西安農(nóng)村住宅建筑圍護結構熱工性能實測及節(jié)能改造優(yōu)化研究

謝安生 郝 倩 田欣猛 江 超

（長安大學建筑工程學院 西安 710064）

0 引言

隨著城鎮(zhèn)化的逐步推進，農(nóng)村住宅的規(guī)模已經(jīng)基本穩(wěn)定在230 億m2左右，農(nóng)村人口減少至5.6億人，人均住房面積達到41m2/人[1]。2018年農(nóng)村住宅的能耗為2.16 億tce，占全國建筑總能耗的22%[2]?！靶罗r(nóng)村建設”與“節(jié)約型社會”工作的開展和深入使得農(nóng)村建筑節(jié)能受到廣泛關注。西北地區(qū)作為我國七大地理分區(qū)之一，既有建筑的節(jié)能改造是建筑節(jié)能的重點任務[3]。

農(nóng)村居住建筑節(jié)能改造問題，一直都受到關注。劉滿等[4]人針對遼寧省農(nóng)村住宅進行了調(diào)研，并進行能耗結構的研究，提出了適合該地區(qū)的節(jié)能措施。張曉丹[5]針對陜西地區(qū)農(nóng)村住宅，結合外圍護結構的保溫措施，對墻體保溫結構進行傳熱計算，從而提出適合該地農(nóng)村住宅的墻體保溫結構。李政等[6]利用DeST 模擬軟件，對山東某農(nóng)村建筑進行模擬，計算出用聚氨酯硬泡沫塑料作為保溫材料時的最佳厚度層，且南向外墻為最佳保溫外墻。白雪[7]通過對比測試不同類型的保溫材料的性能，運用DeST-h 模擬全年能耗計算出了能耗降低值，得出了最經(jīng)濟實用的保溫材料厚度。張興惠等[8]通過將DeST 模擬軟件、ADIAN 有限元分析軟件相結合，分析建筑能耗及圍護結構傳熱等相關問題，得出墻體耗能占比最高。李哲[9]提出針對學校圍護結構收益率外窗改造最高，外墻次之，屋頂最低。冷紅等[10]通過EnergyPlus 軟件模擬不同形態(tài)建筑，發(fā)現(xiàn)各類住宅的體形系數(shù)與住宅單位體積總能耗成正比，建議在進行寒冷城市居住規(guī)劃時，應在滿足各項規(guī)范的基礎上使住宅體形系數(shù)最小化。張海濱等[11]提出當實際的體形系數(shù)超過規(guī)定范圍時，可以通過提高圍護結構熱工性能，進而權衡判斷建筑是否滿足要求。

現(xiàn)有研究大多以圍護結構熱工參數(shù)的理論值為基礎，對墻體保溫結構及材料、改造效果進行了研究，但對農(nóng)村住宅建筑圍護結構熱工性能的實測研究以及改造優(yōu)先性的研究較為缺乏，忽略了即有農(nóng)村居住建筑的實際圍護結構熱工性能，從而影響改造后的實際效果。

本文對西安地區(qū)既有農(nóng)村住宅建筑進行了實地調(diào)研，選取具有代表性的布局形式建筑，使用熱流計法測試了通過外墻和屋面的熱流，使用溫度傳感器測試了墻體內(nèi)外壁面溫度，通過算術平均法計算得出墻體熱阻及傳熱系數(shù)。確定合理的改造方案，使用DeST 能耗模擬軟件模擬計算建筑節(jié)能改造前后的建筑熱負荷，并計算得出改造節(jié)能率；同時結合經(jīng)濟性分析，提出西安地區(qū)農(nóng)村住宅建筑節(jié)能改造的優(yōu)化方案，得出農(nóng)村地區(qū)建筑圍護結構改造的優(yōu)先順序。

1 農(nóng)村住宅建筑圍護結構特征

西安市地勢平坦，村落密度、地理環(huán)境相似，選取西南部鄠邑區(qū)（陳坪村）、東北部高陵區(qū)（南郭村）的農(nóng)村住宅進行分析。

1.1 建筑布局型式

西安地區(qū)農(nóng)村住宅的型式主要有傳統(tǒng)大進深型（見圖1）、分塊非對稱型（見圖2）、分塊對稱型（見圖3）和L 型（見圖4）四種布局型式。建筑布局正南正北，窗戶主要在南、北兩面外墻上。

