節(jié)能標準推行進度慢，迫切需要一種新的建造方式對房屋進行節(jié)能改造和升級。裝配式建造方式作為建筑工業(yè)化的表達方式，將其應用到地理位置優(yōu)越、經(jīng)濟相對發(fā)達的京津冀地區(qū)可以解決以上問題。

對于同一個住宅建筑來說，采用不同的節(jié)能設計標準，建筑的節(jié)能性和經(jīng)濟性無法通過實測或理論分析得出，模擬研究通常是最佳選擇[3]。本文使用DeST-h住宅建筑全年動態(tài)模擬軟件，對典型住宅建筑能耗進行動態(tài)模擬，依據(jù)節(jié)能標準對外墻、門窗、屋頂、窗墻比的不同要求分別選取符合節(jié)能標準（50%、65%、75%）的圍護結構構造和參數(shù)，并進行裝配式建筑模塊化拆分，對京津冀地區(qū)農(nóng)村節(jié)能住宅建筑進行節(jié)能性、經(jīng)濟性和環(huán)境效益分析，為京津冀地區(qū)農(nóng)村裝配式住宅建筑提供基于節(jié)能標準的節(jié)能設計方案。

1 京津冀地區(qū)農(nóng)村建筑現(xiàn)狀

1.1 建筑節(jié)能現(xiàn)狀

調(diào)研測試數(shù)據(jù)[4-8]顯示，京津冀地區(qū)農(nóng)村無集中供暖，主要以分散型采暖為主，住宅建筑單位面積耗熱量31～120 W/m2，耗標準煤量14～50 kg/m2，室內(nèi)平均采暖溫度5.0～17.1℃，外墻的傳熱系數(shù)為1.5～2.2 W/（m2·K），門的傳熱系數(shù)為2.7～3.2 W/（m2·K），窗的傳熱系數(shù)為4.7～5.0 W/（m2·K），屋頂?shù)膫鳠嵯禂?shù)為2.00～3.59 W/（m2·K）。其中只有極少部分達到節(jié)能50%設計標準要求。表1為我國不同建筑節(jié)能設計標準的要求，參考標準分別為JGJ 26—95《民用建筑節(jié)能設計標準（采暖居住建筑部分）》（節(jié)能50%設計標準）、JGJ 26—2010《嚴寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設計標準》（節(jié)能65%設計標準）、DBJ 01-602—2004《北京市居住建筑節(jié)能設計標準》（節(jié)能65%設計標準）、DBJ 11-891—2012《北京市居住建筑節(jié)能設計標準》（節(jié)能75%設計標準）。

表1 居住建筑節(jié)能設計標準

1.2 建造方式現(xiàn)狀

根據(jù)京津冀地區(qū)三農(nóng)普查數(shù)據(jù)[9-11]，農(nóng)村住宅建筑以磚混結構最多，占60.4%，其次是磚木（石）結構占30.6%。京津冀地區(qū)的建造模式有2種：第1種是戶主自己組織瓦匠建房，第2種是施工隊承包建房，2種方式的建筑材料均由戶主自行購買，建房過程中戶主對建筑材料的使用帶有主觀的判斷。這種建造模式自主進行，但也會帶來建房不安全、材料浪費等問題。近年來，農(nóng)村建筑建造方式已經(jīng)逐漸由圖1（a）所示的傳統(tǒng)建造方式進展到圖1（b）所示的框架房屋建造方式，這種方式建房速度快，結構安全。隨著裝配式建筑政策的發(fā)布，裝配式建造方式進入到農(nóng)宅建筑領域，施工現(xiàn)場相對干凈、建筑垃圾少。裝配式建造方式作為建筑工業(yè)化的表達方式，在京津冀地區(qū)農(nóng)村地區(qū)實行裝配式節(jié)能建筑有其可行性和必要性。

圖1 京津冀地區(qū)農(nóng)村住宅建筑建造方式

2 能耗模擬

2.1 模擬方案

根據(jù)數(shù)據(jù)調(diào)研和現(xiàn)場測試結果，對實際建筑進行模型建立和能耗模擬，并在此模型上根據(jù)節(jié)能設計標準對節(jié)能50%建筑、節(jié)能65%建筑、節(jié)能75%建筑增加圍護結構節(jié)能技術，4種模擬方案見表2，驗證采用不同節(jié)能標準的圍護結構節(jié)能技術對建筑本體的節(jié)能效果。

