基于DeST的陜西關(guān)中地區(qū)既有農(nóng)宅節(jié)能改造方案分析

摘要：為有效降低既有農(nóng)宅能耗，以陜西關(guān)中地區(qū)某農(nóng)村住宅為研究對象，采用軟件模擬和對比分析方法，利用DeST-h軟件對不同節(jié)能措施下既有農(nóng)宅的負(fù)荷進行模擬分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，外墻改造對建筑節(jié)能影響最大，屋頂次之，外窗和外門影響較小?；谶@些發(fā)現(xiàn)，為居民提供靈活的節(jié)能改造方案，不僅有助于推動既有農(nóng)宅的節(jié)能改造工作，還能實現(xiàn)能源節(jié)約和環(huán)境保護的雙重目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：陜西關(guān)中地區(qū)；外圍護結(jié)構(gòu)；節(jié)能改造；建筑負(fù)荷

0引言

既有農(nóng)宅節(jié)能改造對于我國能源改革具有重大影響。根據(jù)《中國建筑能耗與碳排放研究報告（2022年）》的數(shù)據(jù)，2020年全國建筑全過程能耗總量占全國能源消耗總量的45.5%，碳排放總量占全國碳排放的50.9%[1]。農(nóng)村建筑占全國建筑的比重不容輕視?！吨袊ㄖ?jié)能年度發(fā)展研究報告2023（城市能源系統(tǒng)專題）》顯示，2023年全國既有農(nóng)宅建筑面積約占全國建筑總面積的33.3%，既有農(nóng)宅的能耗占建筑運行總能耗的26.8%[2]。因此，對既有農(nóng)宅節(jié)能改造進行研究具有重要的意義。

陜西關(guān)中地區(qū)既有農(nóng)宅因其建造年代、建造技術(shù)及經(jīng)濟情況等多種因素的限制，絕大多數(shù)都未采用任何節(jié)能措施。該地區(qū)既有農(nóng)宅外墻采用普通的二四磚墻，屋頂為預(yù)制樓板，門窗以鐵或合金為主，室內(nèi)熱環(huán)境整體較差，且日常的能源消耗也處于較高水平，因此要實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保目標(biāo)，亟須對既有農(nóng)宅進行節(jié)能改造。進行改造時，不僅要考慮居民的改造意愿，而且要盡可能地減小對其生活造成的影響[3]。從技術(shù)上看，節(jié)能方式可分為主動式與被動式兩種。主動式能通過使用節(jié)能設(shè)備或其他方式，并充分利用可再生能源實現(xiàn)節(jié)能目的；被動式需要對建筑本身進行較大修補或替換，如對墻體、屋頂、門窗等進行改造，所需時間及成本較高，但節(jié)能效率可觀?，F(xiàn)有研究多集中于城市建筑的單一節(jié)能措施效果，缺乏多因素綜合考慮，一定程度上削弱了研究成果的實際應(yīng)用價值。

鑒于此，本文探究能夠有效降低既有農(nóng)宅能源消耗的被動式節(jié)能改造方案，以陜西關(guān)中地區(qū)某農(nóng)村住宅為研究對象，采用軟件模擬和對比分析方法，利用DeST-h軟件對不同節(jié)能措施下既有農(nóng)宅的負(fù)荷進行模擬分析，最終探究出適合當(dāng)?shù)?、?jié)能效果好且經(jīng)濟成本低的節(jié)能改造方案。

1研究方法

1.1現(xiàn)場調(diào)研

本研究選取陜西關(guān)中地區(qū)某農(nóng)村住宅為研究對象，通過現(xiàn)場調(diào)研，實地走訪該村居民，獲取建筑的基本信息和具體參數(shù)。由于村內(nèi)中老年人人數(shù)偏多，數(shù)據(jù)內(nèi)容主要依靠問答形式進行完善，并在調(diào)研過程中拍照記錄了部分住宅的典型構(gòu)造，以保證數(shù)據(jù)來源的真實性和可靠性。

1.2軟件模擬

為了計算既有農(nóng)宅的建筑能耗，選取DeST軟件進行模型構(gòu)建。該軟件由清華大學(xué)自主研發(fā)，其材料數(shù)據(jù)庫更適合國內(nèi)具體情況。該軟件包含DeST-h和DeST-c等多個模塊，分別對應(yīng)住宅建筑和公共建筑等。

2現(xiàn)狀調(diào)研及模型構(gòu)建

2.1調(diào)研結(jié)果分析

以陜西關(guān)中地區(qū)某農(nóng)村157戶家庭作為調(diào)研對象，調(diào)研內(nèi)容主要包括兩個方面：一是建筑的基礎(chǔ)信息（表1），如建筑層數(shù)、建筑朝向、建筑面積、結(jié)構(gòu)形式；二是建筑的外圍護結(jié)構(gòu)信息（表2），如外墻、屋頂、門、窗。

