寒冷地區(qū)農(nóng)村住宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計(jì)優(yōu)化研究

高雅琦，劉 輝，郭娟利

（1.天津城建大學(xué) 建筑學(xué)院，天津 300384；2.天津大學(xué) 建筑學(xué)院，天津 300072）

近年來(lái)我國(guó)有序推進(jìn)建筑節(jié)能與綠色建筑發(fā)展，2020 年《中國(guó)建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報(bào)告》顯示：2018年中國(guó)建筑能源消費(fèi)占全國(guó)能源消費(fèi)總量的22%，其中農(nóng)村居住建筑消耗能源占全國(guó)建筑能耗的21.6%；目前農(nóng)村居住建筑面積占全國(guó)建筑總面積的38.10%，共計(jì)229 億m2[1].雖然建筑總體能耗持續(xù)下降，但由于農(nóng)村居住建筑以自建自住為主，數(shù)量龐大、分布分散，沒(méi)有集中供暖和專業(yè)的節(jié)能設(shè)計(jì)，導(dǎo)致住宅冬季采暖能耗巨大，能源浪費(fèi)嚴(yán)重.

近年來(lái)，我國(guó)對(duì)節(jié)能建筑的重視程度增加，2017年我國(guó)發(fā)布《建筑節(jié)能與綠色建筑發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，表明節(jié)能建筑將成為日后建筑發(fā)展的趨勢(shì)[2]. 2020 年中央制定《國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和二〇三五年遠(yuǎn)景目標(biāo)建議》，要求加快推動(dòng)綠色低碳發(fā)展[3]. 村鎮(zhèn)住宅被動(dòng)式建筑節(jié)能技術(shù)研究是“十三五”項(xiàng)目研究課題的主要內(nèi)容，其以綜合能耗最低，成本最佳的雙目標(biāo)最優(yōu)為研究目標(biāo)，探討村鎮(zhèn)住宅適宜的被動(dòng)式技術(shù)設(shè)計(jì)策略.本文選取京津冀作為寒冷地區(qū)的典型地區(qū)，針對(duì)農(nóng)村住宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化研究，提出適宜當(dāng)?shù)剞r(nóng)村住宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)策略，實(shí)現(xiàn)節(jié)能75%、增量成本可控的目標(biāo).

1 背 景

2015 年4 月，中央發(fā)布《京津冀協(xié)同發(fā)展規(guī)劃綱要》，指出推動(dòng)京津冀協(xié)同發(fā)展是一項(xiàng)重大的國(guó)家戰(zhàn)略，鼓勵(lì)打破行政區(qū)域限制，促進(jìn)綠色低碳快速發(fā)展、生態(tài)保護(hù)與建設(shè)協(xié)同發(fā)展[4].按照我國(guó)熱工分區(qū)，京津冀地區(qū)屬于寒冷地區(qū)（B 區(qū)），全年日照時(shí)數(shù)2 600~3 000 h，全年太陽(yáng)總輻射為5 000~5 800 MJ/m2，可利用太陽(yáng)能資源豐富；冬季采暖天數(shù)114 d 左右，室外最低溫度-13 ℃，夏季最高溫度30 ℃，全年溫差較大[5].

進(jìn)入21 世紀(jì)以后，隨著新農(nóng)村建設(shè)浪潮的興起，京津冀地區(qū)農(nóng)村住宅平面布局相較之前更加豐富，開(kāi)始修建二層住宅，框架結(jié)構(gòu)隨之出現(xiàn)，預(yù)制板與混凝土現(xiàn)澆并存；但由于缺乏專業(yè)的設(shè)計(jì)指導(dǎo)，同時(shí)受施工技術(shù)的限制，導(dǎo)致住宅設(shè)計(jì)質(zhì)量不高且節(jié)能效果較差，居住舒適度有待提高[6].

2 京津冀地區(qū)農(nóng)村住宅現(xiàn)狀調(diào)研

2.1 節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)選擇

2012 年以來(lái)我國(guó)各省份相繼發(fā)布節(jié)能第四階段居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)規(guī)范，其中《北京市居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》DB11/891—2012 明確指出該規(guī)范適用于農(nóng)村地區(qū)自建住宅[7]，故選擇此規(guī)范作為本次研究的參考規(guī)范，傳熱系數(shù)限值見(jiàn)表1.

