鲁东地区既有农宅围护结构节能改造研究

郭 磊，齐子姝，郭利敏

吉林建筑大学 市政与环境工程学院,长春 130118

0 引言

随着我国城镇化不断加速,能源消耗迅速增长.2020年建筑能耗达到能源消耗总量35 %[1],其中农村能耗将占全国建筑总能耗的37 %[2],采暖能耗占农村能耗的70 %,较高的采暖能耗主要是由于农村建筑围护结构保温性差[3].因此,对既有农村住宅建筑进行节能改造已成为我国推进节能减排的重要任务.鲁东地区为温带大陆性季风气候,夏季暖热多雨,冬季寒冷干燥,采暖方式以燃煤为主.由于经济条件和技术工艺限制,旧有农宅多由砖和木材搭建而成，相互独立且体形系数大,多采用单层玻璃木制门窗,而且绝大多数住宅墙面和屋面未采取保温措施,导致农宅能耗大且能源利用效率低.本文针对该地区农村住宅特点,设计计算模型,利用Designbuilder软件模拟农宅的能耗情况进行经济可行性分析,得出适应于不同消费群体的围护结构节能改造方案.

1 原始计算模型建立

山东省高密市后张鲁村所处位置属于我国寒冷地区,按照《民用建筑热工设计规范》(GB 50176-93),寒冷地区具有冬季较长而且寒冷干燥的气候特征,年平均气温12.3 ℃,1月份为全年的最冷月,平均气温为-3.3 ℃,采暖季为11月15日至次年的3月15日,共121 d.当地典型农宅坐北朝南,单层,房屋东西长为15 m,南北宽6 m,外墙为普通240 mm砖墙,内墙为普通120 mm砖墙,窗户为3 mm玻璃单层木窗,层高3.5 m,屋顶为斜屋顶,总建筑面积为90 m2,模型如图1所示,围护结构具体性能参数见表1.

图1 典型农宅模型Fig.1 Typical farm house model

表1 模型建筑围护结构参数Table 1 Envelope parameters of model building

利用EnergyPlus的Designbuilder模块数值计算方法进行能耗模拟,根据非稳态传热原理,对建筑围护结构、空气处理系统和暖通空调系统三大板块进行集成同步求解.该软件采用热平衡法模拟建筑的动态负荷,且基于墙体内表面温度采用传递函数法CTF(cond-uction transfer function)模拟围护结构如墙体、屋顶、地板和窗户等的瞬态传热[4].

设定室内采暖控制温度为18 ℃,并将换气率设置为0.5 次/h.冬季人员活动相对固定,全天3人,冬季平均服装热阻为1.23 clo.开灯时间分为6∶00～7∶00和19∶00～22∶00两个时段,照明功率密度设为5.0 W/m2,忽略其他非加热设备的散热.通过DesignBuilder模拟计算,该住宅采暖季热负荷指标为51.0 W/m2,并不能满足山东省节能65 %的规定值.为了提高农村节能效率和农村居民生活质量,对既有农村住宅围护结构进行节能改造十分必要.

2 单因素对能耗的影响

通过对外墙构造、屋顶构造、外窗类型和南北向窗墙比进行能耗模拟,并分析单一建筑构件对建筑能耗的影响趋势,研究影响建筑能耗的因素取值范围.

2.1 外墙保温层厚度

外墙作为围护结构的重要组成部分,其热工性能对建筑的能耗有较大影响.因此,加强外墙保温是提高冬季室内温度、减少建筑能耗的有效途径之一.农村经济欠发达,大多数农户为了节约建造成本一般不考虑加设保温层.极少数农户会在加入秸秆作为外墙保温材料,但由于施工不规范,后期维护得不到保障,墙体会有墙皮开裂和脱落现象,影响美观和保温性能.在保温材料的选择上,采用聚苯乙烯泡沫板作为模拟保温材料,因为其成本低、保温性能好.建筑能耗与保温层厚度之间的定量关系及相应的节能率如图2所示.当聚苯乙烯泡沫板的厚度在20 mm～100 mm之间时,保温层厚度的变化对节能率有重要影响,当厚度达到100 mm时,节能率达到41.5 %,节能量为69.4 kWh/m2.

图2 建筑能耗与保温层厚度之间的定量关系及节能率Fig.2 The quantitative relationship between building energy consumption and insulation layer thickness and energy saving rate

2.2 屋顶保温层厚度

屋顶与外界的接触面积仅次于外墙,对农宅顶部空间进行优化改造可大幅度减少建筑能耗.鲁东地区农村的屋顶形式多为坡屋顶,屋面的主要材料为覆土、炉灰、茅草等,少数农宅在屋面内侧采用天花板吊顶进行隔热.图3显示了在天花板和原屋面上加设不同厚度保温层的能耗对比,故屋顶保温形式选用在天花板上铺设轻质材料,这样不但节省保温材料,减少散热面积,还可以减小施工难度并保留室内空间的完整性.建筑能耗与保温层厚度之间的定量关系及相应节能率如4图所示.对于屋顶,当聚苯乙烯泡沫板的厚度在20 mm～80 mm之间时,保温层厚度的变化对节能率有重要影响,当厚度达到80 mm时,节能率达到22.9 %,住宅能耗降低38.3 kWh/m2.

图3 不同保温层厚度能耗对比Fig.3 Energy consumption of different insulation thickness

图4 保温层厚度与建筑能耗之间的定量关系及节能率Fig.4 The quantitative relationship between building energyconsumption and insulation layer thickness and energy saving rate

2.3 外窗类型

外窗是建筑围护结构中保温性能较弱的部分,为改善室内热环境,节约能源,对既有农宅的外窗进行更换.针对当地8种不同传热系数的窗户类型目前的使用情况进行选择分析,见表2.

