魯東地區(qū)既有農(nóng)宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能改造研究

郭 磊，齊子姝，郭利敏

吉林建筑大學(xué) 市政與環(huán)境工程學(xué)院,長(zhǎng)春 130118

0 引言

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化不斷加速,能源消耗迅速增長(zhǎng).2020年建筑能耗達(dá)到能源消耗總量35 %[1],其中農(nóng)村能耗將占全國(guó)建筑總能耗的37 %[2],采暖能耗占農(nóng)村能耗的70 %,較高的采暖能耗主要是由于農(nóng)村建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性差[3].因此,對(duì)既有農(nóng)村住宅建筑進(jìn)行節(jié)能改造已成為我國(guó)推進(jìn)節(jié)能減排的重要任務(wù).魯東地區(qū)為溫帶大陸性季風(fēng)氣候,夏季暖熱多雨,冬季寒冷干燥,采暖方式以燃煤為主.由于經(jīng)濟(jì)條件和技術(shù)工藝限制,舊有農(nóng)宅多由磚和木材搭建而成，相互獨(dú)立且體形系數(shù)大,多采用單層玻璃木制門窗,而且絕大多數(shù)住宅墻面和屋面未采取保溫措施,導(dǎo)致農(nóng)宅能耗大且能源利用效率低.本文針對(duì)該地區(qū)農(nóng)村住宅特點(diǎn),設(shè)計(jì)計(jì)算模型,利用Designbuilder軟件模擬農(nóng)宅的能耗情況進(jìn)行經(jīng)濟(jì)可行性分析,得出適應(yīng)于不同消費(fèi)群體的圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能改造方案.

1 原始計(jì)算模型建立

山東省高密市后張魯村所處位置屬于我國(guó)寒冷地區(qū),按照《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50176-93),寒冷地區(qū)具有冬季較長(zhǎng)而且寒冷干燥的氣候特征,年平均氣溫12.3 ℃,1月份為全年的最冷月,平均氣溫為-3.3 ℃,采暖季為11月15日至次年的3月15日,共121 d.當(dāng)?shù)氐湫娃r(nóng)宅坐北朝南,單層,房屋東西長(zhǎng)為15 m,南北寬6 m,外墻為普通240 mm磚墻,內(nèi)墻為普通120 mm磚墻,窗戶為3 mm玻璃單層木窗,層高3.5 m,屋頂為斜屋頂,總建筑面積為90 m2,模型如圖1所示,圍護(hù)結(jié)構(gòu)具體性能參數(shù)見表1.

圖1 典型農(nóng)宅模型Fig.1 Typical farm house model

表1 模型建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Envelope parameters of model building

利用EnergyPlus的Designbuilder模塊數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行能耗模擬,根據(jù)非穩(wěn)態(tài)傳熱原理,對(duì)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)、空氣處理系統(tǒng)和暖通空調(diào)系統(tǒng)三大板塊進(jìn)行集成同步求解.該軟件采用熱平衡法模擬建筑的動(dòng)態(tài)負(fù)荷,且基于墻體內(nèi)表面溫度采用傳遞函數(shù)法CTF(cond-uction transfer function)模擬圍護(hù)結(jié)構(gòu)如墻體、屋頂、地板和窗戶等的瞬態(tài)傳熱[4].

設(shè)定室內(nèi)采暖控制溫度為18 ℃,并將換氣率設(shè)置為0.5 次/h.冬季人員活動(dòng)相對(duì)固定,全天3人,冬季平均服裝熱阻為1.23 clo.開燈時(shí)間分為6∶00～7∶00和19∶00～22∶00兩個(gè)時(shí)段,照明功率密度設(shè)為5.0 W/m2,忽略其他非加熱設(shè)備的散熱.通過(guò)DesignBuilder模擬計(jì)算,該住宅采暖季熱負(fù)荷指標(biāo)為51.0 W/m2,并不能滿足山東省節(jié)能65 %的規(guī)定值.為了提高農(nóng)村節(jié)能效率和農(nóng)村居民生活質(zhì)量,對(duì)既有農(nóng)村住宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行節(jié)能改造十分必要.

2 單因素對(duì)能耗的影響

通過(guò)對(duì)外墻構(gòu)造、屋頂構(gòu)造、外窗類型和南北向窗墻比進(jìn)行能耗模擬,并分析單一建筑構(gòu)件對(duì)建筑能耗的影響趨勢(shì),研究影響建筑能耗的因素取值范圍.

2.1 外墻保溫層厚度

外墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的重要組成部分,其熱工性能對(duì)建筑的能耗有較大影響.因此,加強(qiáng)外墻保溫是提高冬季室內(nèi)溫度、減少建筑能耗的有效途徑之一.農(nóng)村經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá),大多數(shù)農(nóng)戶為了節(jié)約建造成本一般不考慮加設(shè)保溫層.極少數(shù)農(nóng)戶會(huì)在加入秸稈作為外墻保溫材料,但由于施工不規(guī)范,后期維護(hù)得不到保障,墻體會(huì)有墻皮開裂和脫落現(xiàn)象,影響美觀和保溫性能.在保溫材料的選擇上,采用聚苯乙烯泡沫板作為模擬保溫材料,因?yàn)槠涑杀镜?、保溫性能?建筑能耗與保溫層厚度之間的定量關(guān)系及相應(yīng)的節(jié)能率如圖2所示.當(dāng)聚苯乙烯泡沫板的厚度在20 mm～100 mm之間時(shí),保溫層厚度的變化對(duì)節(jié)能率有重要影響,當(dāng)厚度達(dá)到100 mm時(shí),節(jié)能率達(dá)到41.5 %,節(jié)能量為69.4 kWh/m2.