表2 建筑本體各方案節(jié)能技術

2.2 模型建立

選取北京市郊區(qū)某典型農(nóng)村住宅建筑為模擬研究對象（[圖2（a）]。該建筑共1層，總建筑面積82.14 m2，建筑高度3.5 m、長7.4 m、寬11.1 m，屋頂為坡屋頂，建筑體形系數(shù)為0.736。主要功能房間為客廳、主臥、次臥、雜物儲物間、糧食儲物間等，衛(wèi)生間在院落中設置。使用DeST-h住宅建筑全年動態(tài)模擬軟件對建筑能耗進行動態(tài)模擬，建模時需要根據(jù)每個建筑的實際情況對模型做出簡化，院落是暴露在室外的開放環(huán)境，建模時設置為室外，根據(jù)平面圖在軟件中建立4個模型，既有建筑模型如圖2（b）所示。

圖2 既有建筑模型

2.3 建筑圍護結構參數(shù)設置

既有建筑圍護結構傳熱系數(shù)見表3，體形系數(shù)保持0.736不變，當體形系數(shù)較大時，按照不同節(jié)能設計標準建議的圍護結構的限值設置其他3個模型的圍護結構參數(shù)見表4，窗墻比見表5，表4的圍護結構傳熱系數(shù)模擬參數(shù)中除節(jié)能50%建筑屋頂未嚴格按照設計標準選取參數(shù)外，其他參數(shù)均在標準限值內(nèi)。

表3 既有建筑各圍護結構傳熱系數(shù)[12]

表4 不同建筑節(jié)能設計標準圍護結構傳熱系數(shù)W/（m2·K）

表5 不同建筑節(jié)能設計標準窗墻比

2.4 圍護結構構造形式

外墻保溫的主要形式分為內(nèi)保溫、外保溫和夾芯保溫。針對節(jié)能設計，首選外保溫，外保溫相對內(nèi)保溫和夾芯保溫，具有以下優(yōu)勢[13]：（1）外保溫可有效消除“熱橋”影響；（2）外保溫層對主體建筑起到保護層的作用，避免外界環(huán)境對結構的破壞，降低外墻內(nèi)外表面溫差，保溫效果好；（3）外保溫層的厚度不受室內(nèi)面積的影響，不會縮減用戶的居住面積。

外墻、屋頂、門窗構造如圖3～圖5所示。外墻保溫采用了膨脹聚苯板（30、80 mm厚）、擠塑聚苯板（70 mm厚）等材料，通過改變保溫層的厚度、磚的種類及厚度對外墻參數(shù)進行設置。屋頂保溫采用了膨脹聚苯板、EPDM薄膜材料，通過改變保溫層的厚度、混凝土的種類及厚度對屋頂參數(shù)進行設置。外窗窗框采用通體鋁合金、斷橋鋁合金材料，玻璃分別采用3.25+15A+5、2.65+15A+5、6+12A+6組合。外門的材料設置同外窗一致。

圖3 節(jié)能50%圍護結構構造示意

圖4 節(jié)能65%設計標準圍護結構構造示意

圖5 節(jié)能75%設計標準圍護結構構造示意

2.5 熱源及室內(nèi)溫度設置

2017年以來，北京市郊區(qū)農(nóng)村已經(jīng)禁止燃燒散煤，采用燃氣供暖、電暖氣供暖代替燃煤供暖。其中臥室、廚房和客廳采用暖氣片末端裝置供暖，儲物間不供暖，采暖形式為壁掛式分戶燃氣爐供暖，熱源設置為天然氣。

根據(jù)GB 50736—2012《民用建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設計規(guī)范》規(guī)定，室內(nèi)空調(diào)設定最高溫度26℃，最低溫度18℃，最高相對濕度80%，最低相對濕度20%，容忍溫度上限29℃，容忍溫度下限16℃。

2.6 結果驗證

4個模型的節(jié)能效果對比見圖6。

圖6 節(jié)能效果對比

由圖6可見，對比4個模型在1月19日的房間室內(nèi)自然室溫顯示，節(jié)能50%、65%、75%建筑模型分別比既有建筑模型自然室溫提高3.8～5.3℃、6.2～11℃、10.2～17.9℃。節(jié)能50%、65%、75%建筑模型的熱負荷分別比既有建筑模型降低6.28、4.43、2.45 kW，4個模型的單位面積耗熱量分別為54.42、29.18、16.39、7.11 W/m2，單位面積耗標準煤分別為31.8、11.6、6.5、2.85 kg/m2。