表2 外窗传热系数及建筑能耗Table 2 External window heat transfer coefficient and building energy consumption

根据表2中建筑能耗模拟计算可知,无论是单层玻璃还是双层玻璃，只通过增加玻璃厚度的方式并不能显著地降低能源消耗,采用加大空气隔层的方法可一定程度上降低能耗.将3 mm双层玻璃窗的空气隔层由6 mm增加至13 mm厚度时,住宅能耗降低3.8 kWh/m2.

2.4 窗墙比

窗墙比是节能设计的重要指标,其对采暖能耗的影响具有双重性.一方面可以获得更多的太阳辐射,改善冬季室内热环境;另一方面,外窗的传热系数较大,导致采暖能耗增加.因此,应根据性能要求和气候条件确定合适的窗墙比.该地区的农村民居通常只在南北两侧有窗户,因此模拟了这两个侧面的窗墙比.当南面窗墙比作为变量时,北窗墙比为0，反之亦然.模拟结果如图5，图6所示.

图5 南向窗墙比与能耗和太阳辐射的关系Fig.5 Relationship among the south window-wall ratio,energy consumption and solar radiation

图6 北向窗墙比与能耗和太阳辐射的关系Fig.6 Relationship among the north window-wall ratio,energy consumption and solar radiation

由图5所示可知,随着南面窗墙比的增加,能耗线性下降.虽然增大外窗的尺寸会增加散热面积,但可以引入更多的太阳辐射,有利于降低能耗.由图6可知，随着北窗墙比的增加,能耗线性增加,窗墙比与能耗具有良好的线性拟合度和显著的线性关系,窗墙比每增加10 %,南部和北部的能耗分别变化1.53 kWh/m2和2.14 kWh/m2.

3 全面节能改造

根据单因素对能耗影响的分析结果,将上述分析的5个单因素作为变量(外墙和屋顶的保温厚度、外窗类型、南北窗墙比),根据能耗模拟情况,改造设计取值分别选取外墙保温材料厚度为40 mm,60 mm,80 mm,100 mm,屋顶保温材料厚度为20 mm,40 mm,60 mm,80 mm.考虑到节能、采光、结构等方面的要求,外窗的传热系数为1.78 W/(m2·K),2.47 W/(m2·K),2.71 W/(m2·K),3.16 W/(m2·K),南窗墙比取0.3,0.4,0.5,0.6,北窗墙比取0.1,0.2,0.3,0.4.通过正交实验,分析了最佳参数组合及其对建筑能耗的意义.

通过给出的正交表和能耗数据,运用极差分析法得到了最佳参数组合,以及对能耗影响的主次关系.如表3所示,量程越大,实验指标的变化越大,结果表明,各设计因素影响的重要性排序为:B(屋面保温厚度)>A(外墙保温厚度)>C(外窗类型)>E(北窗墙比)>F(南窗墙比).

表3 正交试验设计表Table 3 Orthogonal test designs table

本文以建筑能耗作为实验指标,因此指标值越小,越有利于节能降耗.结合我国《农村单体居住建筑节能设计标准》的相关规定,得出最佳参数组合为A4,B4,C1,D3,E2,对应值分别为100 mm,80 mm,3 mm/13 mm双层Low-E玻璃窗、0.5,0.2.该组合能耗为45.69 kWh/m2,与参考建筑相比,节能率为72.7 %.

4 节能改造经济性分析

既有农村住宅节能改造措施在考虑技术条件的同时,也应该注重经济可行性.农村居民对节能带来的经济效益并不清楚,其改造意愿和可以接受的投资金额极大地影响了改造方案制定和实施.将最佳参数组合中单因素进行合理组合,得出的7种组合的成本也存在较大差异.按照表4已给出的改造成本,22 990 kJ的煤炭按照700元/t,计算得到不同改造方式的静态投资回收期[5].

表4 农村住宅节能量及改造投资回收期Table 4 Rural residential energy saving and payback period

通过建筑能耗计算和经济性分析,对围护结构进行单项节能改造时,外墙进行改造成本最低,节能效率最高,投资回收期最短,约为7年;对外墙和屋顶进行综合改造的节能率为59.5 %,投资回收期远低于其他改造方案,约为10年;对外窗、外墙和屋顶进行综合改造为最佳方案,虽然初期投资较大,为3.3万元,但其节能率高达72 %且投资回收期约为13年.根据经济性分析,明确不同改造方案的成本和投资回收年限,为农户提供恰当合理的节能改造方案,以满足农户对居住空间节能舒适的基本要求.

5 结论

通过对鲁东地区既有农宅的设计因素和建筑模拟能耗的定量分析得出如下结论:

(1) 根据正交实验结果,在给定的参数值范围内,设计因素影响的重要性排序为:屋面保温厚度>外墙保温厚度>外窗类型>北窗墙比>南窗墙比.

(2) 最佳参数组合为外墙加设100 mm厚保温层、屋面加设80 mm厚保温层、更换3 mm/13 mm双层Low-E玻璃窗、设南向窗墙比为0.5、北向窗墙比为0.2.

(3) 在资金有限的情况下,将外墙加装100 mm聚苯乙烯泡沫板作为首选方案,节能效果明显,且投资回收期最短,约为7年.

(4) 在资金充裕且室内舒适度要求高的情况下,对外墙和屋顶分别加设100 mm和80 mm聚苯乙烯泡沫板并更换3 mm/13 mm双层Low-E玻璃窗为最佳方案,节能率高达72 %,投资回收期约为13年.

虽然农村住宅节能改造可大幅度降低采暖季能耗,但改造前应对农宅进行结构安全评估，不符合安全要求的既有农宅不予实施节能改造，同时最大限度地保留农村特色文化风貌,因地制宜,选取最佳的节能改造方案.