■ 季貴斌 JI Guibin 劉云飛 LIU Yunfei

0 引言

2020 年，習(xí)近平總書記在“第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論”上作出“碳達(dá)峰、碳中和”的鄭重承諾，并在之后的“氣候雄心峰會(huì)”上提出了具體目標(biāo)；同年，在黨的十九屆五中全會(huì)及中央經(jīng)濟(jì)工作會(huì)議上作出了相關(guān)工作部署[1]。根據(jù)中國(guó)建筑節(jié)能協(xié)會(huì)能耗統(tǒng)計(jì)專委會(huì)發(fā)布的《中國(guó)建筑能耗研究報(bào)告2020》，“在居住建筑運(yùn)行階段，農(nóng)村能耗占全國(guó)能耗的38.41%，碳排放占全國(guó)碳排放的32.96%”，農(nóng)村建筑的耗能量和碳排放量不容小覷。因此，降低農(nóng)村居住建筑能耗和碳排放，對(duì)實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”和“碳中和”具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本文以豫東地區(qū)農(nóng)村住宅為研究對(duì)象，基于能耗模擬軟件對(duì)現(xiàn)有建筑進(jìn)行能耗分析并提出節(jié)能改造方案，以期為該地區(qū)農(nóng)村住宅節(jié)能改造提供技術(shù)支撐和參考。

1 項(xiàng)目概況

商丘市位于河南省東部，蘇魯豫皖四省交界處，屬于寒冷（2B）地區(qū)。

對(duì)豫東地區(qū)農(nóng)村建筑進(jìn)行調(diào)研，總結(jié)出當(dāng)?shù)氐湫偷慕ㄖ问綖榘牒显菏?。本文即選取其中某2 層典型半合院式住宅建筑為研究對(duì)象（圖1～3）：建筑坐北朝南，一層為客廳、臥室、廚房和洗手間，院中角落處設(shè)有單獨(dú)室外廁所；二層主屋布局基本與一層相同，房間功能除了臥室之外，還可用于儲(chǔ)藏、多功能間等；浴室和廚房上層是室外露臺(tái)，平時(shí)可供晾曬衣物和農(nóng)作物，也可放置太陽(yáng)能熱水器供一層生活使用。

圖1 一層平面圖

圖2 二層平面圖

圖3 軸測(cè)圖

2 原始建筑模擬

本研究基于斯維爾節(jié)能設(shè)計(jì)軟件（BECS 2020），該軟件收錄了《河南省居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（寒冷地區(qū)75%）》（DBJ 41/T 184—2017）（以下簡(jiǎn)稱《標(biāo)準(zhǔn)》）。由于該住宅層數(shù)較低（僅2 層），體型系數(shù)較大（s ＝0.6），超出了《標(biāo)準(zhǔn)》要求（s ≤0.52）。因此，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能判斷，且以該建筑物耗熱量指標(biāo)為判斷依據(jù)。

2.1 模型建立

依據(jù)原始建筑平面圖，在BECS 2020 軟件中建立原始建筑模型。軟件進(jìn)行能耗模擬時(shí)，需對(duì)建筑平面進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化：脫離建筑主體的院子和室外廁所等不參與能耗計(jì)算，故在模型建立中不予體現(xiàn)（圖4、5）。

圖4 模型一層平面圖

2.1.1 參數(shù)設(shè)置

根據(jù)原始建筑模型，設(shè)置符合現(xiàn)狀的建筑信息參數(shù)，如外墻、外門、外窗、屋頂?shù)葒o(hù)結(jié)構(gòu)的構(gòu)造和傳熱系數(shù)（表1）。

表1 原始模型圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造及傳熱系數(shù)

2.1.2 模擬結(jié)果

根據(jù)《標(biāo)準(zhǔn)》第4.3.2 條，“商丘地區(qū)3 層及以下建筑的耗熱量指標(biāo)限值為9.9 W/m2”。然而，模擬結(jié)果顯示，建筑物耗熱量指標(biāo)為56.61 W/ m2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)限定值9.9 W/ m2。究其原因，這是由于原始建筑的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)不滿足建筑節(jié)能的性能指標(biāo)要求，因此，需對(duì)其外圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行節(jié)能改造設(shè)計(jì)。

3 改造方案

3.1 方案模擬

圖5 模型二層平面圖

本研究在原始建筑模型的基礎(chǔ)上，嘗試對(duì)各圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行節(jié)能改造方案的模擬，如在原始建筑模型上增加保溫材料或更改門窗類型等，并通過(guò)優(yōu)選組合，以達(dá)到最優(yōu)節(jié)能效果。方案所用到的主要保溫材料及其傳熱系數(shù)如表2 所示。

表2 保溫材料傳熱系數(shù)

3.1.1 外墻方案

在原始模型的基礎(chǔ)上，只對(duì)外墻構(gòu)造進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，以此觀察外墻各方案模擬結(jié)果的變化（表3、圖6）。

表3 外墻方案

從圖6 可以看出，通過(guò)對(duì)外墻增加保溫層，可以使建筑耗熱量指標(biāo)降低；且保溫層材料傳熱系數(shù)越小，耗熱量指標(biāo)值越低。其原因是：提高外墻的保溫性能可以減少建筑通過(guò)外墻的熱損失并降低建筑物外墻內(nèi)表面的溫度波動(dòng)，使得建筑物室內(nèi)熱量交換趨于平衡[2]。