表1 傳熱系數(shù)限值

2.2 基礎(chǔ)情況調(diào)研

筆者通過(guò)對(duì)天津市、北京市、河北省農(nóng)村地區(qū)共計(jì)79 戶農(nóng)村住宅進(jìn)行現(xiàn)狀調(diào)研（見(jiàn)表2、表3），對(duì)調(diào)研結(jié)果進(jìn)行總結(jié)如下，調(diào)研的農(nóng)村住宅主要分為以下幾種.

（1）農(nóng)村住宅戶均常住人口數(shù)量為2~4 人，臥室數(shù)量為2~3 間，儲(chǔ)藏間數(shù)量為1~3 間，2000 年以后新建住宅廚房和衛(wèi)生間一般設(shè)置在正房?jī)?nèi)部.

（2）農(nóng)村住宅正房一般為3 開(kāi)間或4 開(kāi)間，坐北朝南，開(kāi)間3~4.2 m，進(jìn)深4.2~5.4 m，住宅層數(shù)以單層居多.

（3）客廳位于正房中心位置，面積12~20 m2不等，臥室置于兩側(cè)，面積12~20 m2，廚房和衛(wèi)生間面積無(wú)固定大小.

表2 現(xiàn)狀調(diào)研結(jié)果

表3 農(nóng)宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)及傳熱系數(shù)調(diào)研結(jié)果

2.3 能源消耗現(xiàn)狀

本文選取2000 年以后自建自住的農(nóng)村住宅為研究對(duì)象，在調(diào)研基礎(chǔ)之上建立農(nóng)村住宅初始模型，通過(guò)能耗模擬軟件Design Builder4.6.0 對(duì)模型進(jìn)行能耗模擬，模擬結(jié)果見(jiàn)表4.由模擬結(jié)果可知，標(biāo)準(zhǔn)模型單位面積耗熱量沒(méi)有達(dá)到節(jié)能規(guī)范單位面積耗熱量14.5 W/m2的要求.

表4 農(nóng)村住宅原型基本參數(shù)及能耗模擬結(jié)果

2.4 調(diào)研結(jié)果

通過(guò)對(duì)京津冀地區(qū)農(nóng)村住宅基礎(chǔ)建設(shè)情況以及能源消耗現(xiàn)狀的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)農(nóng)村住宅存在以下問(wèn)題：

（1）住宅平面布局不合理，導(dǎo)致居住環(huán)境舒適性較差，能源浪費(fèi)嚴(yán)重；

（2）窗墻比和體形系數(shù)超過(guò)了規(guī)范限值，導(dǎo)致能源過(guò)度浪費(fèi)；

（3）農(nóng)宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能差，傳熱系數(shù)遠(yuǎn)超規(guī)范限值，導(dǎo)致采暖季能耗較高.

3 節(jié)能優(yōu)化研究

2020 年《中國(guó)建筑節(jié)能年度發(fā)展報(bào)告》中提到，對(duì)于翻新或者新建的農(nóng)村住宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計(jì)主要涉及熱工性能改善以及布局優(yōu)化等兩方面內(nèi)容，其中可以通過(guò)對(duì)墻體、屋頂?shù)膫鳠嵯禂?shù)、窗墻比、換氣次數(shù)等特定指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，以改善圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能；對(duì)建筑的朝向、布局、結(jié)構(gòu)等進(jìn)行優(yōu)化也會(huì)影響圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能[1].因此，本文的節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)主要針對(duì)農(nóng)村住宅的平面布局優(yōu)化和改善圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能兩個(gè)方面進(jìn)行，以單位面積耗熱量指標(biāo)作為評(píng)價(jià)住宅是否達(dá)到節(jié)能75%目標(biāo)的依據(jù)，單位面積耗熱量指標(biāo)見(jiàn)表5.

