寒冷地区农村住宅围护结构节能设计优化研究

高雅琦，刘 辉，郭娟利

（1.天津城建大学 建筑学院，天津 300384；2.天津大学 建筑学院，天津 300072）

近年来我国有序推进建筑节能与绿色建筑发展，2020 年《中国建筑节能年度发展研究报告》显示：2018年中国建筑能源消费占全国能源消费总量的22%，其中农村居住建筑消耗能源占全国建筑能耗的21.6%；目前农村居住建筑面积占全国建筑总面积的38.10%，共计229 亿m2[1].虽然建筑总体能耗持续下降，但由于农村居住建筑以自建自住为主，数量庞大、分布分散，没有集中供暖和专业的节能设计，导致住宅冬季采暖能耗巨大，能源浪费严重.

近年来，我国对节能建筑的重视程度增加，2017年我国发布《建筑节能与绿色建筑发展“十三五”规划》，表明节能建筑将成为日后建筑发展的趋势[2]. 2020 年中央制定《国民经济和社会发展第十四个五年规划和二〇三五年远景目标建议》，要求加快推动绿色低碳发展[3]. 村镇住宅被动式建筑节能技术研究是“十三五”项目研究课题的主要内容，其以综合能耗最低，成本最佳的双目标最优为研究目标，探讨村镇住宅适宜的被动式技术设计策略.本文选取京津冀作为寒冷地区的典型地区，针对农村住宅围护结构进行节能优化研究，提出适宜当地农村住宅围护结构的节能优化设计策略，实现节能75%、增量成本可控的目标.

1 背 景

2015 年4 月，中央发布《京津冀协同发展规划纲要》，指出推动京津冀协同发展是一项重大的国家战略，鼓励打破行政区域限制，促进绿色低碳快速发展、生态保护与建设协同发展[4].按照我国热工分区，京津冀地区属于寒冷地区（B 区），全年日照时数2 600~3 000 h，全年太阳总辐射为5 000~5 800 MJ/m2，可利用太阳能资源丰富；冬季采暖天数114 d 左右，室外最低温度-13 ℃，夏季最高温度30 ℃，全年温差较大[5].

进入21 世纪以后，随着新农村建设浪潮的兴起，京津冀地区农村住宅平面布局相较之前更加丰富，开始修建二层住宅，框架结构随之出现，预制板与混凝土现浇并存；但由于缺乏专业的设计指导，同时受施工技术的限制，导致住宅设计质量不高且节能效果较差，居住舒适度有待提高[6].

2 京津冀地区农村住宅现状调研

2.1 节能标准选择

2012 年以来我国各省份相继发布节能第四阶段居住建筑节能设计规范，其中《北京市居住建筑节能设计标准》DB11/891—2012 明确指出该规范适用于农村地区自建住宅[7]，故选择此规范作为本次研究的参考规范，传热系数限值见表1.

表1 传热系数限值

2.2 基础情况调研

笔者通过对天津市、北京市、河北省农村地区共计79 户农村住宅进行现状调研（见表2、表3），对调研结果进行总结如下，调研的农村住宅主要分为以下几种.

（1）农村住宅户均常住人口数量为2~4 人，卧室数量为2~3 间，储藏间数量为1~3 间，2000 年以后新建住宅厨房和卫生间一般设置在正房内部.

（2）农村住宅正房一般为3 开间或4 开间，坐北朝南，开间3~4.2 m，进深4.2~5.4 m，住宅层数以单层居多.

（3）客厅位于正房中心位置，面积12~20 m2不等，卧室置于两侧，面积12~20 m2，厨房和卫生间面积无固定大小.

表2 现状调研结果

表3 农宅围护结构及传热系数调研结果

2.3 能源消耗现状

本文选取2000 年以后自建自住的农村住宅为研究对象，在调研基础之上建立农村住宅初始模型，通过能耗模拟软件Design Builder4.6.0 对模型进行能耗模拟，模拟结果见表4.由模拟结果可知，标准模型单位面积耗热量没有达到节能规范单位面积耗热量14.5 W/m2的要求.

