西北嚴寒地區(qū)農(nóng)村住宅建筑外圍護結(jié)構(gòu)能耗分析*

許立憲，梁 諾，張 勇

（甘肅省建設(shè)設(shè)計咨詢集團有限公司，甘肅 蘭州 730050）

0 引言

隨著建筑行業(yè)的發(fā)展，建筑能耗迅速增加，建筑能耗約占全球總能耗的40%[1]。而隨著生活水平的提升，人們對居住舒適性的要求越來越高，約五分之一的建筑能耗是由于人們越來越高的供暖和制冷需求產(chǎn)生的[2]。截至2020 年，全國居住在農(nóng)村的人口達5.09億人，占中國總?cè)丝诘?6.11%。全國農(nóng)村住宅建筑面積為375 億m2，占全國住宅建筑面積的46.13%。目前農(nóng)村住宅建筑能耗占全國建筑總能耗的22%，農(nóng)村住宅能耗已不能滿足鄉(xiāng)村振興政策背景下的綠色低碳發(fā)展要求，尤其在西北嚴寒地區(qū)，因此，在農(nóng)村地區(qū)存在著較大的節(jié)能潛力[3]。

影響住宅建筑能耗的因素主要包括地理位置、氣候條件、地形地貌、建筑形式、建筑朝向、建筑高度、外圍護結(jié)構(gòu)熱工性能等，其中外圍護結(jié)構(gòu)熱工性能對住宅建筑能耗的影響最大，而我國農(nóng)村地區(qū)受經(jīng)濟發(fā)展水平的影響，特別是西北地區(qū)農(nóng)村住宅建筑普遍缺乏節(jié)能措施。因此，為了減少農(nóng)村住宅能源消耗，對建筑圍護結(jié)構(gòu)的節(jié)能保溫顯得尤為重要[4]。

文章采用建筑能耗模擬分析軟件（DesignBuilder），通過對甘肅省西北嚴寒地區(qū)某農(nóng)村住宅建筑圍護結(jié)構(gòu)不同保溫材料的建筑能耗進行模擬計算，分別分析農(nóng)村住宅建筑外墻、屋頂、窗戶等圍護結(jié)構(gòu)的不同材料保溫對建筑能耗影響，提出適用于本地區(qū)農(nóng)村住宅建筑的節(jié)能措施，合理地改善建筑的節(jié)能性能。

1 模型參數(shù)

1.1 建筑模型

該文章采用的建筑模型位于甘肅省酒泉市某農(nóng)村的住宅建筑，模型如圖1 所示。建筑平面圖如圖2 所示，建筑總面積142 m2，寬16 m，深10 m，高3.5 m。建筑東西兩側(cè)各有一間臥室和一間衛(wèi)生間，北側(cè)有一間臥室、一間書房和一間廚房，中部為客廳和餐廳。建筑北側(cè)窗墻比為0.2，南側(cè)窗墻比為0.3，東西兩側(cè)衛(wèi)生間開設(shè)外窗，窗墻比為0.1。衛(wèi)生間采用百葉窗簾，其余采用緊密編織窗簾。建筑結(jié)構(gòu)形式為磚混結(jié)構(gòu)，建筑材料見表1[5]。

表1 建筑材料及熱工參數(shù)

圖1 農(nóng)村住宅建筑模型

圖2 建筑平面圖

1.2 氣象參數(shù)

該建筑位于甘肅省酒泉市，東經(jīng)98.48°，北緯39.77°，屬于1C級嚴寒地區(qū)。該地區(qū)為大陸性干旱氣候，干燥寒冷，降水少。夏季干熱短促，冬季寒冷漫長。全年主導風向為西南風，最大風速26 m∕s，平均風速2.3 m∕s。太陽能資源豐富，年平均日照時數(shù)為3 056.4 h，平均日照百分率69%。最冷月平均溫度為-8.8 ℃，最熱月平均溫度為22.7 ℃。供暖度日數(shù)（HDD18）值為3 971，空調(diào)度日數(shù)（CDD26）值為3。因此，該地區(qū)住宅建筑必須充分考慮外圍護結(jié)構(gòu)的保溫要求，以保證冬季供暖期節(jié)能需求，但夏季可以不考慮防熱問題[6]。因此，文章重點就冬季供暖期建筑節(jié)能保溫進行研究，當?shù)毓┡跒?0月25日至次年3月31日，共158 d，室內(nèi)房間均有采暖需求。供暖期室外干球溫度如圖3 所示，供暖期太陽能輻射量如圖4所示。供暖期內(nèi)室外干球溫度最低為-19.49 ℃，室外干球溫度最高為13.74 ℃，最大太陽能輻射量為61.38 kWh，最小太陽能輻射量為8.01 kWh。

