基于能耗模擬的皖南徽派民居節(jié)能改造研究

李雪平， 張 引

(西安科技大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院， 陜西 西安 710054)

改革開放以來我國經(jīng)濟繁榮發(fā)展，建筑業(yè)的興起使得我國建筑建設(shè)量達到世界第一[1]。據(jù)統(tǒng)計，2017年我國農(nóng)村建筑面積占全國建筑面積的33.99%，農(nóng)村住宅能耗(除采暖以外)為2.23億標(biāo)煤，占全國建筑能耗的23.55%[2]，傳統(tǒng)民居的高耗能無疑加劇了不可再生資源的短缺，也給環(huán)境帶來了極大負(fù)擔(dān)，是我國建筑節(jié)能發(fā)展迫切需要解決的問題，因此，大量學(xué)者開始關(guān)注農(nóng)村地區(qū)傳統(tǒng)民居的節(jié)能改造。使用新材料和新技術(shù)是既有民居改造的主要方式[3]，集中體現(xiàn)在對圍護結(jié)構(gòu)的加固和保溫上。研究發(fā)現(xiàn)，夏熱冬冷地區(qū)外墻最佳保溫厚度范圍為14～50 mm[4-5]，夏季可以通過增加外窗和遮陽進行改善，但南向外窗得熱能力遠大于散熱能力，因此增加外窗通風(fēng)的同時，應(yīng)注意控制建筑體型[6]；采用低透光率的玻璃材料對建筑室內(nèi)環(huán)境的改善效果更佳[7]。清潔能源利用可以帶來較大的環(huán)境效益，使用太陽能、風(fēng)能等自然資源代替一次能源不僅具有良好的經(jīng)濟效益，同時也能保護生態(tài)環(huán)境[8]。借助軟件計算建筑能耗、分析方案可行性，是建筑節(jié)能改造的趨勢，例如英國學(xué)者采用EnergyPlus和TRNSYS能耗模擬軟件分析影響建筑能耗的因素，并提出了零能耗建筑優(yōu)化策略[9]；EnergyPlus還可以分析外墻結(jié)構(gòu)節(jié)能效果的影響因素[10]。芬蘭學(xué)者通過改變建筑圍護結(jié)構(gòu)變量，結(jié)合IDA、 ICE建筑性能模擬軟件，對住宅建筑進行系統(tǒng)優(yōu)化，降低了建筑碳排放[11]。利用BIM可以有效降低改造過程中建筑材料的浪費和避免設(shè)計過程中管線碰撞等錯誤[12]。以上對建筑節(jié)能的探究給徽派民居改造提供了借鑒，但結(jié)合黃山地區(qū)地理環(huán)境特點進行民居改造的研究仍較少。

傳統(tǒng)民居作為極具地方特色的建筑，其傳承和發(fā)展備受關(guān)注。研究徽派民居節(jié)能策略，不僅有利于響應(yīng)建筑學(xué)科對節(jié)能、環(huán)保的倡議，更能體現(xiàn)出對傳統(tǒng)民居的保護、發(fā)展以及對文化的傳承。本文從降低徽派傳統(tǒng)民居能耗的角度出發(fā)，提出民居節(jié)能改造方案，并分析方案節(jié)能效果。

1 研究方法

徽派民居起源于歷史悠久的古徽州地區(qū)，歙縣在宋朝被設(shè)立為古徽州地區(qū)的府治，是徽州文化的發(fā)源地，境內(nèi)的徽州古城是我國保存最完好的四大古城之一，其中的古民居比其他縣鎮(zhèn)更為豐富，更有代表性[13]，因此本文對皖南徽派民居的研究就從歙縣展開。通過對歙縣徽派民居進行實地調(diào)研，發(fā)現(xiàn)尚在使用的傳統(tǒng)民居由于建造年代久遠，普遍存在外墻風(fēng)化嚴(yán)重、建筑密閉性差、運行能耗高等問題。當(dāng)?shù)孛窬佣酁?～3層的單體建筑，體形系數(shù)遠高于城鎮(zhèn)建筑，民居構(gòu)造特征為外墻厚、屋頂薄，單薄的屋頂和隔墻保溫隔熱性能弱；窗戶多為木質(zhì)窗框和單層玻璃，木料長時間被風(fēng)雨侵蝕，使得木板密實度降低，板間拼合縫隙的增大使得外窗保溫隔熱性能大大降低。受徽州地區(qū)歷史和文化因素的影響，建筑立面極少開窗或開小窗，室內(nèi)采光效率低，承擔(dān)主要采光功能的天井因為尺寸較小，只能提供天井周圍空間部分采光，由于歙縣地區(qū)多陰雨天氣，紫外線較弱，室內(nèi)通常十分昏暗[14]，加上當(dāng)?shù)鼐用窆?jié)能意識不強，導(dǎo)致民居遠達不到節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)。

