唐山地区传统农居建筑本体节能改造模拟

张振迎，许禹菲，尹浩伊，刘璐

(华北理工大学 建筑工程学院, 河北 唐山 063210)

由于北方地区采暖时间长，农村居民用能不合理，导致农村居住建筑能耗成为我国建筑能耗的主要部分[1-3]。近年来，农村建筑节能逐渐受到关注，但目前所颁布的节能设计标准未精确考虑不同农村地区的气象条件及用能习惯，因此改善农居围护结构热工性能成为采暖节能的重要突破口。

近年来，相关学者对农村地区的室内热环境情况也进行了大量的研究，主要研究为对农村地区围护结构、采暖用能方式等进行调研，以及对既有农居的热物理参数进行现场测试并进行分析。国外学者Izzet Yuksek对土耳其农居围护结构进行研究，发现房间布局、面积、窗墙比对该地区农居的建筑节能起到重要作用[4]。Julie Gwilliam使用EnergyPlus和TRNSYS软件，对英国住宅外墙的传热系数、窗墙比、朝向等方面进行动态模拟，提出零能耗住宅优化策略[5]。Setiawan使用eQUEST软件对不同印尼西亚的住宅进行能耗模拟，分析外窗玻璃、遮阳形式、墙体构造、屋顶等对住宅能耗影响，结果表明，使用优质的外窗玻璃可有效降低能源消耗[6]。国内学者邵腾对东北严寒地区的农村民居进行了调研和测试，并通过设计能耗模型和计算机语言程序对农居改造方案进行理论计算[7]。邸芃对夏热冬冷地区村镇住宅展开节能研究，提出减小建筑体型系数、窗墙比和门窗传热系数会显著增强建筑节能性能[8]。周帅在对鲁中地区农居进行实测的基础上利用DeST软件建立模型，并对围护结构进行变参数模拟和量化评价，结果表明，增设阳光间、控制窗墙比和使用中空门窗是降低采暖能耗的最经济方式[9]。马坤茹等人利用DeST软件模拟保定某农宅耗能，计算5种改造方案的节能率，综合改造节能率达到80%以上[10]。

唐山市的传统农居多为1976年震后建造的房屋，大部分建于上世纪80～90年代。由于当时条件所限和地域特点，形成了独特的农居建筑。该研究以唐山市农居建筑为研究对象，建立了唐山农居模型，使用DeST动态模拟软件，对农居外墙、外窗、地面等围护结构进行了节能改造模拟分析，研究了围护结构改造对农居能耗及自然室温的影响。

1农居建筑冷热负荷计算原理

该研究农居的冷热负荷采用DeST软件进行计算。该软件是基于清华大学江亿院士提出的状态空间法所开发的建筑热环境模拟软件，根据“分阶段模拟”的理念，将建筑的墙体、门窗、房间内的温度作为节点并建立热平衡方程，保证空间上离散而时间上连续的一种算法，软件以自然室温为桥梁，可在不同的气象条件、使用情况以及环境控制系统下将建筑物与系统连接起来，进而动态模拟建筑的热状况随时间变化的过程，同时也可以分析建筑物的热特性、模拟系统性能等[11]。

根据状态空间法，自然室温的计算原理如下[12]：

(1)

式中：tk(τ)房间k的空气温度，℃；

qj——房间k的热扰，W；

{λi}——状态空间法中各个建筑物空间特征值向量；

{φij}——采样后各个扰量对房间温度的影响系数；

n——各种热扰的特征值维数；

m——热扰个数。

2模型选择与参数设定

结合调研情况及围护结构测量结果，总结唐山地区农居特点以此建立农居模型并设置农居模型的相关参数，典型农居模型如图1所示，围护结构参数设置表如表1所示。

表1 围护结构参数设置表

图1 典型农居模型图

唐山位于河北省东北部，温暖带半湿润气候，无霜期为180～190 d，降水集中在7～8月，常年降水量为500～700 mm。夏季高温高湿，雨水集中，冬季寒冷，盛刮西北风，1月为最冷月，温度在-5 ℃左右，7月为最热月，平均气温为26 ℃[13]。图2为唐山市采暖季室外干球温度分布图，-13 ℃温频段包括所有低于-13℃的时间，-11 ℃温频段包括-9～-11 ℃的所有时间，其他温频段以此类推。16 ℃温频段包括所有高于13 ℃的时间。该城市有85%的气象参数点集中于-7～5 ℃之间。