在DeST-h圍護結構設置中，4個模型的圍護結構參數(shù)中體形系數(shù)和地面?zhèn)鳠嵯禂?shù)不滿足節(jié)能設計標準的建議值，此外節(jié)能50%建筑屋頂?shù)膫鳠嵯禂?shù)不滿足建議值[建議值為0.600 W/（m2·K）]，模擬中設置的傳熱系數(shù)為0.639 W/（m2·K），相差0.039 W/（m2·K），模擬結果耗煤量在標準范圍內(nèi)?？梢钥闯觯谠O計標準中，并不是所有圍護結構均滿足設計標準才能達到節(jié)能要求，滿足節(jié)能要求相對重要的因素是門窗、外墻、屋頂?shù)膮?shù)設置。依據(jù)節(jié)能設計標準來設計，建筑本體的能耗嚴格控制在節(jié)能范圍內(nèi)。

3 農(nóng)村裝配式節(jié)能建筑

基于前述的驗證分析，農(nóng)村住宅建筑依照節(jié)能設計標準建造房屋具有可觀的節(jié)能效果，隨著農(nóng)村經(jīng)濟條件和居民生活水平的提高，京津冀地區(qū)農(nóng)村裝配式房屋市場需求量呈增加趨勢，要想真正實現(xiàn)農(nóng)村裝配式建筑的節(jié)能，需要嚴格依照節(jié)能設計標準選取圍護結構的參數(shù)。因此建議裝配式節(jié)能住宅建筑按照節(jié)能標準設計房屋。對前述的3種方案（節(jié)能50%建筑、節(jié)能65%建筑、節(jié)能75%建筑）進行裝配式建筑設計。

3.1 主體結構體系

目前，我國裝配式建筑以鋼筋混凝土結構為主，鋼結構次之，木結構與竹結構較少。但從農(nóng)村建筑節(jié)能推廣的角度考慮，宜首選輕鋼結構[14]。輕鋼結構的使用年限為50年，并且系統(tǒng)中采用的鍍鋅彩鋼圍護在15～20年內(nèi)無需大范圍的維護保養(yǎng)，而傳統(tǒng)磚混結構5～7年就需要粉刷等保養(yǎng)工作。低層住宅（1~6層）適合使用輕鋼龍骨體系、純框架體系、鋼框架-支撐體系[15]。

輕鋼結構的優(yōu)點[16]：（1）相比于混凝土結構的推倒重建，鋼結構有利于農(nóng)村危房改造，可直接在既有混凝土房屋上直接改造，對新建建筑來說結構穩(wěn)定性更好；（2）抗震性能強，質(zhì)量輕，裝配式輕鋼結構施工材料較輕；（3）裝配率高，在輕鋼結構裝配式建筑中，基本不需要現(xiàn)澆部分；（4）綠色環(huán)保，輕鋼結構建筑部件在工廠制作，在現(xiàn)場完成部品構件的連接即可，施工過程多為干式作業(yè)，減輕現(xiàn)場的建筑垃圾處理，不僅降低施工現(xiàn)場的粉塵污染和噪聲污染，也方便后期維修。

建筑的平面和立面如圖7所示，建筑的模塊化拆分如圖8（b）所示，分為部件1、部件2、部件3。部件1由2面預制外墻和1面預制內(nèi)墻組成，包括雜物儲物間和主臥室；部件2由2面預制外墻和3面預制內(nèi)墻組成，包括廚房和客廳；部件3由3面預制外墻和1面預制內(nèi)墻組成，包括糧食儲物間和次臥室。

圖7 建筑平面和立面示意

圖8 建筑框架和部件示意

3.2 外圍護系統(tǒng)

裝配式鋼結構建筑外圍護系統(tǒng)包括外墻體、屋頂、門窗3個主要部分[17]。預制外墻板材料見表6，主要為碳酸鈣板、泡沫混凝土，保溫材料為石墨聚苯板（70 mm厚）。預制屋頂材料見表7，主要為多孔混凝土、鋼筋混凝土，保溫材料為膨脹聚苯板（50、70 mm厚）。預制外窗材料見表8，窗框為通體鋁合金，門框為通體鋁合金和斷橋鋁合金。

表6 裝配式節(jié)能建筑方案外墻熱工參數(shù)

表7 裝配式節(jié)能建筑方案屋頂熱工參數(shù)

表8 裝配式節(jié)能建筑方案外窗熱工參數(shù)

按照不同的節(jié)能設計標準，選擇不同的建筑材料制作構件，各構件需要在工廠完成預制，部件及構件拆分如圖9所示。在Revit軟件中建立構件庫并編號[18]。工廠預制階段包括構件拆分、部品采購、構件加工、構件分級裝配等程序。以部件1為例進行構件拆分示意，如圖10所示，主要圍護結構裝配工作包括外墻板、維護面板、輕鋼龍骨、內(nèi)飾面、地板、樓板、找平層、內(nèi)部機電管線、預留預裝設備層等。