圖3 供暖期室外干球溫度

圖4 供暖期太陽能輻射量

2 研究方法與結(jié)果分析

2.1 研究方法

研究采用正交實驗方法，正交實驗是一種多因素實驗設(shè)計方法，旨在通過最少的試驗次數(shù)，準確地確定多個因素對響應(yīng)變量的影響程度。正交實驗可以在保證實驗結(jié)果可靠性的前提下，盡可能地減少試驗次數(shù)，從而節(jié)省時間和成本。其能夠統(tǒng)計分析因素主效應(yīng)和交互作用，從而分析出對建筑能耗影響最大的因素，為建立模型和制定優(yōu)化方案提供有力支持。

在該章節(jié)中，用4 個參數(shù)來表示建筑圍護結(jié)構(gòu)的性能，每個參數(shù)有3 個水平，因此，采用L9正交表格設(shè)計，見表2[7]。參數(shù)A、B、C、D分別為外墻U值，屋頂U值，窗戶U值，和南側(cè)窗墻比。參數(shù)A的3個水平為1.90 W∕m2·K、0.98 W∕m2·K、0.26 W∕m2·K。參數(shù)B的3個水平為4.1 W∕m2·K、1.74 W∕m2·K、0.28 W∕m2·K。參數(shù)C的3個水平為5.9 W∕m2·K、2.73 W∕m2·K、1.78 W∕m2·K。參數(shù)D的3個水平為30%、50%、70%。

表2 L9正交實驗設(shè)計

2.2 研究結(jié)果與分析

利用DesignBuilder 軟件對上述L9表格進行組合、分析和模擬計算，得到結(jié)果見表3。根據(jù)表3 中的數(shù)據(jù)對影響因素進行主效應(yīng)分析，計算得到每個參數(shù)和每個水平的能耗平均值。為第j列的參數(shù)去i級別時，所得到的實驗結(jié)果平均值其公式如下：

表3 L9正交實驗?zāi)M結(jié)果

式中：n為第j列i水平的因素出現(xiàn)次數(shù)，kij為第j列i水平的因素實驗結(jié)果之和，Rj為第j列的極差，公式如下：

在正交實驗中，因素平均值極差反映了各因素對響應(yīng)變量的影響程度，極差越大意味著該因素對響應(yīng)變量有較大影響，應(yīng)該被進一步研究分析，以確定其最優(yōu)水平[8]。

經(jīng)過計算，正交實驗建筑能耗多因素分析結(jié)果見表4。由表4可知，屋頂U值對能耗的影響最為顯著，外墻和窗戶U值影響次之，南側(cè)窗墻比對建筑能耗影響較小。因此，在降低建筑能耗時對屋頂和外墻的保溫尤其重要。通過正交實驗可得最優(yōu)方案為：A3+B3+C3+D3。最差方案為A1+B1+C1+D2。

表4 正交實驗建筑能耗多因素分析結(jié)果

3 圍護結(jié)構(gòu)保溫分析

目前建筑圍護結(jié)構(gòu)的保溫措施主要有外墻、屋頂、內(nèi)墻鋪設(shè)保溫材料保溫，窗戶保溫等幾種方式。其中以外墻、屋頂、內(nèi)墻鋪設(shè)保溫材料的保溫方式應(yīng)用最廣，常用的鋪設(shè)保溫材料主要有聚苯乙烯泡沫板（EPS）、玻璃棉、酚醛板、生態(tài)保溫材料、相變材料（PCM）等。

PCM 是一類具有特定溫度下固－液相變能力的材料，能在相變時釋放或吸收大量熱量并保持物質(zhì)內(nèi)部溫度穩(wěn)定。PCM 保溫是建筑行業(yè)中一項快速發(fā)展且有前景的技術(shù)，PCM可在建筑中承擔多種作用包括冷∕熱負荷削減和轉(zhuǎn)移，提高住宅熱舒適性、建筑材料溫度控制等[9]。PCM 與圍護結(jié)構(gòu)結(jié)合的方法主要有以下幾種：（1）直接摻入法；（2）浸沒法；（3）封裝法；（4）形成形狀穩(wěn)定的相變材料；（5）PCM復合材料法[10]。

窗戶保溫指的是采用低輻射玻璃、中空玻璃等保溫玻璃材料，提高建筑的保溫性能。

實驗?zāi)Ｐ椭饕ㄟ^改變圍護結(jié)構(gòu)形式及保溫材料，提高屋頂、外墻、玻璃的保溫性能，以達到降低建筑能耗的目的[11]。

3.1 屋頂

通過正交實驗分析可知，屋頂U值對建筑能耗的影響最大，因此，提高屋頂?shù)谋匦阅埽墙档徒ㄖ芎淖钪匾氖侄沃?，屋頂使用的保溫層材料及U值見表5。圖5 為不同保溫材料屋頂?shù)脑虏膳芎?，由圖5 可知使用PUR+PCM 保溫效果最好，使用PUR 保溫材料次之，XPS 保溫材料的節(jié)能效果優(yōu)于玻璃棉板和EPS 保溫材料，酚醛板保溫材料節(jié)能效果最差。PUR+PCM的節(jié)能率可達48.3%，PUR保溫材料的節(jié)能率為46.9%，XPS 保溫材料的節(jié)能率為46.4%，玻璃棉板保溫材料的節(jié)能率為46.1%，EPS 保溫材料的節(jié)能率為45.7%，酚醛板保溫材料的節(jié)能率為45.6%。