圖1 農(nóng)村住宅建筑布局型式一Fig.1 The first type of rural residential building layout

圖2 農(nóng)村住宅建筑布局型式二Fig.2 The second type of rural residential building layout

圖3 農(nóng)村住宅建筑布局型式三Fig.3 The third type of rural residential building layout

圖4 農(nóng)村住宅建筑布局型式四Fig.4 The fourth type of rural residential building layout

模擬得出以上四種布局型式的采暖季平均熱負荷分別為64.47W/m2、73.77W/m2、71.99W/m2、125.98W/m2，且最大熱負荷分別可達199.88W/m2、173.95W/m2、195.23W/m2、216.16W/m2，可得供暖季農(nóng)村房屋熱負荷較大。

1.2 建筑特征

西安地區(qū)的農(nóng)村住宅主要為單層或二層單體建筑，前三種建筑布局型式為鄠邑區(qū)陳坪村的典型建筑，建筑布局型式四為高陵區(qū)南郭村的典型建筑，所有住宅建筑的外墻、屋面均無保溫層。

表1 建筑特征Table 1 Architectural features

體形系數(shù)是影響建筑能耗的重要因子，根據(jù)《嚴寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設計標準》JGJ 26-2018[12]，寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設計標準限定住宅體形系數(shù)的取值應≤0.57，布局二、三建筑滿足規(guī)范要求。

西安地區(qū)受傳統(tǒng)建房形式、社會、經(jīng)濟等多方面的影響，村落住宅建設缺乏規(guī)劃，具有無序性，是制約農(nóng)村住宅節(jié)能水平提升的瓶頸[13,14]。對既有建筑而言，體形系數(shù)較難改變，降低既有農(nóng)村建筑能耗，應主要通過改善圍護結構熱工性能來實現(xiàn)[11]。

1.3 圍護結構熱工性能測試

測試時間為2020年12月，根據(jù)《居住建筑節(jié)能檢測標準》（JGJ/T132-2009）[15]，采用熱流計法檢測外墻及屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。測試房間采用2200W電加熱器連續(xù)供熱。為了減少太陽輻射對墻體溫度的干擾，將測點布置于測試房間北外墻上。測試儀器參數(shù)如表2所示。

表2 測試儀器概況Table 2 Overview of test equipment

熱流計及熱電偶布置如圖5、圖6所示。室內(nèi)每個測點測試了該點處內(nèi)壁面溫度及通過的熱流，溫度傳感器布置于熱流計兩側(cè)（見圖5），室外墻面的測點對應室內(nèi)溫度探測點相同位置布置溫度傳感器（見圖6）。測試外表面溫度時采用錫紙覆蓋溫度傳感器探頭避免陽光直射，以保證墻體外表面溫度測試的準確性。

圖5 建筑內(nèi)部測點布置Fig.5 Layout of measuring points inside the building

圖6 建筑外部測點布置Fig.6 Layout of measuring points outside the building

以布局二建筑為例，測試總時間為114h，采用其中較為穩(wěn)定的96h 的數(shù)據(jù)進行分析。如測點1，末次計算得出的熱阻值為0.47m2·K/W，24h 之前的計算值0.45m2·K/W，差值為4.4%，小于5%，處于規(guī)定范圍。

測試期間的溫度數(shù)據(jù)顯示（見圖7），外壁溫度與室外溫度變化趨勢極為相近，內(nèi)壁溫度與室內(nèi)溫度較為接近，且變化趨勢相同，且峰值存在時間上的延遲，延遲時間約為30min。由于現(xiàn)場測試條件限值，墻體內(nèi)外表面溫度差值在5.1℃～12℃之間，呈周期性變化（見圖8）。

圖7 室內(nèi)外溫度變化圖Fig.7 Indoor and outdoor temperature change graph

圖8 內(nèi)外壁面溫差Fig.8 Temperature difference between inner and outer walls

采用算術平均法計算并進行數(shù)據(jù)分析。圍護結構主體部位熱阻按下式進行計算：

式中：R為圍護結構主體部位熱阻，m2·K/W；tIj為圍護結構主體部位內(nèi)表面溫度的第j次測量值，℃；tEj為圍護結構主體部位外表面溫度的第j次測量值，℃；qj為圍護結構主體部位熱流密度的第j次測量值，W/m2。

圍護結構主體部位傳熱系數(shù)按下式計算：

式中：K為圍護結構主體部位傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；Ri為內(nèi)表面換熱熱阻，m2·K/W，一般取0.11；Re為外表面換熱熱阻，m2·K/W，一般取0.04。

測試計算結果如表3所示。

表3 住宅建筑墻體及屋面實測傳熱系數(shù)K[W/m2·K]Table 3 Measured heat transfer coefficient of residential wall and roof

