基于正交試驗的北方農(nóng)宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)能效提升方案比選分析

李華君 LI Hua-jun

（西安科技大學(xué)高新學(xué)院城市建設(shè)學(xué)院，西安 710000）

0 引言

中國建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報告指出，截至2020 年我國建筑面積總量約660 億平方米，其中農(nóng)宅的建筑面積為227 億平方米，同時，我國建筑運(yùn)行過程中直接碳排放為6 億tCO2，而農(nóng)村住宅導(dǎo)致的碳排放占一半以上[1]。因此，通過選擇合適的節(jié)能改造措施來降低建筑能耗已成為必然趨勢。

1 建筑描述

1.1 自然地理環(huán)境

陜西省銅川市屬暖溫帶大陸季風(fēng)氣候，四季分明，冬長夏短，雨熱同季，雨量較多，溫度偏低，地區(qū)差異明顯，災(zāi)害比較頻繁。銅川市年平均氣溫為8.9℃，冬季持續(xù)時間從11 月到次年3 月，晝夜溫差大。

1.2 供暖情況

實地調(diào)研了解到銅川市冬季的采暖期為11 月15 日至次年3 月15 日，農(nóng)村居民有分室采暖的習(xí)慣。冬季室內(nèi)外溫度較低，且居民基本都在室內(nèi)活動?？弧⒚籂t為采暖方式的農(nóng)戶占絕大部分，煤爐相對較遠(yuǎn)的地方熱量傳輸效率極低，伴隨燃燒會產(chǎn)生很多有害氣體污染環(huán)境。部分使用空調(diào)等供暖，雖然采暖效果有所提升，但存在耗電量過大等問題。因此采暖效果差是銅川市農(nóng)宅冬季采暖的最大問題[2]。

1.3 基準(zhǔn)建筑模型

聯(lián)排平房式建筑作為我國北方農(nóng)宅的主要建筑形式之一，施工簡單，功能分明。據(jù)調(diào)研，該農(nóng)村為銅川市2006年的移民新村，為整村規(guī)劃、村民自建，以磚砌體結(jié)構(gòu)為主，97%以上的建筑外墻，屋面無保溫措施。基于此，本研究根據(jù)GB/T50824-2013《農(nóng)村居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》和銅川市既有農(nóng)宅現(xiàn)狀，選取聯(lián)排單層農(nóng)宅作為基準(zhǔn)建筑模型，每戶占地面積230m2，總占地面積17250m2；每戶主屋改造面積為115m2，全村合計主屋改造面積為30475m2。

1.4 農(nóng)宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)情況及建筑負(fù)荷統(tǒng)計

通過調(diào)研和計算，得到了農(nóng)宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)的施工方法和相應(yīng)的傳熱系數(shù)，外墻構(gòu)造形式是20mm 水泥砂漿+240mm 實心粘土磚+20mm 水泥砂漿，傳熱系數(shù)是2.13W/（m2·k）；內(nèi)墻構(gòu)造形式是240mm 實心粘土磚，傳熱系數(shù)是1.269W/（m2·k）；屋面構(gòu)造形式是100mm 厚鋼筋混凝土樓板+30mm 厚水泥砂漿找平層，傳熱系數(shù)是3.81W/（m2·k）；外窗構(gòu)造形式是單玻塑鋼窗，傳熱系數(shù)是4.70W/（m2·k）；地面的構(gòu)造形式是20 厚水泥砂漿+120 厚鋼筋混凝土，傳熱系數(shù)是0.34W/（m2·k）；臥室門構(gòu)造形式是普通25mm 單層木門，傳熱系數(shù)是0.175W/（m2·k）；外門構(gòu)造形式是金屬門，傳熱系數(shù)是6.40W/（m2·k）。

冬季采暖房間為客廳、起居室、主臥和客臥?？蛷d和起居室采暖時間為周一至周五8:00-18:00 開啟，剩余時間關(guān)閉，周末全天開啟。主臥和客臥采暖時間為周一至周末8:00-18:00 關(guān)閉，剩余時間開啟。農(nóng)宅建筑總面積是115m2，DeST-h 能耗模擬軟件計算全年累計熱負(fù)荷是18887.31kW·h，全年累計冷負(fù)荷是1069.65kW·h，全年累計熱負(fù)荷指標(biāo)164.24kW·h/m2，全年累計冷負(fù)荷指標(biāo)是9.30kW·h/m2，采暖季熱負(fù)荷指標(biāo)48.59W/m2，空調(diào)季冷負(fù)荷指標(biāo)3.95W/m2。