表5 屋頂保溫材料及平均傳熱系數(shù)（U）值

圖5 不同保溫材料屋頂-月采暖能耗

3.2 外墻

外墻使用的保溫材料與屋頂相同，圖6 為不同保溫材料外墻的月采暖能耗。由圖6 可知使用PUR+PCM保溫效果最好，使用PUR保溫材料次之，XPS保溫材料的節(jié)能效果優(yōu)于玻璃棉板和EPS保溫材料，酚醛板保溫材料節(jié)能效果最差。PUR+PCM的節(jié)能率可達22.8%，PUR 保溫材料的節(jié)能率為20.9%，XPS 保溫材料的節(jié)能率為20.5%，玻璃棉板保溫材料的節(jié)能率為19.9%，EPS 保溫材料的節(jié)能率為19.5%，酚醛板保溫材料的節(jié)能率為19.4%。

圖6 不同保溫材料外墻-月采暖能耗

3.3 窗戶

在該部分主要討論玻璃類型及厚度、填充氣體類型、氣層厚度等因素對住宅建筑能耗的影響。選取的窗戶類型見表6。圖7 為不同窗戶類型建筑總能耗，圖7可知能耗A＞B＞C＞D＞F，可知，采用雙層中空玻璃或低輻射玻璃的節(jié)能效果優(yōu)于單層玻璃。能耗B＞C＞D 可知，氣層厚度16 mm 節(jié)能效果最佳，12 mm 次之，6 mm 最差。能耗C＞E＞F 可知，填充氪氣的節(jié)能效果最佳，填充氬氣次之，填充空氣最差。能耗C＞G可知，3mm雙層中空玻璃的節(jié)能效果優(yōu)于6mm雙層中空玻璃。H的能耗最小，采用低輻射LOW-E玻璃的節(jié)能效果最佳。

表6 選取的窗戶類型

圖7 不同窗戶類型建筑總能耗

4 圍護結(jié)構(gòu)保溫優(yōu)化結(jié)果

該建筑圍護結(jié)構(gòu)在未采用任何保溫材料時，初始建筑能耗為192.14kWh∕m2。該建筑采用最佳保溫措施為屋頂和外墻采用PUR+PCM 保溫，外窗采用3-12-3LOW-E 低輻射雙層中空玻璃，優(yōu)化后結(jié)果如圖8 所示，該結(jié)果表明建筑采用最佳保溫措施后能耗為45.73kWh∕m2，節(jié)能率為76.2%。從圖中還可以看出，12月和1月最冷月時期，采取保溫措施后建筑節(jié)能效果最為明顯，2 月和11 月時期節(jié)能效果次之。因此，建筑圍護結(jié)構(gòu)采用最佳保溫措施后可以有效地降低建筑能耗。

圖8 優(yōu)化后月總建筑能耗

5 結(jié)論

該文章采用正交實驗法評估了酒泉地區(qū)農(nóng)村住宅10 月25 日至次年3 月31 日供暖期間，外墻平均傳熱系數(shù)（U）值，屋頂U值，窗戶U值及南側(cè)窗墻比對建筑能耗的影響。正交實驗結(jié)果表明屋頂U值對建筑能耗的影響最為顯著，外墻和窗戶U值影響次之，南側(cè)窗墻比對建筑能耗影響較小。其次，基于DesignBuilder 能耗模擬軟件，模擬了農(nóng)村住宅圍護結(jié)構(gòu)不同保溫材料和保溫形式對建筑能耗影響。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)最佳的屋頂和外墻保溫措施為PUR+PCM 保溫，優(yōu)化后節(jié)能率分別為48.3%和22.8%。最佳的窗戶保溫形式為3-12-3LOW-E 低輻射雙層中空玻璃。圍護結(jié)構(gòu)整體優(yōu)化后建筑能耗為45.73 kWh∕m2，建筑節(jié)能率可達到76.2%。

綜上所述，在中國西北嚴寒地區(qū)，對于農(nóng)村住宅建筑圍護結(jié)構(gòu)采取合理的保溫措施對降低建筑能耗具有顯著作用。對于農(nóng)村住宅建筑，做好外圍護結(jié)構(gòu)地保溫的目的是達到節(jié)能，節(jié)省供暖成本，但建筑外圍護結(jié)構(gòu)保溫體系不能一味地追求其保溫效果而忽略其經(jīng)濟性，這將使得建筑本身的建筑成本增加，使得外圍護保溫失去其真正的意義。所以，在進行外圍護結(jié)構(gòu)熱工性能計算時，應(yīng)充分考慮農(nóng)村地區(qū)的經(jīng)濟狀況，使得外圍護結(jié)構(gòu)保溫體系的經(jīng)濟性與節(jié)能性能達到一個平衡點，這樣才能發(fā)揮保溫結(jié)構(gòu)真正作用，使其有一個長足的發(fā)展。