單位面積耗熱量計(jì)算公式如下[7]

式中：qH為建筑物耗熱量指標(biāo)，W/m2；QHT為單位時(shí)間通過(guò)建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的溫差傳熱量，W；QTY為單位時(shí)間通過(guò)建筑物外圍護(hù)結(jié)構(gòu)透明部分的太陽(yáng)輻射得熱量，W；QINF為單位時(shí)間建筑物空氣換氣耗熱量，W；AO為建筑物的建筑面積，m2；qIH為折合到單位建筑面積上單位時(shí)間建筑物內(nèi)部得熱量，W/m2，qIH=3.8 W/m2.

表5 京津冀地區(qū)建筑物耗熱量指標(biāo)

3.1 平面布局優(yōu)化設(shè)計(jì)

合理的建筑平面布局不僅可以提高室溫，也有利于降低建筑能耗，由于在被調(diào)研農(nóng)宅中以單層住宅居多，因此以下研究針對(duì)單層農(nóng)村住宅進(jìn)行平面布局優(yōu)化，優(yōu)化后的平面圖如圖1 所示.

圖1 優(yōu)化設(shè)計(jì)平面圖

分別對(duì)優(yōu)化后的單層平屋頂住宅和坡屋頂住宅進(jìn)行能耗模擬，計(jì)算單位面積耗熱量和節(jié)能貢獻(xiàn)率（見(jiàn)表6）. 由模擬結(jié)果可知，對(duì)平面布局進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)單層平屋頂住宅節(jié)能貢獻(xiàn)率為19.4%，對(duì)單層坡屋頂住宅節(jié)能貢獻(xiàn)率為10.4%.

表6 單位面積耗熱量及節(jié)能貢獻(xiàn)率計(jì)算

3.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫形式及相關(guān)參數(shù)設(shè)置

針對(duì)進(jìn)行優(yōu)化布局的農(nóng)宅（見(jiàn)圖1）圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱工性能優(yōu)化設(shè)計(jì)，由于寒冷地區(qū)農(nóng)村住宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)面積相對(duì)較大，因此提高其保溫隔熱性能是對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要措施之一. 關(guān)于地面保溫，一般對(duì)室內(nèi)地面距離外墻2 m 處采取擠塑板絕熱處理[8]；外墻和屋頂保溫，目前常用的保溫材料有EPS保溫板、XPS 保溫板、聚氨酯泡沫板等.《北京市居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（DB11/891—2012）中規(guī)定，外墻傳熱系數(shù)限值為0.35，屋頂傳熱系數(shù)限值為0.3，根據(jù)限值計(jì)算達(dá)到節(jié)能75%要求的保溫層厚度，計(jì)算公式如下

北京市居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（DB11/891—2012）對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的構(gòu)造形式?jīng)]有明確要求和說(shuō)明，《農(nóng)村居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50824—2013）對(duì)寒冷地區(qū)農(nóng)村住宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)的構(gòu)造形式及保溫層厚度做出了具體說(shuō)明及相關(guān)建議[9]. 因此，參考建議值對(duì)墻體、屋頂、外窗分別設(shè)計(jì)不同參數(shù)，見(jiàn)表7-9.

3.3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能貢獻(xiàn)率計(jì)算

根據(jù)不同的設(shè)計(jì)參數(shù)，分別針對(duì)外墻、屋頂、外窗設(shè)置單一變量的節(jié)能優(yōu)化方案進(jìn)行能耗模擬，并計(jì)算單位面積耗熱量和節(jié)能貢獻(xiàn)率，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表10.

由模擬結(jié)果可知，當(dāng)只能進(jìn)行單一變量的節(jié)能優(yōu)化時(shí)不能達(dá)到節(jié)能75%的目標(biāo). 針對(duì)單層平屋頂住宅，屋頂?shù)墓?jié)能貢獻(xiàn)率最高，達(dá)到38%~43%；外墻次之，為15%~18%；外窗的節(jié)能貢獻(xiàn)率相較二者最低，為4%~5%.針對(duì)單層坡屋頂住宅，墻體的節(jié)能貢獻(xiàn)率最高，達(dá)到31%~38%；外窗次之，為10%~11%；屋頂?shù)墓?jié)能貢獻(xiàn)率相較二者最低.