圖9 部件及構件示意

圖10 部件1部分圍護結構安裝分解軸測示意

3.3 裝配式建筑施工

將鋼結構框架、預制構件運輸?shù)浆F(xiàn)場，在現(xiàn)場按部件順序組裝完成，各個構件出廠有二維碼和安裝說明，現(xiàn)場需要4～5名裝配式建筑安裝工人根據(jù)施工說明進行安裝。農(nóng)村住宅建筑面積小，需要1輛吊裝車、1輛施工車，鋼結構不需要現(xiàn)場澆筑，現(xiàn)場施工示意如圖11所示。

圖11 裝配式節(jié)能建筑現(xiàn)場施工示意

4 經(jīng)濟效益分析

從農(nóng)村建筑節(jié)能推廣的角度，分別對節(jié)能50%、65%、75%建筑就傳統(tǒng)建造方式和裝配式建造方式進行建造階段經(jīng)濟性分析和環(huán)境效益分析。

傳統(tǒng)建筑建造階段成本主要包括人工費、材料費、機械費[19]。相關材料廠家的報價見表9。計算得出既有建筑需花費材料費253元/m2，節(jié)能50%建筑需花費材料費335元/m2，節(jié)能65%建筑需花費材料費623元/m2，節(jié)能75%建筑需花費材料費1266元/m2。機械費用200元/m2，人工費用400元/m2。

表9 建筑材料單價

裝配式住宅在建造階段的成本主要包括工廠預制費，構配件運輸費，現(xiàn)場施工安裝費用。其中輕鋼結構住宅的固定資產(chǎn)攤銷費用約100元/m2，工廠預制人工費70元/m2，既有建筑材料費472元/m2，節(jié)能50%建筑材料費563元/m2，節(jié)能65%建筑材料費855元/m2，節(jié)能75%建筑材料費1480元/m2，運輸費用約10元/m2。現(xiàn)場施工安裝需要機械費約42元/m2，現(xiàn)場需要人工費324元/m2，輕鋼骨架造價150元/m2。傳統(tǒng)建造方式和裝配式建造方式建造階段成本見表10。

表10 建造階段成本及采暖成本

由表10可見，裝配式輕鋼結構單價比磚混結構貴300元/m2左右，同時滿足不同節(jié)能標準的建筑折合每年耗電分別為177.2、94.3、52.8、23.1 kW·h/m2，按照0.52元/（kW·h）電價計算，每年節(jié)省電費分別為43.20、64.70、80.20元/m2，從長期的消費來看，滿足節(jié)能標準的裝配式農(nóng)村住宅不僅能節(jié)省能源，而且可以節(jié)省采暖費用。

由前述分析可知，既有建筑模型模擬結果不滿足節(jié)能30%的要求，調(diào)研數(shù)據(jù)顯示只有極少部分能達到節(jié)能50%的要求，這一現(xiàn)狀距離北京市地區(qū)展開的第五步建筑節(jié)能要求（節(jié)能80%標準征求意見稿）較遠。節(jié)能65%比既有建筑節(jié)能提高35%，價格提高300元/m2左右，節(jié)能75%比既有建筑節(jié)能提高55%，價格提高600元/m2左右，綜合分析節(jié)能65%建筑的節(jié)能性和經(jīng)濟性，建議農(nóng)村建筑最低應達到節(jié)能65%設計標準要求。涉及到具體的住戶，可以根據(jù)住戶經(jīng)濟能力和對節(jié)能的要求進行不同節(jié)能建筑方案（65%、75%、80%）的選擇。

5 結語

（1）農(nóng)村住宅建筑的節(jié)能潛力很大，不同經(jīng)濟條件的用戶可以選擇滿足不同節(jié)能標準（50%、65%、75%）的節(jié)能方案，根據(jù)節(jié)能效果分析，建議農(nóng)村住宅最低應達到節(jié)能65%的設計標準要求。

（2）滿足節(jié)能指標并不是每一項圍護結構的熱工參數(shù)都必須達到要求，當體形系數(shù)和地面不滿足要求時，外墻、屋頂、門窗按照節(jié)能設計標準設置可以達到節(jié)能指標。

（3）裝配式建筑建造方式比傳統(tǒng)現(xiàn)澆方式貴300元/m2左右，節(jié)能效益是每年節(jié)省20元/m2左右。從長遠來看，農(nóng)村裝配式節(jié)能建筑具有良好的效果。

（4）裝配式鋼結構有利于農(nóng)村節(jié)能方案的實施和推廣，構件按照規(guī)范進行編號，在工廠預制完成，有利于節(jié)能材料的標準化選取。