河南農(nóng)村建筑能效提升改造*

楊 濤 李 杰 劉群生 杜金宇 杜娟麗 耿李?yuàn)?于素蘊(yùn) 黃 冰

(1.河南牧業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)院,鄭州;2.河南省建筑科學(xué)研究院有限公司,鄭州)

0 引言

《“十四五”建筑節(jié)能與綠色建筑發(fā)展規(guī)劃》中提到鼓勵(lì)加強(qiáng)建筑節(jié)能改造,形成建筑使用功能提升改造統(tǒng)籌推進(jìn)的節(jié)能、低碳、宜居綜合改造模式[1]。各地區(qū)針對(duì)既有建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了節(jié)能改造研究[2-4]。目前北方地區(qū)清潔供暖工作持續(xù)進(jìn)行,對(duì)既有農(nóng)村建筑進(jìn)行節(jié)能改造,提升農(nóng)村建筑的能效水平,對(duì)降低供暖系統(tǒng)運(yùn)行成本,從根本上解決供暖能耗高、冬季舒適性差,降低“返煤”風(fēng)險(xiǎn),形成可持續(xù)發(fā)展清潔取暖工作的長(zhǎng)效機(jī)制具有重要意義,為此應(yīng)優(yōu)先實(shí)現(xiàn)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)本體節(jié)能效率最大化,再調(diào)整清潔用能方式,實(shí)現(xiàn)降低能耗的目的[5-6]。

為掌握河南省農(nóng)村建筑的節(jié)能改造潛力,本文對(duì)其農(nóng)村建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能現(xiàn)狀進(jìn)行了問(wèn)卷調(diào)研,利用PKPM軟件對(duì)建筑進(jìn)行全年供熱、供冷能耗模擬,就農(nóng)村建筑熱工性能的優(yōu)化進(jìn)行了節(jié)能潛力與經(jīng)濟(jì)性分析,以期為農(nóng)村新建居住建筑的設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo),使農(nóng)村建筑既能滿足經(jīng)濟(jì)可行性要求,又能達(dá)到節(jié)能的目的。

1 調(diào)研概況

調(diào)研統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)河南省農(nóng)村大部分建筑建于2000年以后,占總建筑的41.5%;其次是1991—2000年的建筑,約占35.0%。為了相對(duì)全面地獲取河南省農(nóng)村居住建筑的基本信息與特征,以當(dāng)?shù)丶扔修r(nóng)村典型建筑作為調(diào)研對(duì)象,選取河南省9個(gè)城市的13個(gè)縣城(區(qū))19個(gè)村鎮(zhèn),走訪居民108戶,對(duì)農(nóng)村建筑的基本特征,包括外墻、屋面、窗戶等情況進(jìn)行了調(diào)研,查詢相關(guān)資料,建立了典型農(nóng)村建筑模型,分析各圍護(hù)結(jié)構(gòu)耗能占比及其節(jié)能潛力。

1.1 既有農(nóng)村建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)類型

根據(jù)河南省既有農(nóng)村建筑調(diào)研結(jié)果發(fā)現(xiàn),建筑通常坐北朝南,1層建筑占到40%左右,2層建筑占到50%左右,其余為少量的3層建筑及窯洞。

1) 墻體。

經(jīng)調(diào)查,這些村鎮(zhèn)建筑中外墻主要材料為黏土實(shí)心磚,厚度為240 mm,占調(diào)查總數(shù)的96.3%,且正在建造的房屋中,基本仍使用的是黏土實(shí)心磚。外飾面為水泥砂漿、灰漿刷白、水刷石。有條件的農(nóng)宅會(huì)加上外飾瓷磚,無(wú)外保溫。墻體類型及其占比見表1。目前農(nóng)村建筑主要為磚木和磚混結(jié)構(gòu),同時(shí)還有少量的土房和鋼筋混凝土建筑,這些傳統(tǒng)的農(nóng)村建筑傳熱系數(shù)大,能耗都比較高,而且居住環(huán)境和舒適度都比較差。原因在于大多數(shù)既有建筑沒(méi)有任何節(jié)能措施,不僅保溫隔熱性能差,而且設(shè)備使用效率低,從而導(dǎo)致供暖和供冷能耗很大。