2.2既有農(nóng)宅在節(jié)能中存在的問題

2.2.1建筑基礎(chǔ)信息

在建筑層數(shù)的選擇上，受歷史建造年代和相關(guān)政策的影響，一部分家庭傾向于建造二層農(nóng)宅。雖然這樣的設(shè)計在視覺上給人以宏偉之感，但在實用性方面卻稍顯不足。鑒于農(nóng)村宅基地的寬敞面積，家庭擁有充足的空間來滿足居住需求及雜物存放需求，加之單層建筑為老年人提供了更多的行動便利，因此，選擇建造單層住宅的家庭占據(jù)了較大比例。然而，單層建筑較大的進深有時會限制自然采光和通風(fēng)效果。為了補償光線不足和維持室內(nèi)溫度，建筑需要更多的照明和空調(diào)能源，導(dǎo)致能源消耗的增加。[5]。

在建筑朝向的設(shè)計上，研究表明，在陜西關(guān)中地區(qū)，當(dāng)建筑朝向介于南偏西30°至正南之間時，建筑能耗最低[6]。調(diào)研對象所在地區(qū)的住宅建筑多為聯(lián)排式，其建筑朝向普遍統(tǒng)一，且大多數(shù)接近南北向，實施優(yōu)化措施的可行性相對較低。

在結(jié)構(gòu)形式上，調(diào)研地區(qū)的建筑大多采用磚混結(jié)構(gòu)，少部分為磚木結(jié)構(gòu)和土木結(jié)構(gòu)。雖然這些結(jié)構(gòu)形式與過去相比有所進步，但在實現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)的要求下，這些建筑仍存在多個方面的不足。具體問題包括：圍護結(jié)構(gòu)的熱工性能不足、氣密性差、材料使用不當(dāng)?shù)?，這些問題都影響了建筑的能源效率。

2.2.2外圍護結(jié)構(gòu)信息

在建筑節(jié)能方面，外墻、屋頂和地面的保溫問題主要體現(xiàn)在保溫材料的選擇和使用上。傳統(tǒng)建筑的外墻往往缺乏有效的保溫措施，導(dǎo)致墻體保溫性能不足，熱量流失嚴(yán)重。屋頂?shù)谋匦Ч艿剿x材料和施工質(zhì)量的直接影響，而既有農(nóng)宅在這兩點上常常存在不足。地面直接與土壤接觸，缺乏必要的保溫措施，導(dǎo)致部分熱量通過地面散失，進而影響室內(nèi)溫度的恒定性。同時，普通門窗由于較高的導(dǎo)熱系數(shù)和不足的隔熱性能，能耗占據(jù)了建筑外圍護結(jié)構(gòu)總能耗的40%以上，凸顯了門窗在建筑節(jié)能中的重要性。這些因素綜合作用，顯著降低了建筑的室內(nèi)熱環(huán)境質(zhì)量，并導(dǎo)致了建筑能源消耗的增加。

2.3模型構(gòu)建

以陜西關(guān)中地區(qū)某典型單層農(nóng)宅建筑為研究對象進行建模，如圖1所示。外圍護結(jié)構(gòu)見表3。根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，典型農(nóng)宅建筑在一年中的累計熱負(fù)荷達到了8 040.14kW·h，而冷負(fù)荷則累計為1 293.23kW·h。

3節(jié)能改造措施研究

3.1改造可行性分析

在探討建筑節(jié)能的關(guān)鍵因素時，優(yōu)化熱工性能顯得尤為關(guān)鍵。通過有選擇性地進行建筑改造，不僅可以顯著改善室內(nèi)熱環(huán)境，提升居住的舒適度，還能有效實現(xiàn)降低能耗的目標(biāo)。為了確保所選路徑的合理性和可行性，本文選取熱工變量進行分析。改造措施可行性分析見表5。

3.2節(jié)能改造措施分析

由于農(nóng)村住宅在建造時普遍未將室內(nèi)熱工性能納入考量，加之居民主要依賴農(nóng)業(yè)收入，經(jīng)濟條件有限，難以投資于高效的保溫材料和節(jié)能門窗，因此，對外圍護結(jié)構(gòu)進行節(jié)能改造不僅至關(guān)重要，而且具有巨大的改進潛力。節(jié)能改造措施分析見表6。