通過計算，該農(nóng)宅冬季采暖熱負(fù)荷指標(biāo)為48.59W/m2，陜西省工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)《居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)（DBJ51-65-2011）》[3]中對銅川市居住建筑取暖耗熱量指標(biāo)的限值16.5W/m2（≤3 層）對比，超標(biāo)率高達(dá)66.04%，可以看出，對比當(dāng)前城市居住建筑的能耗指標(biāo)來看，銅川市既有農(nóng)宅建筑具有較高的能效提升潛力和改造價值。

2 能效提升方案優(yōu)選分析

2.1 能效提升方式及計算方法

通過走訪調(diào)研，銅川市農(nóng)宅能效提升的技術(shù)重點(diǎn)在于對建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)以及對附加陽光間節(jié)能設(shè)計[4]。建筑能效提升率的計算主要基于能耗模擬，通過軟件模擬改造后建筑的采暖能耗，再將其與基準(zhǔn)能耗進(jìn)行對比計算得出不同改造方案下建筑的累計熱負(fù)荷與基準(zhǔn)能耗對比計算得到能效提升率，能效提升率η 的計算公式（1）如下：

式中：η——能效提升率（%）；Q1——基準(zhǔn)建筑全年累計熱負(fù)荷（kW·h）；Q2——改造后建筑全年累計熱負(fù)荷（kW·h）。

保溫材料種類較多，應(yīng)用于農(nóng)村地區(qū)的保溫材料除保溫性能外，還應(yīng)兼顧就地取材、生態(tài)環(huán)保、保溫技術(shù)體系成熟的特點(diǎn)[5]。經(jīng)過改造后新的傳熱系數(shù)可按公式（2）計算：

式中：K2為改造后傳熱系數(shù)，W/（m2·K）；K1為改造前傳熱系數(shù)，外墻取2.13W/（m2·K），屋面取3.81W/（m2·K）；δ 為保溫板厚度，m；λ 為保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)，m2·K/W。

采取單一變量法改變外墻和屋面保溫材料的厚度，從10mm 到100mm，以10mm 為間距長度，設(shè)置10 組方案，外墻和屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)及能效提升率隨不同保溫板厚度的變化情況見圖1、圖2。

圖1 外墻傳熱系數(shù)及能效提升率隨不同保溫板厚度關(guān)系

圖2 屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)及能效提升率隨不同保溫板厚度關(guān)系

由圖1、圖2 可見，經(jīng)過保溫改造后3 種保溫材料均能使外墻和屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)明顯下降，說明改造能夠顯著提升墻體屋面的熱工性能、降低傳熱量。當(dāng)采用單一改造方案時，保溫板厚度與傳熱系數(shù)成反比，與能效提升率成正比，外墻保溫的能效提升率在10%~20%之間，等厚度的保溫材料中，保溫效果由優(yōu)至劣依次為：XPS>EPS>巖棉板；同理，屋面保溫對應(yīng)的能效提升率在16%~24%之間，屋面保溫效果優(yōu)劣依次為：XPS>PU 硬泡>EPS。

外墻保溫板厚度在40-70mm 時，隨著厚度增加，能效提升率增量逐漸減小，超過70mm 時每增加10mm 保溫板厚度時能效提升率增量已不足1%，曲線逐漸趨于水平，說明外墻保溫對建筑采暖能耗的影響有一定的限度，在節(jié)能改造時不應(yīng)靠簡單堆疊保溫材料厚度提高建筑的能效提升率，當(dāng)保溫板達(dá)到最佳厚度時，若想繼續(xù)降低能耗，應(yīng)考慮通過其他圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造來實現(xiàn)，屋面亦是如此。綜合材料價格方面考慮，推薦該地區(qū)外墻采用EPS 保溫板，屋面采用XPS 保溫板。根據(jù)《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》算出外墻EPS 保溫板最低厚度為37mm，取厚度范圍為40-60mm；屋面XPS 保溫板最低厚度為44mm，厚度范圍為50-70mm。