表1 墻體類型及其占比 %

2) 門窗。

調(diào)查發(fā)現(xiàn),這些村鎮(zhèn)建筑外窗主要以單層木窗為主,開啟方式為平開,占調(diào)查總數(shù)的48%;其次,隨著人們經(jīng)濟(jì)水平的提高,單玻鋁合金窗和單玻塑鋼窗比例也相對(duì)較高,分別為21%和24%;而雙層木窗、雙層鋁窗、木框+窗紙類型的占比很小,窗墻面積比也較小,南向窗墻面積比一般在0.2～0.3左右,北向窗墻面積比一般小于0.1,東、西向一般不設(shè)置門窗,密封性差;而現(xiàn)在城市節(jié)能建筑中推行的雙層塑鋼窗,在這些農(nóng)村建筑中還未發(fā)現(xiàn)使用,其主要原因是由于農(nóng)民基本不了解建筑節(jié)能,主動(dòng)節(jié)能的意識(shí)還比較差,另外經(jīng)濟(jì)水平的制約也是一個(gè)主要因素。

建筑外門的類型主要以單層木門為主,開啟方式為平開,這些村鎮(zhèn)建筑門的材料主要為木質(zhì)、鋼質(zhì),較新的建筑使用的材料為鋁合金及塑鋼,門的透明部分為玻璃,很多采用實(shí)心門。單層木門占64.83%,雙層木門占7.38%,是因?yàn)?0世紀(jì)90年代以前的農(nóng)村住宅門的材料絕大多數(shù)為木質(zhì);經(jīng)濟(jì)條件好的新建農(nóng)宅逐漸開始使用塑鋼門和金屬門,甚至是防盜門。外門類型及其占比見表2。

表2 外門類型及其占比 %

3) 屋面。

調(diào)查顯示,河南省既有村鎮(zhèn)建筑屋面形式主要為平屋面,占調(diào)查總數(shù)的86%;其他為坡屋面,主要是20世紀(jì)90年代以前的瓦房,占比14%。另外,現(xiàn)澆混凝土屋面占45.3%,預(yù)制混凝土屋面占36.8%,這與2000年以前推廣的預(yù)制板使用政策有關(guān)。農(nóng)村的瓦房主要以坡屋面為主,屋面材料多為木材+秸稈+黏土+瓦。與墻體相比,屋面還進(jìn)行了一定的保溫處理,如坡屋面鋪設(shè)1層爐渣層作為保溫層,或部分平屋面采用自己搭設(shè)簡(jiǎn)易彩鋼板或磚砌坡屋面作為隔熱保溫設(shè)施,但由于材料和構(gòu)造方法比較簡(jiǎn)單,所以實(shí)際的保溫效果并不理想。

1.2 典型既有農(nóng)村建筑模型建立及各圍護(hù)結(jié)構(gòu)影響分析

根據(jù)既有農(nóng)村建筑層數(shù)及屋面等結(jié)構(gòu)類型的調(diào)研結(jié)果,建筑大多為1、2層結(jié)構(gòu),平屋面較多,坡屋面次之,因此選取1層坡屋面、1層平屋面、2層平屋面3類典型戶型進(jìn)行對(duì)比分析。以鄭州市某村鎮(zhèn)南向建筑為例進(jìn)行分析,鄭州市屬于寒冷地區(qū),計(jì)算用供暖室外平均溫度為1.4 ℃,室外溫度下的空氣密度為1.29 kg/m3,室內(nèi)供暖溫度、相對(duì)濕度按16 ℃、40%選取,通風(fēng)換氣次數(shù)取0.5 h-1。

1) 1層坡屋面戶型模型參數(shù):層高3.20 m、長(zhǎng)15.00 m、寬7.04 m,南向1個(gè)1.2 m×2.4 m的雙開門、2個(gè)0.9 m×2.4 m的單開門,南向2個(gè)1.5 m×1.6 m的外窗、2個(gè)1.3 m×1.6 m的外窗。墻體為240 mm厚的黏土磚砌體結(jié)構(gòu)、1層坡屋面(屋檐至屋脊高度為1.8 m)、鋁合金單玻外窗、雙層金屬戶門。其戶型平面和立體模型見圖1,各圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱負(fù)荷及占比見表3。