總結(jié)調(diào)研結(jié)果，選取具有代表性的民居作為改造對象，使用由清華大學(xué)開發(fā)的DeST能耗模擬軟件，對改造前后建筑的全年冷、熱負(fù)荷進行計算。具體改造方案為：在民居現(xiàn)有圍護結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對外墻和屋頂加設(shè)保溫層，更改外窗材料，通過軟件計算不同方案節(jié)能率，結(jié)合方案經(jīng)濟效益和環(huán)境效益確定最佳方案，并模擬最佳方案下建筑室內(nèi)外溫度，與民居實測溫度進行對比，直觀反映民居節(jié)能效果。

2 民居模型概況

2.1 基本信息

徽派民居布局一般為“凹”形、“回”型和“H”型等形式，本文選取位于歙縣古城一棟典型的“回”字型天井傳統(tǒng)民居進行建模分析。民居共兩層，坐北朝南，總面積360 m2，平面圖如圖1所示。民居一層高為3.6 m，二層層高2.7 m，一層僅在衛(wèi)生間開窗，二層南向房間、北向廂房和衛(wèi)生間均開外窗，東西方向外墻均未開窗，衛(wèi)生間窗戶尺寸0.9 m×0.9 m，其他窗戶尺寸均為1.5 m×1.5 m，屋頂為坡屋頂，建筑體型系數(shù)為0.432。樓梯間與起居室相連，按起居室處理，天井房間樓地面、內(nèi)墻和天花板均設(shè)置為虛擬圍護結(jié)構(gòu)，天井向室內(nèi)房間均設(shè)置通風(fēng)。DeST模型如圖2所示。

圖1 傳統(tǒng)民居層平面圖(單位：mm)Fig.1 Floor plan of traditional residential buildings(unit：mm)

圖2 DeST模型Fig.2 DeST model

2.2 參數(shù)選取

2.2.1圍護結(jié)構(gòu)

民居外墻為厚度350 mm的空斗墻，空斗墻砌法特殊，青磚中留有空氣夾層以降低墻體傳熱系數(shù)，可有效隔絕夏季室外高溫。司鵬飛等[15]通過數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)計算空斗墻的傳熱系數(shù)，得到空斗墻平均傳熱系數(shù)公式為：

K=KkA+KsB

(1)

式中：K為墻體平均傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；Kk為空心墻體傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；Ks為搭接磚墻體傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；A為空心墻體占整面墻的比例；B為搭接磚墻體占整面墻的比例。

將實測溫度數(shù)據(jù)代入，計算得到民居外墻傳熱系數(shù)在0.7 W/(m2·K)左右。為了保證DeST模型的準(zhǔn)確性，在外墻構(gòu)造中加入空氣層，并使得傳熱系數(shù)接近0.7 W/(m2·K)；屋頂為建筑熱損失第二的部位，該民居屋頂為傳統(tǒng)的梁-椽-望板-柴泥-蓋瓦結(jié)構(gòu)，保溫效果不佳；民居門窗皆為木質(zhì)，玻璃為普通6 mm單層玻璃。圍護結(jié)構(gòu)材料及熱工參數(shù)如表1所示。