常見外窗類型及不同陽光間進(jìn)深改造方案及對應(yīng)的節(jié)能效果見表1。

表1 不同外窗類型及陽光間進(jìn)深改造方案及對應(yīng)的節(jié)能效果

由表1 可見，采用上述外窗類型替換原有鋁合金單層外窗后，能效提升率分別達(dá)到了2.3%、5.08%及8.1%，有效地降低了建筑的采暖能耗。陽光間的進(jìn)深對建筑總能耗的影響非常小，且外窗和陽光間在構(gòu)造上相耦合，改造時應(yīng)與其他改造措施一起做組合改造方案。綜上，單一改造方案能效提升效果排序為屋面改造>外墻保溫>更換外門窗>附加陽光間。附加陽光間造價較高，建議經(jīng)濟(jì)條件較好的家庭采用[6]。

2.2 正交試驗結(jié)果分析

為提高方案優(yōu)選效率，將圍護(hù)結(jié)構(gòu)的多種單一方案進(jìn)行初選，采用正交試驗方法，分析得到各因素對實驗結(jié)果的影響趨勢、主次關(guān)系及最佳搭配，實現(xiàn)因素和水平的均勻分散性及整齊可比性，可極大減少完成全面試驗的次數(shù)。選取四因素三水平L9（34）的正交試驗共9 次，其中影響改造效果的設(shè)計要素：外墻保溫選取EPS 板厚度為40mm（A1）、50mm（A2）、60mm（A3）；屋面保溫選取XPS 板厚度為50mm（B1）、60mm（B2）、70mm（B3）；附加陽光間進(jìn)深為0.8m（C1）、1.0m（C2）、1.2m（C3）；外窗類型選取塑鋼單層窗（D1）、鋁合金中空窗（D2）、塑鋼中空窗（D3）。根據(jù)所選因素水平，不考慮各因素之間的交互作用，正交試驗組合方案如表2 所示。

表2 正交試驗組合方案表

由表2 計算結(jié)果可見，各組合節(jié)能改造方案建筑能效提升率均能達(dá)到50%以上，說明采用組合節(jié)能改造方案明顯降低農(nóng)宅全年累計能耗，能夠解決居民在采暖季室內(nèi)熱環(huán)境差的問題。在9 種組合方案中，全年累計能耗最大和最小分別是方案9 的9116.98kW·h 和方案3 的5892.43kW·h，對應(yīng)的能效提升率分別為51.72%和68.8%。

為衡量各個因素對于能效提升率的影響因素，通過極差分析計算特定因素的結(jié)構(gòu)參數(shù)在不同水平下能效提升率，算出的極差R 的大小來分析各因素權(quán)重的影響程度。經(jīng)過計算將A、B、C、D 四個因素對能效提升率的影響列入表3 中。

表3 不同因素對建筑能效提升率影響的極差分析

根據(jù)表3 和圖3 顯示，在4 個因素的3 個不同水平下，對于農(nóng)宅能效提升的影響因素中外窗的極差值最大，為7.47，屋面厚度的極差最小，為3.32。對農(nóng)宅能效提升率顯著程度的排序為外窗種類＞附加陽光間進(jìn)深＞外墻保溫板厚度＞屋面保溫板厚度。通過對比4 個因素建筑能效提升率極差值，取各因素水平均中最大值的做法，得出最優(yōu)的組合為A2B3C2D3（即外墻保溫板厚度50mm，屋面保溫板厚度60mm，附加陽光間進(jìn)深1m，外窗為塑鋼中空玻璃窗（6+12A+6）），經(jīng)過模擬計算，該組合全年累積熱負(fù)荷為5502.73kW·h/m2，能效提升率達(dá)70.87%，此方案在經(jīng)濟(jì)允許的情況下，可以首先考慮。

圖3 各水平因子均值圖

3 結(jié)論

①建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造采取單一改造方案時,能效提升效果排序為屋面改造>外墻保溫>更換外門窗>附加陽光間，附加陽光間造價較高，建議經(jīng)濟(jì)條件較好的家庭采用。組合改造方案能效提升率遠(yuǎn)高于任何單一改造方案。

②基于正交試驗得出最優(yōu)的組合為A2B3C2D3（即外墻保溫板厚度50mm，屋面保溫板厚度60mm，附加陽光間進(jìn)深1m，外窗為塑鋼中空玻璃窗（6+12A+6）），經(jīng)過模擬計算，該組合全年累積熱負(fù)荷為5502.73kW·h/m2，能效提升率達(dá)70.87%。