圖1 1層坡屋面戶型平面和立體模型

表3 1層坡屋面戶型各圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱負(fù)荷及占比

由表3可知:該模型通過(guò)屋面的熱負(fù)荷占比最大,為50%;外墻次之,為37%;外窗為7%;地面最小,為6%。同時(shí),外門窗和屋面的單位面積熱負(fù)荷較大,外門窗次之。因此,綜合考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)面積、熱工性能,其屋面和外墻的改造對(duì)整個(gè)建筑的能效提升影響較大。

2) 1層平屋面戶型模型參數(shù):層高3.6 m,240 mm厚的黏土磚砌體結(jié)構(gòu),塑鋼單玻外窗,木框單層實(shí)體戶門。其戶型平面和立體模型見圖2,各圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱負(fù)荷及占比見表4。

圖2 1層平屋面戶型平面和立體模型

表4 1層平屋面戶型各圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱負(fù)荷及占比

由表4可知:該模型通過(guò)屋面的熱負(fù)荷占比最大,為52%;外墻次之,為37%;外窗為6%;地面最小,為5%。該類型建筑各圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱特性與1層坡屋面建筑的相似。因此,綜合考慮1層平屋面建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)面積、熱工性能,其屋面和外墻改造對(duì)整個(gè)建筑的能效提升影響較大。

3)2層平屋面戶型模型參數(shù):建筑高度7.2 m,240 mm黏土磚砌體結(jié)構(gòu),塑鋼單玻外窗,木框單層實(shí)體戶門。其戶型平面和立體模型見圖3,各圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱負(fù)荷及占比見表5。

圖3 2層平屋面戶型平面和立體模型

表5 2層平屋面戶型各圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱負(fù)荷及占比

由表5可知:該模型通過(guò)外墻的熱負(fù)荷占比最大,為48%;屋面次之,為41%;外窗為7%;地面最小,為4%。各部位單位面積熱負(fù)荷屋面和外門窗均高于外墻,地面最小。綜合考慮,2層建筑屋面和外墻改造對(duì)整個(gè)建筑的能效提升影響較大,若窗墻面積比較大,需結(jié)合外窗的改造提升建筑能效。

根據(jù)以上計(jì)算對(duì)比可知,各典型農(nóng)村建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱負(fù)荷占比中,屋面和外墻熱負(fù)荷占比較大,外門窗次之,地面最小。建筑能耗不僅與建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)面積有關(guān),也與其熱工性能有關(guān),可依據(jù)屋面、外墻、外門窗的優(yōu)先順序確定既有農(nóng)村建筑能效提升路線。

2 改造研究分析

根據(jù)調(diào)研結(jié)果,農(nóng)村建筑大部分并不滿足GB/T 50824—2013《農(nóng)村居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[8],在3種典型農(nóng)村建筑原有基礎(chǔ)上,對(duì)屋面、外墻、外窗主要圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的1項(xiàng)或多項(xiàng)進(jìn)行保溫改造,利用PKPM軟件計(jì)算得出各方案的建筑能效提升率。值得注意的是,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研實(shí)際情況,原有屋面大部分無(wú)防水、保溫措施,部分住戶屋面滲漏。因此,若選擇對(duì)屋面進(jìn)行節(jié)能改造,在改造前,應(yīng)由住戶作好防水處理,即先解決好滲漏問(wèn)題。

2.1 節(jié)能性分析

針對(duì)以上3種典型建筑的單位面積熱負(fù)荷情況,提出7種改造方案(見表6),計(jì)算對(duì)比不同改造方案的能效提升率。

表6 既有農(nóng)村建筑改造方案

1) 1層坡屋面農(nóng)村建筑:按照傳統(tǒng)1層坡屋面既有農(nóng)村建筑建立模型,改造前各部位構(gòu)造見表3。改造前屋面、外墻、外窗傳熱系數(shù)分別為3.68、2.20、6.40 W/(m2·K)[9-10]。用PKPM軟件計(jì)算得出改造前建筑綜合熱負(fù)荷指標(biāo)為113.06 W/m2。其改造后的節(jié)能效果見表7。

表7 1層坡屋面既有農(nóng)村建筑改造后節(jié)能效果

2) 1層平屋面農(nóng)村建筑:按照新農(nóng)村建筑特點(diǎn)建立模型,1棟120 m2的1層建筑,改造前各部位構(gòu)造見表4。改造前屋面、外墻、外窗傳熱系數(shù)分別為3.68、2.18、6.40 W/(m2·K)[9-10]。用PKPM軟件計(jì)算得出改造前建筑綜合熱負(fù)荷指標(biāo)為107.04 W/m2。其改造后的節(jié)能效果見表8。