表1 圍護結(jié)構(gòu)材料及熱工參數(shù)Tab.1 Enclosure materials and thermal parameters

2.2.2室內(nèi)熱擾

民居主要房間室內(nèi)熱擾情況見表2。

表2 室內(nèi)熱擾情況Tab.2 Indoor thermal disturbance

2.3 房間溫度

民居冬季室內(nèi)外實測溫度與模擬溫度見圖3。分析測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，民居室外平均溫度為3.5 ℃，溫度波動較大，室內(nèi)溫度較低，廳堂和廂房是休息和活動的主要場所，平均溫度為3.4 ℃、4.2 ℃，最高溫度分別為3.8 ℃、5.5 ℃，溫度波幅分別為0.4 ℃、1.3 ℃，遠低于人體舒適溫度16 ℃～25 ℃。民居室外與廳堂和廂房的溫差最大值分別為4.3 ℃和3.5 ℃，圍護結(jié)構(gòu)保溫效果不佳。通過DeST軟件模擬民居房間在無主動采暖且門窗關(guān)閉狀態(tài)下的室內(nèi)溫度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，軟件模擬的室內(nèi)溫度與實測溫度基本一致，因此可以使用DeST軟件對節(jié)能改造后的民居室內(nèi)溫度進行模擬預(yù)測。

圖3 民居室內(nèi)外溫度Fig.3 Indoor and outdoor temperature of residential buildings

3 節(jié)能方案的提出及比選

3.1 圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能方案

3.1.1外墻

研究發(fā)現(xiàn)，嚴(yán)寒、寒冷地區(qū)應(yīng)用外墻外保溫形式效果更佳，而夏熱冬冷地區(qū)使用內(nèi)外保溫皆可。對徽派民居外墻加設(shè)保溫層進行能耗模擬，分析內(nèi)、外保溫及保溫層厚度對建筑能耗的降低效果。在符合《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ 134—2010)[16]外墻參數(shù)要求的前提下，選擇保溫材料為聚苯乙烯板(EPS)、擠塑聚苯乙烯板(XPS)，厚度范圍10～100 mm；巖棉板厚度范圍40～120 mm，能耗模擬結(jié)果如圖4所示。

圖4 建筑負(fù)荷與外墻保溫層厚度變化關(guān)系Fig.4 Relationship between building load and thickness of external wall insulation layer

結(jié)果顯示，隨著保溫板材厚度的增加，建筑全年累計負(fù)荷有很大程度的降低，外墻改造對建筑的保溫作用十分明顯。這是由于外墻傳熱系數(shù)降低，蓄熱能力提高，可以降低建筑在極端溫度時的空調(diào)和采暖能耗。建筑熱負(fù)荷降低較冷負(fù)荷更快，這是由于徽派民居的防熱設(shè)計使得民居夏季對空調(diào)依賴較少，反而冬季采暖需求更大，因此節(jié)能改造對熱負(fù)荷影響更明顯。三種保溫板材均有較好的節(jié)能效果，其中EPS、XPS板外保溫節(jié)能效果最佳，每增加保溫厚度10 mm，最大節(jié)能效率分別提升4.4%和6.0%，巖棉板節(jié)能效果最差。但EPS、XPS板材在外保溫厚度達到70 mm后，能耗曲線趨于平緩，節(jié)能效果有限。由于兩種板材價格都相對較低，因此選取厚度為70 mm的EPS、XPS板為外墻節(jié)能較優(yōu)方案。

3.1.2屋頂

民居屋頂長期受到風(fēng)雨侵蝕，使得瓦片、木板風(fēng)化嚴(yán)重，單薄的屋頂很難起到建筑保溫作用。因此對民居屋頂加設(shè)保溫層，并進行建筑負(fù)荷計算。方案共選取三種保溫材料，分別為聚苯乙烯板、擠塑聚苯乙烯板和泡沫玻璃板，厚度范圍10～100 mm，模擬結(jié)果見圖5。

圖5 建筑負(fù)荷與屋頂保溫層厚度變化關(guān)系Fig.5 Relationship between building load and thickness of roof insulation layer

由圖5可見，隨著保溫板材厚度的增加，全年累計負(fù)荷明顯降低，說明屋頂是建筑保溫中極其重要的構(gòu)件。XPS保溫板節(jié)能效果最佳，保溫厚度每增加10 mm，最大節(jié)能效率提升12.9%，其次為EPS板，保溫厚度每增加10 mm，最大節(jié)能效率提升10.5%，泡沫玻璃板節(jié)能效果最差。XPS板在厚度達到70 mm后，能耗曲線趨于平緩，節(jié)能率很低，EPS板在厚度達到80、90 mm后節(jié)能效果有限，又因為XPS板硬度大，適宜做屋頂保溫材料，且兩種板材價格低廉，因此選取厚70 mm的XPS板和厚80 mm、90 mm的EPS板為屋頂節(jié)能較優(yōu)方案。