圖6 外墻方案模擬結(jié)果

3.1.2 外窗方案

在原始模型的基礎(chǔ)上，只對(duì)外窗構(gòu)造進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，以此觀察外窗各方案模擬結(jié)果的變化（表4、圖7）。

圖7 外窗方案模擬結(jié)果

表4 外窗方案

從圖7 可以看出，通過(guò)提高外窗的保溫性能，也可以降低建筑耗熱量指標(biāo)；且外窗保溫性能越好，耗熱量指標(biāo)值越低。原因是窗戶的傳熱系數(shù)K 值對(duì)于圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能較低、保溫性能較差的房屋有較明顯的作用，K 值越低，就越能夠降低房屋的整體能耗[3]。

3.1.3 外門方案

在原始模型的基礎(chǔ)上，只對(duì)外門構(gòu)造進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，以此觀察外門各方案模擬結(jié)果的變化（表5、圖8）。

表5 外門方案

從圖8 可以看出，通過(guò)提高外門的保溫性能，耗熱量指標(biāo)也隨之降低；且外門保溫性能越好，耗熱量指標(biāo)值越低。這是因?yàn)橥忾T同外窗一樣，屬于建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫薄弱點(diǎn)，提高外門的保溫性能可以減少建筑在外門位置的散熱量，降低房屋能耗。

圖8 外門方案模擬結(jié)果

3.1.4 屋頂方案

在原始模型的基礎(chǔ)上，只對(duì)屋頂構(gòu)造進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，以此觀察屋頂各方案模擬結(jié)果的變化（表6、圖9）。

表6 屋頂方案

從圖9 可以看出，增加屋頂?shù)谋匦阅軐?duì)耗熱量指標(biāo)的影響僅次于外墻，原因是屋頂占外圍護(hù)結(jié)構(gòu)面積僅次于外墻；同時(shí)，隨著屋頂保溫材料保溫性能和厚度的增加，節(jié)能效果也隨之提高，這是因?yàn)槲蓓數(shù)暮臒崃考s占建筑整體能耗的20%，對(duì)其進(jìn)行節(jié)能改造，有利于提高建筑保溫和節(jié)能性[4]。

圖9 屋頂方案模擬結(jié)果

3.2 綜合方案模擬

3.2.1 方案組合

根據(jù)上述結(jié)果，在外墻、外窗、外門和屋頂中，提高任意部位的保溫性能，都可以降低建筑的耗熱量指標(biāo)，即都具有節(jié)能效果。但是，不管是增加外墻和屋頂?shù)谋夭牧?，還是更換外門窗的構(gòu)造類型，都無(wú)法滿足耗熱量指標(biāo)限值9.9 W/m2的要求，因此，需要綜合以上方案，對(duì)原始模型進(jìn)行節(jié)能改造設(shè)計(jì)。

由于對(duì)耗熱量指標(biāo)影響最大的是外墻和屋頂保溫材料的選用，依據(jù)保溫材料的不同，可歸納出4 個(gè)綜合方案。其中，外門均選用雙層空心木質(zhì)門，外窗均選用塑料型材框+中空玻璃（6 mm 低透光Low-E+12 mm空氣+6 mm 透明）。4 種綜合方案的圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造及傳熱系數(shù)如表7 所示。

表7 綜合方案圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造及傳熱系數(shù)

3.2.2 方案優(yōu)選

由于造價(jià)、施工難度等方面也是進(jìn)行節(jié)能改造要考慮的重要因素，需要結(jié)合保溫材料的價(jià)格和施工難度，選出最合適的方案。綜合方案中所用到的保溫材料的施工工藝、單價(jià)及總價(jià)如表8 所示。

表8 保溫材料施工工藝、單價(jià)及總價(jià)

可以看出，前3 個(gè)方案的施工工藝均為粘貼+錨固，而綜合方案4 的施工工藝為粘貼，難度最低。結(jié)合價(jià)格和材料的保溫性能，選取綜合方案4 作為最終解決方案。

3.2.3 方案驗(yàn)證

對(duì)綜合方案4 進(jìn)行模擬分析，并與原始模型對(duì)比（圖10）。可以看出，耗熱量指標(biāo)從原始模型的55.61 W/m2，下降到綜合方案4的9.41 W/m2，降低了83.08%，完全滿足《標(biāo)準(zhǔn)》要求（限定值9.9 W/ m2），節(jié)能效果顯著。

圖10 模擬結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)論

通過(guò)斯維爾節(jié)能設(shè)計(jì)軟件對(duì)豫東地區(qū)農(nóng)村建筑進(jìn)行節(jié)能改造模擬分析可知，豫東地區(qū)農(nóng)村現(xiàn)有建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能極低，基本沒(méi)有建筑節(jié)能措施，建筑能耗大（耗熱量指標(biāo)約為《標(biāo)準(zhǔn)》的5.7 倍）。在對(duì)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的節(jié)能改造處理后，結(jié)果顯示耗熱量指標(biāo)僅為9.41 W/m2，比原始模型下降了83.08%，低于《標(biāo)準(zhǔn)》限定的9.9 W/m2，這說(shuō)明綜合方案4 對(duì)豫東地區(qū)農(nóng)村建筑的節(jié)能改造設(shè)計(jì)是可行、可靠的。本研究對(duì)于豫東地區(qū)農(nóng)村住宅的節(jié)能改造，具有一定的理論和指導(dǎo)意義。