4節(jié)能改造方案效果分析

經(jīng)過深入調(diào)研發(fā)現(xiàn)，農(nóng)村住宅建筑普遍面臨保溫性能不足的問題。由于建造時期較早，且當(dāng)時節(jié)能意識的不足，這些建筑的外墻和屋頂普遍缺乏保溫材料。具體而言，外墻多采用傳統(tǒng)的二四墻體結(jié)構(gòu)，僅以水泥砂漿和抹灰作為表面處理，而屋頂則普遍使用預(yù)制板。此外，外門多為木制或鐵制框架搭配玻璃，窗戶則多為導(dǎo)熱系數(shù)較高的鋁合金單層玻璃窗或普通塑鋼窗。這些材料的高導(dǎo)熱性導(dǎo)致室內(nèi)熱環(huán)境控制困難，尤其在極端氣候條件下，室內(nèi)外溫差巨大，顯著增加了冬季采暖和夏季制冷的能源消耗，加劇了能源浪費問題。為了探索提高農(nóng)村住宅建筑節(jié)能效率的有效途徑，利用DeST-h軟件對不同的節(jié)能措施進行能耗模擬分析，具體如下：

4.1節(jié)能改造措施效果分析

4.1.1外墻增設(shè)保溫層

針對建筑外墻，增設(shè)合理的保溫材料，提高建筑的保溫性能，減少熱量流失。本文選取稻草板、聚氨酯泡沫板及聚苯乙烯泡沫板（EPS）三種常用的保溫材料，在此基礎(chǔ)上探究各材料在40mm～120mm厚度時建筑累計熱負(fù)荷與冷負(fù)荷的變化情況及節(jié)能效率。保溫層參數(shù)見表7。

運用DeST-h軟件進行能耗模擬，三種材料在不同厚度下的全年累計熱負(fù)荷和冷負(fù)荷如圖2和圖3所示。

由圖2和圖3可知，隨著保溫材料厚度的增加（導(dǎo)熱系數(shù)降低），農(nóng)宅建筑的全年累計熱負(fù)荷與冷負(fù)荷都明顯降低，且120mm厚度的草板與40mm厚度的EPS板的節(jié)能效果非常接近，EPS板與聚氨酯泡沫板的全年累計負(fù)荷曲線變化大致相同，且在100mm后能耗降低速率減慢。外墻較優(yōu)保溫措施的節(jié)能效率分析見表8。

在外墻保溫的設(shè)計和實施中，必須權(quán)衡節(jié)能效果與經(jīng)濟成本。當(dāng)經(jīng)濟條件有限時，可以選擇使用120mm或更厚的草板作為保溫材料，這樣的厚度可以有效降低約28.92%的熱負(fù)荷和23.93%的冷負(fù)荷。而當(dāng)經(jīng)濟條件允許時，推薦使用80mm～100mm的EPS板作為保溫材料。以80mm的EPS板為例，其可降低35.08%的熱負(fù)荷和27.94%的冷負(fù)荷。

4.1.2屋頂增設(shè)保溫層

針對建筑屋頂，本文經(jīng)調(diào)研選取一層建筑作為典型建筑。其大多為預(yù)制板所構(gòu)成的平屋頂。屋頂受雨雪天氣影響較大，在保溫材料選擇時，除了考慮保溫性能，還需考慮防水性能，或在屋頂加設(shè)防水層，以增強其防水能力。

在對屋頂進行改造時，仍選擇上述三種常用保溫材料進行實驗，整體曲線變化相似。屋頂較優(yōu)保溫措施的節(jié)能效率分析見表9。

綜合考慮下，當(dāng)經(jīng)濟條件有限時，可采用120mm草板加防水層的施工方式對屋頂進行保溫改造，可降低4.99%的熱負(fù)荷和25.36%的冷負(fù)荷；當(dāng)經(jīng)濟條件較好時，建議采用80mm聚氨酯板進行施工，可降低6.21%的熱負(fù)荷和30.99%的冷負(fù)荷。雖然聚氨酯板價格略貴于EPS板，但其節(jié)能效率整體高于EPS板，且由于其防水性能較好，可不設(shè)防水層。

4.1.3更換外窗

針對外窗改造，淘汰現(xiàn)用的普通單層玻璃窗，選擇熱工性能和隔聲性能更好節(jié)能窗戶。這樣一方面可以有效增強建筑氣密性，減少室內(nèi)外熱量的交換；另一方面，可以降低采暖和制冷的能耗，實現(xiàn)節(jié)能效果。具體改造措施包括更換普通中空玻璃（中空9mm）或鍍Low-e膜中空玻璃（低透型）[10]。外窗改造相關(guān)參數(shù)見表10。

