郭 磊，齊子姝，郭利敏

吉林建筑大學(xué) 市政與環(huán)境工程學(xué)院,長春 130118

0 引言

隨著我國城鎮(zhèn)化不斷加速,能源消耗迅速增長.2020年建筑能耗達到能源消耗總量35 %[1],其中農(nóng)村能耗將占全國建筑總能耗的37 %[2],采暖能耗占農(nóng)村能耗的70 %,較高的采暖能耗主要是由于農(nóng)村建筑圍護結(jié)構(gòu)保溫性差[3].因此,對既有農(nóng)村住宅建筑進行節(jié)能改造已成為我國推進節(jié)能減排的重要任務(wù).魯東地區(qū)為溫帶大陸性季風氣候,夏季暖熱多雨,冬季寒冷干燥,采暖方式以燃煤為主.由于經(jīng)濟條件和技術(shù)工藝限制,舊有農(nóng)宅多由磚和木材搭建而成，相互獨立且體形系數(shù)大,多采用單層玻璃木制門窗,而且絕大多數(shù)住宅墻面和屋面未采取保溫措施,導(dǎo)致農(nóng)宅能耗大且能源利用效率低.本文針對該地區(qū)農(nóng)村住宅特點,設(shè)計計算模型,利用Designbuilder軟件模擬農(nóng)宅的能耗情況進行經(jīng)濟可行性分析,得出適應(yīng)于不同消費群體的圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能改造方案.

1 原始計算模型建立

山東省高密市后張魯村所處位置屬于我國寒冷地區(qū),按照《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》(GB 50176-93),寒冷地區(qū)具有冬季較長而且寒冷干燥的氣候特征,年平均氣溫12.3 ℃,1月份為全年的最冷月,平均氣溫為-3.3 ℃,采暖季為11月15日至次年的3月15日,共121 d.當?shù)氐湫娃r(nóng)宅坐北朝南,單層,房屋東西長為15 m,南北寬6 m,外墻為普通240 mm磚墻,內(nèi)墻為普通120 mm磚墻,窗戶為3 mm玻璃單層木窗,層高3.5 m,屋頂為斜屋頂,總建筑面積為90 m2,模型如圖1所示,圍護結(jié)構(gòu)具體性能參數(shù)見表1.

圖1 典型農(nóng)宅模型Fig.1 Typical farm house model

表1 模型建筑圍護結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Envelope parameters of model building

利用EnergyPlus的Designbuilder模塊數(shù)值計算方法進行能耗模擬,根據(jù)非穩(wěn)態(tài)傳熱原理,對建筑圍護結(jié)構(gòu)、空氣處理系統(tǒng)和暖通空調(diào)系統(tǒng)三大板塊進行集成同步求解.該軟件采用熱平衡法模擬建筑的動態(tài)負荷,且基于墻體內(nèi)表面溫度采用傳遞函數(shù)法CTF(cond-uction transfer function)模擬圍護結(jié)構(gòu)如墻體、屋頂、地板和窗戶等的瞬態(tài)傳熱[4].

設(shè)定室內(nèi)采暖控制溫度為18 ℃,并將換氣率設(shè)置為0.5 次/h.冬季人員活動相對固定,全天3人,冬季平均服裝熱阻為1.23 clo.開燈時間分為6∶00～7∶00和19∶00～22∶00兩個時段,照明功率密度設(shè)為5.0 W/m2,忽略其他非加熱設(shè)備的散熱.通過DesignBuilder模擬計算,該住宅采暖季熱負荷指標為51.0 W/m2,并不能滿足山東省節(jié)能65 %的規(guī)定值.為了提高農(nóng)村節(jié)能效率和農(nóng)村居民生活質(zhì)量,對既有農(nóng)村住宅圍護結(jié)構(gòu)進行節(jié)能改造十分必要.

2 單因素對能耗的影響

通過對外墻構(gòu)造、屋頂構(gòu)造、外窗類型和南北向窗墻比進行能耗模擬,并分析單一建筑構(gòu)件對建筑能耗的影響趨勢,研究影響建筑能耗的因素取值范圍.

2.1 外墻保溫層厚度

外墻作為圍護結(jié)構(gòu)的重要組成部分,其熱工性能對建筑的能耗有較大影響.因此,加強外墻保溫是提高冬季室內(nèi)溫度、減少建筑能耗的有效途徑之一.農(nóng)村經(jīng)濟欠發(fā)達,大多數(shù)農(nóng)戶為了節(jié)約建造成本一般不考慮加設(shè)保溫層.極少數(shù)農(nóng)戶會在加入秸稈作為外墻保溫材料,但由于施工不規(guī)范,后期維護得不到保障,墻體會有墻皮開裂和脫落現(xiàn)象,影響美觀和保溫性能.在保溫材料的選擇上,采用聚苯乙烯泡沫板作為模擬保溫材料,因為其成本低、保溫性能好.建筑能耗與保溫層厚度之間的定量關(guān)系及相應(yīng)的節(jié)能率如圖2所示.當聚苯乙烯泡沫板的厚度在20 mm～100 mm之間時,保溫層厚度的變化對節(jié)能率有重要影響,當厚度達到100 mm時,節(jié)能率達到41.5 %,節(jié)能量為69.4 kWh/m2.