表7 不同墻體保溫形式及相關(guān)參數(shù)

表8 不同外窗形式及相關(guān)參數(shù)

表9 不同屋頂保溫形式及相關(guān)參數(shù)

表10 圍護(hù)結(jié)構(gòu)單位面積耗熱量及節(jié)能貢獻(xiàn)率計(jì)算

3.4 圍護(hù)結(jié)構(gòu)集成方案優(yōu)化及能耗模擬

對(duì)農(nóng)村住宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行多變量集成優(yōu)化設(shè)計(jì)，針對(duì)不同屋頂形式的模擬結(jié)果見(jiàn)表11.

通過(guò)能耗模擬結(jié)果可知，當(dāng)只對(duì)墻體、屋頂、外窗中的兩項(xiàng)進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化時(shí)，不能達(dá)到節(jié)能75%的目標(biāo).對(duì)單層農(nóng)村住宅的外墻、屋頂、外窗同時(shí)進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，單位面積耗熱量均小于14.5 W/m2，滿足節(jié)能75%的要求.

4 成本增量核算

針對(duì)達(dá)到節(jié)能75%目標(biāo)的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行成本增量核算，根據(jù)計(jì)算所增加成本的靜態(tài)投資回收期進(jìn)行說(shuō)明，計(jì)算公式如下[10]

表11 優(yōu)化模型集成方案能耗模擬結(jié)果

式中：T 為靜態(tài)投資回收年限，年；K 為用于節(jié)能的總投資，元；M 為節(jié)能所產(chǎn)生的年效益，元/年.

根據(jù)能耗模擬結(jié)果，進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能優(yōu)化后，農(nóng)宅冬季采暖熱負(fù)荷減少.根據(jù)國(guó)家能源局?jǐn)?shù)據(jù)，1 kw·h 能量約等于860 kcal 熱量，1 kcal=7 000 kg 標(biāo)準(zhǔn)煤[11]，則根據(jù)公式計(jì)算節(jié)約的標(biāo)準(zhǔn)煤量，按照標(biāo)準(zhǔn)煤現(xiàn)價(jià)712 元/t 的價(jià)格計(jì)算進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化后可節(jié)約的采暖費(fèi)用. 對(duì)節(jié)能材料的市場(chǎng)單價(jià)（2020 年）進(jìn)行調(diào)研，調(diào)研結(jié)果見(jiàn)表12，針對(duì)達(dá)到節(jié)能75%目標(biāo)的單層農(nóng)宅成本增量進(jìn)行核算，篩選節(jié)能經(jīng)濟(jì)雙優(yōu)的節(jié)能方案（見(jiàn)表13）.

表12 節(jié)能材料市場(chǎng)單價(jià)匯總

表13 節(jié)能成本雙優(yōu)節(jié)能方案

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，達(dá)到節(jié)能75%目標(biāo)，同時(shí)成本增量最少，投資回收期小于25 年的節(jié)能優(yōu)化方案有三個(gè)（見(jiàn)表13）；單層坡屋頂住宅的成本增量相對(duì)單層平屋頂住宅成本增量更少.但是單層平屋頂住宅的投資回收期更短.

5 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)京津冀地區(qū)農(nóng)村住宅平面布局、圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)和成本增量核算，建議將以下京津冀地區(qū)節(jié)能設(shè)計(jì)策略推廣至寒冷地區(qū).

（1）對(duì)農(nóng)宅的平面布局進(jìn)行合理熱工分區(qū)，對(duì)于相同的平面布局，坡屋頂相對(duì)平屋頂節(jié)能效果更好.

（2）對(duì)單層農(nóng)宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)，外墻建議選擇實(shí)心黏土磚60 mm 聚氨酯板外保溫或80 mmEPS 板外保溫；外窗建議選擇雙層塑鋼Low-E 窗；屋頂建議選擇木屋架坡屋面鋸末稻殼保溫，可以使農(nóng)宅達(dá)到節(jié)能75%的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)增量最少同時(shí)全年能耗最低.選擇平屋頂60 mmXPS 板外保溫或90 mmEPS 板外保溫，可使成本增量最低，但全年能耗相對(duì)坡屋頂更高.