图2 唐山干球温度时间分布图

由于唐山地区农村民居户型简单，农居内设置1个系统，其余各个房间被该系统控制。采暖期设置为11月15日至次年3月15日。根据调研以及相关规范要求农居采暖季室内温度上限为18 ℃，室内温度下限为14 ℃。制冷季室内温度上限为28 ℃，室内温度下限为22 ℃。通过统计作息时间、通风习惯，确定最大和最小通风频率设定值。冬季最小通风频率为 0.5 次/小时，最大为 5 次/小时；夏季最小通风频率为 2 次/小时，最大通风频率为5 次/小时[14]。结合实际调研情况，在软件中设定了该模型中的热扰情况，包括人员、灯光、设备等参数的设置。设置室内最多人数为3 人，家具系数为30，人均发热量为53 W/人，室内设备最大功率为12.7 W/m2。

3结果分析与讨论

3.1 外墙节能改造模拟分析

保持模型的其他参数不变，使用挤塑聚苯板作为外墙保温材料，设置厚度范围值为0～100 mm，分析不同墙体保温厚度对其农居能耗的影响。模拟全年累计热负荷计算结果如图3所示。

图3 外墙保温层厚度对累计热负荷的影响

可以看出，对传统农居外墙围护结构进行加装外保温改造，可有效减少墙体的热量散失，降低农居能耗，节能效果明显且其节能潜力大。随着保温板厚度的增加，外墙传热系数和能耗指标不断减小且呈线性关系，保温板厚度控制在20 mm，全年累计热负荷降低24.3%，当保温板厚度控制在40 mm时，全年累计热负荷降低36.3%；保温板厚度在60 mm时，全年累计热负荷降低38.6%；保温板厚度80 mm时，全年累计热负荷降低43.17 %；保温板厚度100 mm时，全年累计热负荷降低44.5%。经过多次计算，保温层厚度高于100 mm后，每增加20 mm，其负荷仅降低不到1%，若继续增加保温层厚度，能耗降低趋势将逐渐减弱。综合考虑外墙热工性能参数和经济性，唐山地区农居外墙围护结构改造保温厚度应设置在40～60 mm。

3.2 屋面节能改造模拟分析

屋面作为农居最顶部的围护结构，其特点是接触太阳辐射面积最大，成为能量交流的一大重要通道。保持初始模型的其他参数不变，选用膨胀聚苯板作为屋顶保温，仅改变屋面保温厚度，模拟农居室内负荷并分析保温厚度与农居全年累计热负荷的关系。模拟结果统计如图4所示。可以看出，屋面增设保温可有效降低全年能耗，通过分析并考虑其经济性，将屋顶保温层厚度设置为40 mm时，与原有模型相比，屋顶传热系数降低76.6%，全年累计热负荷降低29.8%。

图4 屋顶保温层厚度对累计热负荷的影响

3.3 外窗节能改造模拟

外窗作为建筑的重要部件，具有采光、通风、隔音、保温等功能，唐山地区冬季气温低，多西北风，因而外窗成为热量损失的主要一大部件，占据整个建筑热损失的25%～30%[15]。目前唐山农居多使用木制窗框和铝合金窗框，表现为密闭性差，冷风渗透严重，故需对外窗进行节能技术改造。外窗改造设计方案不改变初始模型参数、窗墙比和房屋朝向，仅测试不同玻璃类型对农居负荷影响，外窗改造模拟结果如表2所示。玻璃的传热系数从1.4 W/(m2·K)变化至4.7 W/(m2·K)，其中中空玻璃材料节能效果最好，使用12 mm普通中空玻璃作为外窗材料，较初始模型可降低20%全年累计热负荷。

表2 外窗改造模拟结果

3.4 地面节能改造模拟

地面作为围护结构重要部分，其热工性能对于人体健康具有重要影响。目前唐山地区农居地面耗热量约占整个农居散热量的6%，对地面铺设保温层和防潮层并贴有低传热系数的地板，增加地面的蓄热性能，将对降低农居能耗具有显著效果。在不改变农居参数的情况下，考虑到农民的经济水平，就地取材，减少施工步骤，在地面使用炉渣作为保温措施，探究其能耗与保温层厚度的关系。模拟结果显示农居地面增设保温后可降低农居全年热负荷，随着地面保温层厚度的增加，其热惰性参数增加，全年累计热负荷指标呈线性降低，使用炉渣作为保温材料时，当保温层设置在40～200 mm时，其热负荷降低1.5%～2.3%，对降低农居能耗具有一定影响。