圖2 建筑能耗與保溫層厚度之間的定量關(guān)系及節(jié)能率Fig.2 The quantitative relationship between building energy consumption and insulation layer thickness and energy saving rate

2.2 屋頂保溫層厚度

屋頂與外界的接觸面積僅次于外墻,對(duì)農(nóng)宅頂部空間進(jìn)行優(yōu)化改造可大幅度減少建筑能耗.魯東地區(qū)農(nóng)村的屋頂形式多為坡屋頂,屋面的主要材料為覆土、爐灰、茅草等,少數(shù)農(nóng)宅在屋面內(nèi)側(cè)采用天花板吊頂進(jìn)行隔熱.圖3顯示了在天花板和原屋面上加設(shè)不同厚度保溫層的能耗對(duì)比,故屋頂保溫形式選用在天花板上鋪設(shè)輕質(zhì)材料,這樣不但節(jié)省保溫材料,減少散熱面積,還可以減小施工難度并保留室內(nèi)空間的完整性.建筑能耗與保溫層厚度之間的定量關(guān)系及相應(yīng)節(jié)能率如4圖所示.對(duì)于屋頂,當(dāng)聚苯乙烯泡沫板的厚度在20 mm～80 mm之間時(shí),保溫層厚度的變化對(duì)節(jié)能率有重要影響,當(dāng)厚度達(dá)到80 mm時(shí),節(jié)能率達(dá)到22.9 %,住宅能耗降低38.3 kWh/m2.

圖3 不同保溫層厚度能耗對(duì)比Fig.3 Energy consumption of different insulation thickness

圖4 保溫層厚度與建筑能耗之間的定量關(guān)系及節(jié)能率Fig.4 The quantitative relationship between building energyconsumption and insulation layer thickness and energy saving rate

2.3 外窗類型

外窗是建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中保溫性能較弱的部分,為改善室內(nèi)熱環(huán)境,節(jié)約能源,對(duì)既有農(nóng)宅的外窗進(jìn)行更換.針對(duì)當(dāng)?shù)?種不同傳熱系數(shù)的窗戶類型目前的使用情況進(jìn)行選擇分析,見表2.

表2 外窗傳熱系數(shù)及建筑能耗Table 2 External window heat transfer coefficient and building energy consumption

根據(jù)表2中建筑能耗模擬計(jì)算可知,無(wú)論是單層玻璃還是雙層玻璃，只通過(guò)增加玻璃厚度的方式并不能顯著地降低能源消耗,采用加大空氣隔層的方法可一定程度上降低能耗.將3 mm雙層玻璃窗的空氣隔層由6 mm增加至13 mm厚度時(shí),住宅能耗降低3.8 kWh/m2.

2.4 窗墻比

窗墻比是節(jié)能設(shè)計(jì)的重要指標(biāo),其對(duì)采暖能耗的影響具有雙重性.一方面可以獲得更多的太陽(yáng)輻射,改善冬季室內(nèi)熱環(huán)境;另一方面,外窗的傳熱系數(shù)較大,導(dǎo)致采暖能耗增加.因此,應(yīng)根據(jù)性能要求和氣候條件確定合適的窗墻比.該地區(qū)的農(nóng)村民居通常只在南北兩側(cè)有窗戶,因此模擬了這兩個(gè)側(cè)面的窗墻比.當(dāng)南面窗墻比作為變量時(shí),北窗墻比為0，反之亦然.模擬結(jié)果如圖5，圖6所示.

圖5 南向窗墻比與能耗和太陽(yáng)輻射的關(guān)系Fig.5 Relationship among the south window-wall ratio,energy consumption and solar radiation

圖6 北向窗墻比與能耗和太陽(yáng)輻射的關(guān)系Fig.6 Relationship among the north window-wall ratio,energy consumption and solar radiation

由圖5所示可知,隨著南面窗墻比的增加,能耗線性下降.雖然增大外窗的尺寸會(huì)增加散熱面積,但可以引入更多的太陽(yáng)輻射,有利于降低能耗.由圖6可知，隨著北窗墻比的增加,能耗線性增加,窗墻比與能耗具有良好的線性擬合度和顯著的線性關(guān)系,窗墻比每增加10 %,南部和北部的能耗分別變化1.53 kWh/m2和2.14 kWh/m2.