表8 1層平屋面既有農(nóng)村建筑改造后的節(jié)能效果

3) 2層平屋面農(nóng)村建筑:按照新農(nóng)村建筑特點(diǎn)建立模型,總建筑面積為210 m2的獨(dú)棟2層建筑,其改造前各部位構(gòu)造見表5。改造前屋面、外墻、外窗傳熱系數(shù)分別為3.68、2.18、6.40 W/(m2·K)[9-10]。用PKPM軟件計(jì)算得出改造前建筑綜合熱負(fù)荷指標(biāo)為74.60 W/m2。其改造后的節(jié)能效果見表9。

表9 2層平屋面既有農(nóng)村建筑改造后的節(jié)能效果

2.2 經(jīng)濟(jì)性分析

根據(jù)表7～9中的各種改造方案的能效提升情況,針對(duì)3種典型既有農(nóng)村建筑的節(jié)能改造,對(duì)實(shí)際施工的改造方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性對(duì)比,如表10所示。

表10 改造方案經(jīng)濟(jì)性對(duì)比 元/m2

通過(guò)改造發(fā)現(xiàn),在圍護(hù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上外加一定厚度的保溫層和保護(hù)層,對(duì)建筑能效提升具有很好的效果,但其提升比例和投資不同。根據(jù)既有農(nóng)村建筑的特點(diǎn)制定了能效提升技術(shù)方案(見表11),可用于建筑改造。

表11 既有農(nóng)村建筑能效提升技術(shù)方案

3 結(jié)論

1) 通過(guò)對(duì)既有農(nóng)村建筑的調(diào)研分析,建立了3種農(nóng)村建筑典型模型,通過(guò)對(duì)建筑綜合熱負(fù)荷進(jìn)行分析,針對(duì)農(nóng)村建筑屋面、外墻、門窗結(jié)構(gòu)及氣密性提出了改造方案,結(jié)合既有農(nóng)村建筑能效提升實(shí)施過(guò)程中形成的經(jīng)驗(yàn)做法、存在的主要問(wèn)題、可推廣性和經(jīng)濟(jì)性等因素,優(yōu)選確定了5種適宜河南省既有農(nóng)村建筑能效提升技術(shù)方案,可用于節(jié)能改造。

2) 對(duì)河南省典型既有1層農(nóng)村建筑平屋面或坡屋面結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造時(shí)添加50 mm厚的保溫層,改造效果好、難度低;當(dāng)屋面結(jié)構(gòu)不便改動(dòng)時(shí),對(duì)北面和兩側(cè)山墻進(jìn)行改造,其能耗提升效果次之。

3) 要根據(jù)不同類型的農(nóng)村建筑進(jìn)行節(jié)能改造調(diào)整,河南省2層既有建筑對(duì)外墻的改造效果優(yōu)于對(duì)屋面的;對(duì)外墻進(jìn)行保溫處理時(shí),優(yōu)先對(duì)屋面和北墻組合進(jìn)行處理,保溫效果好;同時(shí)兼具門窗節(jié)能改造和清潔能源使用,可達(dá)到更好的節(jié)能效果。

4) 對(duì)坐北朝南的既有農(nóng)村建筑進(jìn)行墻體保溫改造時(shí),北面外墻的保溫改造效果明顯高于其他墻面,這與背陽(yáng)面接受日照少有關(guān)系,因此墻體改造可選擇一面或多面,僅做一面墻體時(shí)建議做北面墻體。

5) 對(duì)于同一類型的典型既有農(nóng)村建筑,僅對(duì)屋面進(jìn)行節(jié)能改造的投資最低,調(diào)整外窗保溫結(jié)構(gòu)的投資最高,對(duì)外墻添加保溫層的投資居中。

6) 本文提出的改造方案主要針對(duì)河南省既有農(nóng)村建筑,其產(chǎn)生的投資費(fèi)用具有一定的代表性,可作為參考。實(shí)際建筑情況復(fù)雜多樣,同時(shí)還要考慮既有建筑是否需要重新作屋面防水,因此需結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)項(xiàng)目具體情況進(jìn)行計(jì)算。