3.5 围护结构综合节能改造模拟分析

该项研究以《农村居住建筑节能设计标准》为依据对冀东地区农居围护结构进行节能技术改造。选取90年代所建造的农居作为改造对象，以调研结果作为依据，其相关参数见上文，原始建筑改造后符合设计标准，围护结构热散失占比为外墙36%、外窗18%、屋顶43%、地面3%，故在保证节能条件下，需综合考虑整体性和适用性。结合标准和冀东地区农村居民经济承受状况，制定以下6种围护节能改造方案如表3所示，探究围护结构材料选择对农居能耗影响情况。

表3 综合改造方案

改造前后利用DeST软件进行能耗模拟的负荷统计情况如表4所示。可以看出，原始农居建筑的全年累计热负荷指标为101.01 kWh/m2，根据张思思等人给出的寒冷地区住宅节能指标报表[16]，要求全年累计热负荷建筑热指标低于70 kWh/m2，而原始农居相对高出30.01 kWh/m2，即比节能建筑标准高出29.7%的能耗。农居进行围护结构综合改造之后，全年累计热负荷指标在不同程度上呈现降低趋势。在农居朝向相同的情况下，围护结构的传热系数越小，则全年累计热负荷越小，农居改造后的全年累计热负荷可降低60%～90%，围护结构节能改造对夏季冷负荷的降低程度并不明显，夏季仍需寻求其他方法降低全年累计冷负荷。若严格按照《农村居住建筑节能设计标准》对其门窗、墙体、屋顶进行整理改造后，可节能85%以上，若部分满足节能设计标准，仍可节能59%以上。

表4 综合改造方案能耗模拟结果

自然室温指室内未采用采暖或空调系统时，室内温度影响因素仅为室外气象条件和室内各种发热物体。利用Dest-h软件中自然室温模拟计算单元，对改造后各方案的逐时自然室温进行模拟并进行统计分析，自然室温小时数统计如图5所示。可以看出，6种改造方案对农居自然室温的影响呈现出差异性。未改造前，农居室内温度在8 ℃以下的小时数为1 681 h，占全年小时数的20%，改造后自然室温显著提高，采暖季最低自然室温可提高4～6 ℃，冬季平均室内自然室温为10～16 ℃，且波动幅度变小。方案一围护结构各部分传热系数均满足《农村居住建筑节能设计标准》要求，模拟结果显示农居卧室全年自然室温高于其他方案，可完全消除自然室温小于8 ℃的小时数，但夏季自然室温高于其他方案，较高温度小时数增多，若采取此方案夏季需增加自然通风次数或增加风扇、空调等降温方式。方案三和方案六农居改造均采用不同厚度的同种保温材料，农居自然室温随保温材料厚度的增加而增加，两方案冬季自然室温相差2～3 ℃，夏季自然室温相差仅0.1～0.3 ℃，保温层厚度对于冬季自然室温影响高于夏季。方案五着重于屋面的保温，方案四着重于外墙的保温，与未改造方案相比，由于屋面传入室内的热量来源于室外空气与围护结构表面之间的对流换热和太阳辐射通过屋面导热传入的热量，因此加强屋顶保温更有利于改善农居夏季热环境。

图5 综合改造方案自然室温及室外温度分布统计图

4结论

(1)对传统农居外墙围护结构进行加装外保温改造，可有效降低农居能耗，唐山地区农居外墙围护结构改造保温厚度设置在40～60 mm为宜，全年累计热负荷可降低36.3%～38.6%。

(2)屋面增设保温可有效降低全年能耗，通过分析并考虑其经济性，将屋顶保温层厚度设置为40 mm时，与原有模型相比，屋顶传热系数降低76.6%，全年累计热负荷可降低29.8%。

(3)对于传统农居建筑而言，外窗由6 mm普通玻璃改为12 mm普通中空玻璃，全年累计热负荷可降低20%。农居地面增设保温后可降低农居全年热负荷，使用40～200 mm的炉渣作为地面保温材料时，其全年累计热负荷降低1.5%～2.3%。

(4)针对冀东地区既有农居提出6种围护结构综合改造方案，农居采暖季节能率可分别满足50%、65%、75%、85%的节能标准，冬季农居自然室温可提高4～6 ℃，全年自然室温低于8 ℃的小时数可降低85%以上，冬季全年累计热负荷及自然室温情况优于夏季。