根據(jù)《農(nóng)村居住建筑節(jié)能設計標準》（GB/T 50824-2013）[16]，寒冷地區(qū)外墻傳熱系數(shù)限值為0.65 W/(m2·K)，屋面為0.5W/(m2·K)，南向外窗2.8W/(m2·K)，其他外窗2.5W/(m2·K)。分析以上數(shù)據(jù)可得，西安農(nóng)村地區(qū)住宅建筑圍護結構的傳熱系數(shù)較大，外墻傳熱系數(shù)實測值相比于規(guī)范值超出104.6%～161.5%，屋頂?shù)膫鳠嵯禂?shù)則超出規(guī)范值378%～666%，且現(xiàn)澆屋頂相較于預制水泥板屋面的傳熱系數(shù)大約48.6%。

從測試結果可以看出，西安地區(qū)的圍護結構保溫性能較差，舒適度較低，建筑節(jié)能現(xiàn)狀不理想。為了使農(nóng)村居民擁有良好的居住舒適感，同時達到節(jié)能效果，需對農(nóng)村居住建筑采取節(jié)能改造措施。

2 圍護結構改造優(yōu)化

2.1 改造措施

建筑外墻建筑節(jié)能改造主要通過保溫實現(xiàn)；外窗除了增加保溫性能，還要增加采光率和氣密性；屋面圍護結構改造可通過設保溫或設置室內(nèi)吊頂實現(xiàn)[17]。

根據(jù)布局二建筑的圍護結構熱負荷，得出外門及地面熱負荷占比分別為4%、5%，占總圍護結構熱負荷比例極小，所以不考慮對外門及地面的改造。

圖9 圍護結構熱負荷Fig.9 Surrounding structure heat load

2.2 改造方式選取

外墻及屋頂保溫可選擇發(fā)泡聚苯乙烯（EPS）板和擠塑聚苯乙烯（XPS）板，EPS 板的價格相對較低，施工過程相對簡單，因此現(xiàn)選取常用的聚苯乙烯泡沫塑料板為保溫材料。當保溫層厚度到達一定程度后，節(jié)能率會降低[7]，選擇導熱系數(shù)為0.047W/(m·K)、厚度為50mm 的EPS 板進行外墻外保溫改造；屋頂保溫材料采用與墻體相同，厚度為70mm；對吊頂進行保溫，在吊頂上敷設聚苯板20mm。

既有建筑的外窗大多采用的是木窗或者鋁合金窗戶，保溫性能不佳。在寒冷地區(qū)，宜將單層玻璃窗改造為雙層玻璃窗，且使用塑鋼做窗框保溫性能會更好[18]。綜上，窗戶選用傳熱系數(shù)為2.5W/m2·K的6mm+9A+6mm 塑鋼中空雙玻窗。

表4 改造方案及改造后圍護結構傳熱系數(shù)Table 4 Remodeling plan and heat transfer coefficient of surrounding structure after transformation

2.3 節(jié)能分析

2.3.1 采暖參數(shù)設置

采用DeST 軟件對住宅改造前后的能耗進行模擬。室內(nèi)采暖溫度設定為16℃，由于農(nóng)村建筑房間較多，存在些許空房間，不對其設置采暖。人員作息、采暖時間等參數(shù)如表5所示。

表5 負荷計算參數(shù)設置Table 5 Load calculation parameter setting

2.3.2 改造效果分析

圍護結構改造方法后的傳熱系數(shù)數(shù)據(jù)均達到規(guī)范要求，并通過模擬得出改造前后西安地區(qū)農(nóng)村建筑的采暖季平均熱負荷及其節(jié)能率。

分析圖10，前三種布局形式建筑同時采取節(jié)能措施后采暖季平均熱負荷分別可降低至27.22W/m2～28.99W/m2。其中單項改造中外墻的改造效果最好，其次為改造屋頂，外窗由于建筑的窗墻比較小，且改造前后的傳熱系數(shù)變化量為0.7W/m2，改變幅度要小于外墻與屋頂，所以外窗的改造效果最差。

圖10 圍護結構改造前后平均熱負荷對比Fig.10 Comparison of the average heat load before and after the renovation of the surrounding structure

布局形式四建筑為現(xiàn)澆屋頂，外窗為木窗的一層建筑，圍護結構傳熱系數(shù)較大，因此較于前三種布局形式建筑熱負荷偏大，同時采取節(jié)能措施后的采暖季平均熱負荷從 125.98W/m2降低為53.37W/m2。且從圖中可見，改造屋頂?shù)臒嶝摵山档土恳笥谕鈮Ω脑?，改造外窗后的熱負荷變化值最小?/p>