圖2 建筑能耗與保溫層厚度之間的定量關(guān)系及節(jié)能率Fig.2 The quantitative relationship between building energy consumption and insulation layer thickness and energy saving rate

2.2 屋頂保溫層厚度

屋頂與外界的接觸面積僅次于外墻,對農(nóng)宅頂部空間進行優(yōu)化改造可大幅度減少建筑能耗.魯東地區(qū)農(nóng)村的屋頂形式多為坡屋頂,屋面的主要材料為覆土、爐灰、茅草等,少數(shù)農(nóng)宅在屋面內(nèi)側(cè)采用天花板吊頂進行隔熱.圖3顯示了在天花板和原屋面上加設(shè)不同厚度保溫層的能耗對比,故屋頂保溫形式選用在天花板上鋪設(shè)輕質(zhì)材料,這樣不但節(jié)省保溫材料,減少散熱面積,還可以減小施工難度并保留室內(nèi)空間的完整性.建筑能耗與保溫層厚度之間的定量關(guān)系及相應(yīng)節(jié)能率如4圖所示.對于屋頂,當聚苯乙烯泡沫板的厚度在20 mm～80 mm之間時,保溫層厚度的變化對節(jié)能率有重要影響,當厚度達到80 mm時,節(jié)能率達到22.9 %,住宅能耗降低38.3 kWh/m2.

圖3 不同保溫層厚度能耗對比Fig.3 Energy consumption of different insulation thickness

圖4 保溫層厚度與建筑能耗之間的定量關(guān)系及節(jié)能率Fig.4 The quantitative relationship between building energyconsumption and insulation layer thickness and energy saving rate

2.3 外窗類型

外窗是建筑圍護結(jié)構(gòu)中保溫性能較弱的部分,為改善室內(nèi)熱環(huán)境,節(jié)約能源,對既有農(nóng)宅的外窗進行更換.針對當?shù)?種不同傳熱系數(shù)的窗戶類型目前的使用情況進行選擇分析,見表2.

表2 外窗傳熱系數(shù)及建筑能耗Table 2 External window heat transfer coefficient and building energy consumption

根據(jù)表2中建筑能耗模擬計算可知,無論是單層玻璃還是雙層玻璃，只通過增加玻璃厚度的方式并不能顯著地降低能源消耗,采用加大空氣隔層的方法可一定程度上降低能耗.將3 mm雙層玻璃窗的空氣隔層由6 mm增加至13 mm厚度時,住宅能耗降低3.8 kWh/m2.

2.4 窗墻比

窗墻比是節(jié)能設(shè)計的重要指標,其對采暖能耗的影響具有雙重性.一方面可以獲得更多的太陽輻射,改善冬季室內(nèi)熱環(huán)境;另一方面,外窗的傳熱系數(shù)較大,導(dǎo)致采暖能耗增加.因此,應(yīng)根據(jù)性能要求和氣候條件確定合適的窗墻比.該地區(qū)的農(nóng)村民居通常只在南北兩側(cè)有窗戶,因此模擬了這兩個側(cè)面的窗墻比.當南面窗墻比作為變量時,北窗墻比為0，反之亦然.模擬結(jié)果如圖5，圖6所示.

圖5 南向窗墻比與能耗和太陽輻射的關(guān)系Fig.5 Relationship among the south window-wall ratio,energy consumption and solar radiation

圖6 北向窗墻比與能耗和太陽輻射的關(guān)系Fig.6 Relationship among the north window-wall ratio,energy consumption and solar radiation

由圖5所示可知,隨著南面窗墻比的增加,能耗線性下降.雖然增大外窗的尺寸會增加散熱面積,但可以引入更多的太陽輻射,有利于降低能耗.由圖6可知，隨著北窗墻比的增加,能耗線性增加,窗墻比與能耗具有良好的線性擬合度和顯著的線性關(guān)系,窗墻比每增加10 %,南部和北部的能耗分別變化1.53 kWh/m2和2.14 kWh/m2.