3.1.3外窗

民居外窗為木質(zhì)窗框加單層6 mm玻璃，一層僅在衛(wèi)生間有一小窗，二層開有大窗，民居一層通風(fēng)較差，窗框風(fēng)化嚴(yán)重，與墻體之間空隙較大，單層玻璃難以隔絕室外極端溫度。因此，為民居選取不同類型玻璃材料，對每一種窗戶類型進行能耗計算，并分析其節(jié)能效率，不同玻璃材料對建筑能耗的影響如表3所示。

Low-e玻璃可以高度過濾中遠紅外線，并對可見光具有高度透過性，使得建筑在保證采光效果的同時，能減少室內(nèi)外熱交換。由表3可知，Low-e玻璃窗節(jié)能效果較好，其中，使用低透型鍍Low-e膜玻璃窗和加惰性氣體的鍍Low-e膜玻璃外窗建筑能耗最低，節(jié)能率均為6.5%，其次為高透型鍍Low-e膜玻璃窗，節(jié)能率6.4%。由于民居開窗較少，外窗材料對能耗影響小，且民居地處農(nóng)村地區(qū)，因此應(yīng)優(yōu)先考慮方案的經(jīng)濟性，結(jié)合民居采光的高需求，選擇高透型鍍Low-e膜玻璃窗和6 mm+12 mm 空氣+6 mm玻璃窗為外窗節(jié)能最優(yōu)方案。

表3 窗戶類型對建筑能耗的影響Tab.3 Influence of window type on building energy consumption

3.2 能耗模擬正交試驗

為了驗證不同結(jié)構(gòu)節(jié)能方案之間的相互影響，對外墻、外窗和屋頂?shù)妮^優(yōu)節(jié)能方案進行能耗模擬正交試驗，圍護結(jié)構(gòu)較優(yōu)方案見表4，正交試驗見表5。計算表5中12種方案的建筑能耗，結(jié)果見表6。由表6可知，通過為外墻、屋頂增設(shè)保溫層、改變窗戶材料，提升了建筑整體的保溫性能，使得建筑全年累計能耗明顯降低；不同組合節(jié)能方案的全年累計負(fù)荷的節(jié)能率在62.8%～68.8%之間，其中方案6節(jié)能效果最佳，節(jié)能率高達68.8%。

表4 圍護結(jié)構(gòu)較優(yōu)節(jié)能方案Tab.4 Superior energy-saving scheme of enclosure structure

表5 正交實驗表Tab.5 Orthogonal test table

表5(續(xù))

表6 正交模擬結(jié)果Tab.6 Orthogonal simulation results

3.3 經(jīng)濟性分析

根據(jù)《民用建筑設(shè)計通則》(GB 50352—2005)[17]，古徽州地區(qū)屬于夏熱冬冷地區(qū)，是國家非采暖地區(qū)，因此民居冷熱源均為空調(diào)，運行費用主要為電費，使用凈現(xiàn)值法比較節(jié)能方案的經(jīng)濟性。經(jīng)市場調(diào)研，設(shè)折現(xiàn)率為4.35%，歙縣當(dāng)?shù)仉娰M標(biāo)準(zhǔn)0.5元/(kW·h)，EPS、XPS保溫板價格分別為410元/m3、460元/m3，高透型Low-e玻璃、普通中空玻璃(12 mm)價格分別為120元/m2、80元/m2，使用年限為20年，根據(jù)凈現(xiàn)值公式：

(2)

式中：NPV為凈現(xiàn)值，元；CI為年節(jié)約費用，元；CO為初始投資費用，元；i為折現(xiàn)率，%；t為使用年限，年。

計算得到各方案凈現(xiàn)值，如圖6所示。由圖6可見，12種節(jié)能方案的凈現(xiàn)值均大于零，方案均可行。其中，方案3、6、12凈現(xiàn)值較大，運用動態(tài)及靜態(tài)回收期計算公式，對方案3、6、12的改造費用和每年收益情況進行分析，結(jié)果見表7。靜態(tài)投資不考慮時間對資金的影響，動態(tài)回收期考慮時間、折現(xiàn)率的影響，動態(tài)回收期從改造第2年開始產(chǎn)生折現(xiàn)率，R=1/(1+i)n。