由圖11 可見，前三種布局形式建筑單項改造中，改造外墻節(jié)能率最大，可達23.7%～24.98%，其次為改造屋面，節(jié)能率可以達到18.96%～19.57%。布局形式四建筑改造外墻的節(jié)能率為19%，小于改造屋面的節(jié)能率21.51%。

圖11 各改造項目節(jié)能率Fig.11 Energy saving rate of each renovation project

每種布局形式建筑改造窗戶的節(jié)能率均小于其余單項改造節(jié)能率，約為7.3%～10.09%；若是整體改造，可使節(jié)能率達到57.64%～60.70%。墻體保溫層與屋頂保溫層兩者采用的保溫層厚度不同，通過降低的熱負荷得出節(jié)能率，可綜合節(jié)能效果及經(jīng)濟性比較兩個單項節(jié)能措施的優(yōu)先級。

由于計算建筑能耗的圍護結構參數(shù)不一樣，故無法將體形系數(shù)與能耗直接作比較。但分析節(jié)能率數(shù)據(jù)可得，改造整體的節(jié)能率與體形系數(shù)呈正相關關系。

3 經(jīng)濟分析

將建筑能耗折合為電價，按電價取0.5 元/kWh，材料費參考市場價，EPS 板400 元/m3，塑鋼雙玻窗價格為320 元/m2。對于一般建筑物可以安全使用50年，外墻、屋頂保溫層的使用年限25年[19]，塑鋼窗的使用年限取值30年。實際過程中熱負荷隨室外溫度逐時變化，因此以耗熱量進行經(jīng)濟性分析。投資回收期按下式計算：

表6 圍護結構保溫措施的經(jīng)濟比較Table 6 Economic Comparison of Thermal Insulation Measures for Envelope Structure

表6 中布局形式二建筑采用該保溫措施在使用年限內(nèi)一共可節(jié)省總數(shù)約為10.79 萬元。外墻和屋頂?shù)耐顿Y回收期較短，分別為2.1年、2.4年，分別可節(jié)約電費約5.32 萬元、3.79 萬元。而外窗改造的投資回收期最長，可達11.5年，可節(jié)約電費1.67 萬元。以投資回收期為依據(jù)，綜合考慮節(jié)約電費，外墻與屋頂?shù)母脑熳顬榭捎^，且外墻改造優(yōu)先于屋頂。經(jīng)計算，構造形式一中其余兩種布局形式與布局二建筑結論相同。

布局形式四建筑可節(jié)省總數(shù)約5.8 萬元。外墻和屋頂?shù)耐顿Y回收期分別為2.2年、1.8年，分別可節(jié)約電費2.37 萬元、2.94 萬元。而外窗改造的投資回收期最長，可達14.2年，可節(jié)約電費0.5 萬元。改造的優(yōu)先順序應為屋頂、外墻、外窗。

4 結語

經(jīng)實測，西安農(nóng)村居住建筑圍護結構的傳熱系數(shù)遠超于規(guī)范值。該地區(qū)外墻以及屋頂?shù)膫鳠釤嶙栊?，傳熱系?shù)大，導致室內(nèi)熱舒適性差、供暖能耗高。

確定了合理的改造優(yōu)化方式：50mmEPS 板進行外墻外保溫改造；70mmEPS 板進行屋頂改造+吊頂上敷設聚苯板20mm；窗戶選用傳熱系數(shù)為2.5W/m2·K 的6mm+9A+6mm 塑鋼中空雙玻窗。改造整體的節(jié)能率達到57.64%～60.70%，與體形系數(shù)呈正相關關系。

基于同一種改造方式，應針對不同構造形式的農(nóng)村建筑，制定不同的改造優(yōu)先策略。綜合考慮改造的節(jié)能率、投資回收期和節(jié)約電費，在資金有限的情況下，構造形式為240mm 厚實心黏土磚+內(nèi)外抹灰+預制水泥板+鋁合金外窗的建筑改造，應優(yōu)先考慮改造外墻，其次為屋頂、外窗的節(jié)能改造；構造形式為240mm 厚實心黏土磚+內(nèi)外抹灰+現(xiàn)澆屋面+木窗的建筑改造，改造優(yōu)先級依次為屋頂、外墻、外窗。

由于西安地區(qū)占據(jù)關中盆地大部分區(qū)域，故關中地區(qū)的整體特征與西安具有極大的相似性。西安地區(qū)既有農(nóng)村建筑節(jié)能改造的推廣有助于推進關中地區(qū)農(nóng)村節(jié)能改造及新建綠色節(jié)能農(nóng)村建筑。