3 全面節(jié)能改造

根據(jù)單因素對(duì)能耗影響的分析結(jié)果,將上述分析的5個(gè)單因素作為變量(外墻和屋頂?shù)谋睾穸取⑼獯邦愋?、南北窗墻?,根據(jù)能耗模擬情況,改造設(shè)計(jì)取值分別選取外墻保溫材料厚度為40 mm,60 mm,80 mm,100 mm,屋頂保溫材料厚度為20 mm,40 mm,60 mm,80 mm.考慮到節(jié)能、采光、結(jié)構(gòu)等方面的要求,外窗的傳熱系數(shù)為1.78 W/(m2·K),2.47 W/(m2·K),2.71 W/(m2·K),3.16 W/(m2·K),南窗墻比取0.3,0.4,0.5,0.6,北窗墻比取0.1,0.2,0.3,0.4.通過(guò)正交實(shí)驗(yàn),分析了最佳參數(shù)組合及其對(duì)建筑能耗的意義.

通過(guò)給出的正交表和能耗數(shù)據(jù),運(yùn)用極差分析法得到了最佳參數(shù)組合,以及對(duì)能耗影響的主次關(guān)系.如表3所示,量程越大,實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的變化越大,結(jié)果表明,各設(shè)計(jì)因素影響的重要性排序?yàn)?B(屋面保溫厚度)>A(外墻保溫厚度)>C(外窗類型)>E(北窗墻比)>F(南窗墻比).

表3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表Table 3 Orthogonal test designs table

本文以建筑能耗作為實(shí)驗(yàn)指標(biāo),因此指標(biāo)值越小,越有利于節(jié)能降耗.結(jié)合我國(guó)《農(nóng)村單體居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的相關(guān)規(guī)定,得出最佳參數(shù)組合為A4,B4,C1,D3,E2,對(duì)應(yīng)值分別為100 mm,80 mm,3 mm/13 mm雙層Low-E玻璃窗、0.5,0.2.該組合能耗為45.69 kWh/m2,與參考建筑相比,節(jié)能率為72.7 %.

4 節(jié)能改造經(jīng)濟(jì)性分析

既有農(nóng)村住宅節(jié)能改造措施在考慮技術(shù)條件的同時(shí),也應(yīng)該注重經(jīng)濟(jì)可行性.農(nóng)村居民對(duì)節(jié)能帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益并不清楚,其改造意愿和可以接受的投資金額極大地影響了改造方案制定和實(shí)施.將最佳參數(shù)組合中單因素進(jìn)行合理組合,得出的7種組合的成本也存在較大差異.按照表4已給出的改造成本,22 990 kJ的煤炭按照700元/t,計(jì)算得到不同改造方式的靜態(tài)投資回收期[5].

表4 農(nóng)村住宅節(jié)能量及改造投資回收期Table 4 Rural residential energy saving and payback period

通過(guò)建筑能耗計(jì)算和經(jīng)濟(jì)性分析,對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行單項(xiàng)節(jié)能改造時(shí),外墻進(jìn)行改造成本最低,節(jié)能效率最高,投資回收期最短,約為7年;對(duì)外墻和屋頂進(jìn)行綜合改造的節(jié)能率為59.5 %,投資回收期遠(yuǎn)低于其他改造方案,約為10年;對(duì)外窗、外墻和屋頂進(jìn)行綜合改造為最佳方案,雖然初期投資較大,為3.3萬(wàn)元,但其節(jié)能率高達(dá)72 %且投資回收期約為13年.根據(jù)經(jīng)濟(jì)性分析,明確不同改造方案的成本和投資回收年限,為農(nóng)戶提供恰當(dāng)合理的節(jié)能改造方案,以滿足農(nóng)戶對(duì)居住空間節(jié)能舒適的基本要求.

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)魯東地區(qū)既有農(nóng)宅的設(shè)計(jì)因素和建筑模擬能耗的定量分析得出如下結(jié)論:

(1) 根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果,在給定的參數(shù)值范圍內(nèi),設(shè)計(jì)因素影響的重要性排序?yàn)?屋面保溫厚度>外墻保溫厚度>外窗類型>北窗墻比>南窗墻比.

(2) 最佳參數(shù)組合為外墻加設(shè)100 mm厚保溫層、屋面加設(shè)80 mm厚保溫層、更換3 mm/13 mm雙層Low-E玻璃窗、設(shè)南向窗墻比為0.5、北向窗墻比為0.2.

(3) 在資金有限的情況下,將外墻加裝100 mm聚苯乙烯泡沫板作為首選方案,節(jié)能效果明顯,且投資回收期最短,約為7年.

(4) 在資金充裕且室內(nèi)舒適度要求高的情況下,對(duì)外墻和屋頂分別加設(shè)100 mm和80 mm聚苯乙烯泡沫板并更換3 mm/13 mm雙層Low-E玻璃窗為最佳方案,節(jié)能率高達(dá)72 %,投資回收期約為13年.

雖然農(nóng)村住宅節(jié)能改造可大幅度降低采暖季能耗,但改造前應(yīng)對(duì)農(nóng)宅進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全評(píng)估，不符合安全要求的既有農(nóng)宅不予實(shí)施節(jié)能改造，同時(shí)最大限度地保留農(nóng)村特色文化風(fēng)貌,因地制宜,選取最佳的節(jié)能改造方案.