圖6 圍護結(jié)構(gòu)改造方案凈現(xiàn)值Fig.6 Net present value of enclosure reconstruction scheme

由表7可知，凈現(xiàn)值較高的三種方案中，方案12經(jīng)濟效益最高，雖然凈現(xiàn)值略低于方案6，但該方案投資回收期最短，初期投資最低，當(dāng)?shù)鼐用窀菀捉邮?，綜合考慮節(jié)能和經(jīng)濟性，選擇方案12作為民居最優(yōu)圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能方案，方案節(jié)能率為66.4%，靜、動態(tài)投資回收期分別為8.15年、10.32年，節(jié)能率滿足要求，經(jīng)濟效益高，因此認(rèn)為該方案在節(jié)能改造中可行。

表7 不同節(jié)能方案經(jīng)濟性對比Tab.7 Economic comparison of different energy-saving schemes

3.4 節(jié)能效果分析

通過分析民居室內(nèi)熱環(huán)境來驗證節(jié)能改造方案的實際效果。由圖3可知，DeST軟件對建筑室內(nèi)溫度的模擬接近實測值，因此，可按照方案12模擬改造后民居的室內(nèi)溫度，并與實測溫度進行對比，以驗證節(jié)能改造對室內(nèi)溫度的提升效果，如圖7所示。結(jié)果顯示，改造后民居冬季室內(nèi)溫度有明顯提升，廂房平均溫度由4.5 ℃提升至8.6 ℃，廳堂平均溫度由3.2 ℃提升至9.4 ℃，且室內(nèi)溫度更穩(wěn)定，溫差很小，節(jié)能改造大大提升了民居室內(nèi)熱舒適性。

圖7 節(jié)能改造前后民居室內(nèi)溫度Fig.7 Indoor temperature of residential buildings before and after energy-saving transformation

4 結(jié) 論

1) 經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)徽派民居建造時間久遠，構(gòu)件老舊，圍護結(jié)構(gòu)風(fēng)化嚴(yán)重，建筑能耗偏高，有較大節(jié)能改造空間，根據(jù)規(guī)范對民居圍護結(jié)構(gòu)加以改造，會帶來可觀的經(jīng)濟和環(huán)境效益。

2) 分析民居室內(nèi)外實測溫度：廳堂和廂房平均溫度分別為3.4 ℃、4.2 ℃，最高溫度分別為3.8 ℃、5.5 ℃，遠低于人體舒適溫度16 ℃～25 ℃，室內(nèi)物理環(huán)境差，舒適度低。模擬民居模型的室內(nèi)溫度與實測溫度相似度較高，可以使用模擬溫度預(yù)測節(jié)能后民居的室內(nèi)溫度。

3) 使用DeST軟件計算不同節(jié)能方案下民居的冷、熱負(fù)荷，對比各方案節(jié)能效率和經(jīng)濟收益，最終選擇節(jié)能方案為：外墻采用70 mm EPS外保溫；屋頂采用70 mm XPS保溫板；外窗玻璃采用6 mm+12 mm 空氣+6 mm。該方案節(jié)能率為66.4%，壽命期內(nèi)凈現(xiàn)值為13 433.97元。

4) 模擬最佳方案下民居室內(nèi)溫度：廂房平均溫度由4.5 ℃提升至8.6 ℃，廳堂平均溫度由3.2 ℃提升至9.4 ℃，且室內(nèi)溫度更穩(wěn)定，節(jié)能方案對民居室內(nèi)舒適度有很大提升。

本文的節(jié)能設(shè)計可有效提升皖南傳統(tǒng)民居的室內(nèi)舒適度，并降低建筑能耗，為民居的節(jié)能改造提供了理論依據(jù)。但由于受到能耗模擬中氣象參數(shù)及建筑模型的限制，本研究結(jié)果僅適用于歙縣周邊地區(qū)及相似氣候條件下的雙層天井民居，對于氣候差異和平面布局差距較大的民居節(jié)能設(shè)計，仍需要進行針對性的研究。