利用DeST-h軟件對不同窗戶的節(jié)能效率進行模擬，不同外窗的節(jié)能效率分析見表11。

4.1.4更換外門

外門作為建筑的一個重要開口部分，雖然對熱能傳遞有一定影響，但由于其在整個建筑外圍護結(jié)構(gòu)中所占比例相對較小，因此對外門進行改造對室內(nèi)熱環(huán)境的影響并不顯著。然而，對外門進行適當(dāng)?shù)谋睾兔芊馓幚?，仍然能夠?qū)μ嵘ㄖ恼w節(jié)能性能和居住舒適度產(chǎn)生積極作用。具體改造措施包括在門的周圍增加密封條、增設(shè)保溫門簾、選擇導(dǎo)熱系數(shù)較小的材料生產(chǎn)的門等。

4.2節(jié)能改造方案優(yōu)化

以上4種改造措施對節(jié)能效果的影響存在顯著差異，外墻對節(jié)能效果影響最大，屋頂次之，最后分別是外窗和外門。在綜合考慮經(jīng)濟情況和多因素對節(jié)能的共同影響下，本文給出三個方案。方案1：外墻和屋頂增設(shè)120mm草板保溫層+普通中空玻璃（中空9mm）；方案2：外墻和屋頂增設(shè)80mmEPS板保溫層+普通中空玻璃（中空9mm）；方案3：外墻增設(shè)100mmEPS板+屋頂增設(shè)100mm聚氨酯泡沫板+鍍Low-e膜中空玻璃（低透型）。三種方案的節(jié)能效率分析見表12。

三種改造方案與典型既有農(nóng)宅的總負(fù)荷對比如圖4所示?？梢?，通過對外墻、屋頂及門窗等外圍護結(jié)構(gòu)進行節(jié)能改造，可以提高房屋的氣密性、增強外圍護結(jié)構(gòu)的保溫性，降低既有農(nóng)宅的建筑能耗。

5結(jié)語

鑒于既有農(nóng)宅的外門占外圍護結(jié)構(gòu)的比例較小，對其進行節(jié)能改造對于建筑整體能耗影響甚微，因此當(dāng)經(jīng)濟條件有限時，可以不考慮外門改造，或選擇成本和影響較小的改造措施，如安裝外門保溫簾或增加門框密封條等。

通過對各項節(jié)能改造措施的效果對比可以發(fā)現(xiàn)，不同部位的改造對整體節(jié)能效果的貢獻程度存在差異。外墻改造對建筑節(jié)能的影響最為顯著，其次是屋頂改造，而外窗和外門的影響相對較小。因此，在經(jīng)濟條件有限的情況下，建議優(yōu)先考慮外墻改造，然后逐步推進屋頂改造，最后選擇外窗和外門的改造。這種分階段、按順序?qū)嵤┑牟呗钥梢栽诒ＷC節(jié)能效果的同時，實現(xiàn)成本效益的最大化。

本文針對不同的經(jīng)濟狀況，設(shè)計了三種節(jié)能改造方案，分別實現(xiàn)了43.29%、52.06%和56.02%的節(jié)能效果。在經(jīng)濟條件有限時，推薦采用外墻和屋頂增設(shè)120mm厚草板保溫層+普通中空玻璃（中空9mm）的方案（方案1）；在經(jīng)濟條件適中時，可以選擇外墻和屋頂增設(shè)80mm厚EPS板保溫層+普通中空玻璃（中空9mm）的方案（方案2）；而在經(jīng)濟條件允許時，建議采用外墻增設(shè)100mm厚EPS板+屋頂增設(shè)100mm厚聚氨酯泡沫板+鍍Low-E膜中空玻璃（低透型）的方案（方案3），以實現(xiàn)最佳節(jié)能效果。

綜合上述分析，實施節(jié)能改造方案后的農(nóng)宅在與典型既有農(nóng)宅顯示出顯著的改進。外圍護結(jié)構(gòu)的保溫性能、房屋的密封性能及室內(nèi)熱環(huán)境均得到明顯提升，同時采暖和制冷等建筑能耗也實現(xiàn)顯著降低。因此，對既有農(nóng)宅進行節(jié)能改造是十分必要的，不僅有助于提高居住舒適度，還能有效降低能源消耗，對推動可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

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收稿日期：2024-08-08

作者簡介：

張勇（1965—），男，博士，教授級高級工程師，研究方向：管理科學(xué)與工程。

王沛豐（通信作者）（1999—），男，研究方向：工業(yè)工程與管理。

劉少乾（2000—），男，研究方向：工業(yè)工程與管理。

張琪（2001—），女，研究方向：工業(yè)工程與管理。