寒冷地区多目标因子被动式保温建筑节能改造设计

黄汝广

(贺州学院 应用技术学院，广西 贺州 542800)

被动式保温设计是指采用被动的方法，利用太阳能辐射等可再生能源，合理设计建造保温材料和通风手段[1-3]，最大限度发挥建筑本身的优势，减少非再生能源的消耗。被动式保温设计的目标是在满足居住舒适性的同时，以最低的造价达到最小的不可再生能源取暖消耗。

虽然被动式采暖技术的设计理念符合现代建筑节能减排的要求，但在实践过程中也存在一些不足之处[4-6]。首先，保温材料的使用在降低冬季建筑散热的同时也为夏季室内防暑降温带来了不便，对于我国大部分季风性气候地区并不适用；其次，被动式建筑在前期建造中特殊材料的使用成本过高，建筑结构的经济性需要较长的运营时间才能显现；最后，被动式采暖技术是由德国工程师率先提出，应用到我国建筑设计过程中缺少对国情的考虑[7]。

基于以上不足，本文以多目标优化方法对寒冷地区被动式保温设计进行了优化研究，对寒冷地区的既有建筑进行了保温改造，采用灰度区间关联算法对改造效果进行了评价分析。

1 被动式保温系统改造方案设计

1.1 原有建筑概况

原有建筑是位于河北省石家庄市的普通钢筋混凝土高层住宅，楼层总高度86 m，层高3 m，该住宅楼南北朝向。本文选取了位于10层的某住户为研究对象，对其进行被动式保温改造。受发展条件限制，原有结构的建筑节能标准较低，为河北省《居住建筑节能设计标准(节能75%)》(DB13(J)185—2015)，其围护结构参数见表1。

表1 围护结构参数

1.2 改造方案

建筑结构被动式改造的关键是按照被动式建筑标准，严格选取保温材料进行被动式设计，充分发挥结构自身的热学性能，降低不可再生能源消耗。因此，本文的改造重点在于围护结构性能和结构整体气密性。按照德国被动式建筑标准，围护结构外墙和屋顶传热系数不高于0.15 W/(m2·K)，窗户安装状态下的传热系数不高于0.85 W/(m2·K)[8-10]。根据该标准，改造后围护结构参数见表2。

表2 改造后围护结构参数

建筑物的气密性是影响其保温性能的重要参数之一[11-12]，良好的气密性既可阻隔外部冷空气进入室内，又可降低空气流动带来的风吹感，增强舒适性。建筑物的气密性改造从整体和局部2方面出发，整体气密性设计是从结构整体保温性能出发，采用不间断的气密性材料，利用材料的连续性阻隔空气的内外流动。气密性连续设计如图1所示。

图1 气密性连续设计

气密性提升的另一个措施是采用气密性良好的构件[13]，从建筑整体性而言，门窗是气密性薄弱的构件，因此采用了PHI认证的被动式保温门窗，该门窗安装如图2所示。该门窗结构采用较厚的框体，采用较长的流体路径确保气密性，结合气密性连续设计，增强建筑的保温性能。

图2 门窗安装

2 多目标因子评价方法与步骤

2.1 多目标因子

多目标因子是指对评价结果的影响因素不止一个，而是由多个互相关联的因素对评价结果均有不同程度的影响，评价体系和方法的建立要权衡各个因素所占比重，在充分考虑各个因素的影响下对目标主体进行客观评价[14]。被动式保温系统的性能需采用科学的评价体系按照量化标准进行评判，实际工程应用中，建筑的性能是多样性的。因此，其评价目标也不是单一的，对同一建筑的评价结果也不是唯一的，对于被动式保温建筑而言，其评价适用于多目标因子评价方法。

考虑到被动式保温建筑实际使用中的节能性、热舒适性、生态性与经济性是比较突出的建设矛盾，因此本文选取节能性、热舒适性、生态性与经济性为评价依据。

2.2 灰色区间关联决策算法

灰色系统是信息标识的一种方法，因为信息系统的不确定性而对信息进行标识，以凸显信息背后的变异性。灰色区间是指将处于某些数值区间互相有关联的信息利用方向向量的方法方案评比，按照优劣顺序对不同方案进行排序[15]。其计算公式见式(1)：

(1)

式中，xij为其计算因子；xj为该因子的控制值；rij为评价值；λ为分辨系数。

灰度区间关联决策算法本质上是对不同灰度区间的因子进行关联迭代以求得最优解，其迭代过程如图3所示。图3中，三角形为灰度区间变量取值，区间范围被限制在椭圆形区域内，利用式(1)计算其灰度关联，其计算结果为图3中圆形，利用该灰色区间关联迭代算法能在有限范围内取得最优解。

图3 迭代过程

3 改造效果及评价

按照以上改造方案对该住宅结构进行了被动式保温改造，按照围护结构保温性能和能源消耗情况对其进行测试分析。对围护结构进行保温性能测试时，要使内外温差大于10 ℃。因此，在2019年1月2—7日按照《居住建筑节能检测标准》(JGJ/T 132—2009)对其保温性能进行了测试分析。室外测点安装如图4所示。

图4 墙外测点安装

保温性能测试的衡量标准是温度的变化，对于室内外对应的测点，以30 min为测量步距，对其温度变化进行了测试。测试结果见表3。

表3 测试结果对比

通过表3可以发现，窗框和窗玻璃实测传热系数均小于设计值，表明经PHI认证的窗户和窗框满足设计要求。对于墙体结构而言，不同位置的实测值和设计值差异较大，窗上墙体高于设计值23.00%，窗下墙体高于设计值15.30%，这种差异产生可能是施工队伍专业水平不高，施工质量欠佳。

1月份处于供暖季节，为了研究房间的取暖效果，采用空调和新风机组进行室内采暖，室内温度控制标准为20 ℃，研究了室内外温度以及空调和新风机组功率、耗电量情况，测试结果如图5所示。

由图5可知，空调每日耗电量16～41 kWh，其耗电量与室外温度有密切关系，当室外温度降低后，室内采暖需求增加，空调能耗增加。在统计时间范围内，空调日耗电量为0.393 kWh/m2。新风机组在室外温度低于0 ℃时耗能较高，平均为5.1 kWh/d，其余时间平均能耗1.2 kWh/d。从空调和新风机组的能耗来看，改造后建筑能耗符合《居住建筑节能检测标准》(JGJ/T 132—2009)的要求。

图5 室内外温度、耗电量测试结果

按照多目标因子灰色区间关联决策算法,以改造建筑的能源消耗、保温性能和气密性为灰度变量,对其改造效果进行了评价分析。采用式(1)的计算方法将变量以矩阵形式呈现，按照分辨系数取值0.5得到了式(2)所示的矩阵。

(2)

该改造方案按照能源消耗、保温性能和气密性灰度关联的评价取值为0.91，说明改造效果较为理想。

4 结语

被动式保温住房利用自身的保温及合理的取暖机制降低了煤炭等不可再生能源的消耗。以石家庄某住宅建筑为例，按照被动式保温建筑标准对其进行了保温和气密性改造，降低了建筑围护结构的传热系数。通过整体气密性材料铺设和窗框局部改造的方法提高了建筑的气密性；采用灰度区间关联算法，以能耗、保温性和气密性为灰度变量对其改造效果进行了计算评价，结果表明改造效果较为理想。