3 全面節(jié)能改造

根據(jù)單因素對能耗影響的分析結(jié)果,將上述分析的5個單因素作為變量(外墻和屋頂?shù)谋睾穸取⑼獯邦愋?、南北窗墻?,根據(jù)能耗模擬情況,改造設(shè)計取值分別選取外墻保溫材料厚度為40 mm,60 mm,80 mm,100 mm,屋頂保溫材料厚度為20 mm,40 mm,60 mm,80 mm.考慮到節(jié)能、采光、結(jié)構(gòu)等方面的要求,外窗的傳熱系數(shù)為1.78 W/(m2·K),2.47 W/(m2·K),2.71 W/(m2·K),3.16 W/(m2·K),南窗墻比取0.3,0.4,0.5,0.6,北窗墻比取0.1,0.2,0.3,0.4.通過正交實驗,分析了最佳參數(shù)組合及其對建筑能耗的意義.

通過給出的正交表和能耗數(shù)據(jù),運用極差分析法得到了最佳參數(shù)組合,以及對能耗影響的主次關(guān)系.如表3所示,量程越大,實驗指標的變化越大,結(jié)果表明,各設(shè)計因素影響的重要性排序為:B(屋面保溫厚度)>A(外墻保溫厚度)>C(外窗類型)>E(北窗墻比)>F(南窗墻比).

表3 正交試驗設(shè)計表Table 3 Orthogonal test designs table

本文以建筑能耗作為實驗指標,因此指標值越小,越有利于節(jié)能降耗.結(jié)合我國《農(nóng)村單體居住建筑節(jié)能設(shè)計標準》的相關(guān)規(guī)定,得出最佳參數(shù)組合為A4,B4,C1,D3,E2,對應(yīng)值分別為100 mm,80 mm,3 mm/13 mm雙層Low-E玻璃窗、0.5,0.2.該組合能耗為45.69 kWh/m2,與參考建筑相比,節(jié)能率為72.7 %.

4 節(jié)能改造經(jīng)濟性分析

既有農(nóng)村住宅節(jié)能改造措施在考慮技術(shù)條件的同時,也應(yīng)該注重經(jīng)濟可行性.農(nóng)村居民對節(jié)能帶來的經(jīng)濟效益并不清楚,其改造意愿和可以接受的投資金額極大地影響了改造方案制定和實施.將最佳參數(shù)組合中單因素進行合理組合,得出的7種組合的成本也存在較大差異.按照表4已給出的改造成本,22 990 kJ的煤炭按照700元/t,計算得到不同改造方式的靜態(tài)投資回收期[5].

表4 農(nóng)村住宅節(jié)能量及改造投資回收期Table 4 Rural residential energy saving and payback period

通過建筑能耗計算和經(jīng)濟性分析,對圍護結(jié)構(gòu)進行單項節(jié)能改造時,外墻進行改造成本最低,節(jié)能效率最高,投資回收期最短,約為7年;對外墻和屋頂進行綜合改造的節(jié)能率為59.5 %,投資回收期遠低于其他改造方案,約為10年;對外窗、外墻和屋頂進行綜合改造為最佳方案,雖然初期投資較大,為3.3萬元,但其節(jié)能率高達72 %且投資回收期約為13年.根據(jù)經(jīng)濟性分析,明確不同改造方案的成本和投資回收年限,為農(nóng)戶提供恰當合理的節(jié)能改造方案,以滿足農(nóng)戶對居住空間節(jié)能舒適的基本要求.

5 結(jié)論

通過對魯東地區(qū)既有農(nóng)宅的設(shè)計因素和建筑模擬能耗的定量分析得出如下結(jié)論:

(1) 根據(jù)正交實驗結(jié)果,在給定的參數(shù)值范圍內(nèi),設(shè)計因素影響的重要性排序為:屋面保溫厚度>外墻保溫厚度>外窗類型>北窗墻比>南窗墻比.

(2) 最佳參數(shù)組合為外墻加設(shè)100 mm厚保溫層、屋面加設(shè)80 mm厚保溫層、更換3 mm/13 mm雙層Low-E玻璃窗、設(shè)南向窗墻比為0.5、北向窗墻比為0.2.

(3) 在資金有限的情況下,將外墻加裝100 mm聚苯乙烯泡沫板作為首選方案,節(jié)能效果明顯,且投資回收期最短,約為7年.

(4) 在資金充裕且室內(nèi)舒適度要求高的情況下,對外墻和屋頂分別加設(shè)100 mm和80 mm聚苯乙烯泡沫板并更換3 mm/13 mm雙層Low-E玻璃窗為最佳方案,節(jié)能率高達72 %,投資回收期約為13年.

雖然農(nóng)村住宅節(jié)能改造可大幅度降低采暖季能耗,但改造前應(yīng)對農(nóng)宅進行結(jié)構(gòu)安全評估，不符合安全要求的既有農(nóng)宅不予實施節(jié)能改造，同時最大限度地保留農(nóng)村特色文化風貌,因地制宜,選取最佳的節(jié)能改造方案.