表4 农村住宅原型基本参数及能耗模拟结果

2.4 调研结果

通过对京津冀地区农村住宅基础建设情况以及能源消耗现状的调研，发现农村住宅存在以下问题：

（1）住宅平面布局不合理，导致居住环境舒适性较差，能源浪费严重；

（2）窗墙比和体形系数超过了规范限值，导致能源过度浪费；

（3）农宅围护结构热工性能差，传热系数远超规范限值，导致采暖季能耗较高.

3 节能优化研究

2020 年《中国建筑节能年度发展报告》中提到，对于翻新或者新建的农村住宅围护结构节能设计主要涉及热工性能改善以及布局优化等两方面内容，其中可以通过对墙体、屋顶的传热系数、窗墙比、换气次数等特定指标进行优化，以改善围护结构的热工性能；对建筑的朝向、布局、结构等进行优化也会影响围护结构的热工性能[1].因此，本文的节能优化设计主要针对农村住宅的平面布局优化和改善围护结构热工性能两个方面进行，以单位面积耗热量指标作为评价住宅是否达到节能75%目标的依据，单位面积耗热量指标见表5.

单位面积耗热量计算公式如下[7]

式中：qH为建筑物耗热量指标，W/m2；QHT为单位时间通过建筑外围护结构的温差传热量，W；QTY为单位时间通过建筑物外围护结构透明部分的太阳辐射得热量，W；QINF为单位时间建筑物空气换气耗热量，W；AO为建筑物的建筑面积，m2；qIH为折合到单位建筑面积上单位时间建筑物内部得热量，W/m2，qIH=3.8 W/m2.

表5 京津冀地区建筑物耗热量指标

3.1 平面布局优化设计

合理的建筑平面布局不仅可以提高室温，也有利于降低建筑能耗，由于在被调研农宅中以单层住宅居多，因此以下研究针对单层农村住宅进行平面布局优化，优化后的平面图如图1 所示.

图1 优化设计平面图

分别对优化后的单层平屋顶住宅和坡屋顶住宅进行能耗模拟，计算单位面积耗热量和节能贡献率（见表6）. 由模拟结果可知，对平面布局进行优化，对单层平屋顶住宅节能贡献率为19.4%，对单层坡屋顶住宅节能贡献率为10.4%.

表6 单位面积耗热量及节能贡献率计算

3.2 围护结构保温形式及相关参数设置

针对进行优化布局的农宅（见图1）围护结构进行热工性能优化设计，由于寒冷地区农村住宅围护结构面积相对较大，因此提高其保温隔热性能是对围护结构进行节能优化设计的主要措施之一. 关于地面保温，一般对室内地面距离外墙2 m 处采取挤塑板绝热处理[8]；外墙和屋顶保温，目前常用的保温材料有EPS保温板、XPS 保温板、聚氨酯泡沫板等.《北京市居住建筑节能设计标准》（DB11/891—2012）中规定，外墙传热系数限值为0.35，屋顶传热系数限值为0.3，根据限值计算达到节能75%要求的保温层厚度，计算公式如下

北京市居住建筑节能设计标准》（DB11/891—2012）对围护结构的构造形式没有明确要求和说明，《农村居住建筑节能设计标准》（GB/T50824—2013）对寒冷地区农村住宅围护结构的构造形式及保温层厚度做出了具体说明及相关建议[9]. 因此，参考建议值对墙体、屋顶、外窗分别设计不同参数，见表7-9.

3.3 围护结构节能贡献率计算

根据不同的设计参数，分别针对外墙、屋顶、外窗设置单一变量的节能优化方案进行能耗模拟，并计算单位面积耗热量和节能贡献率，计算结果见表10.

由模拟结果可知，当只能进行单一变量的节能优化时不能达到节能75%的目标. 针对单层平屋顶住宅，屋顶的节能贡献率最高，达到38%~43%；外墙次之，为15%~18%；外窗的节能贡献率相较二者最低，为4%~5%.针对单层坡屋顶住宅，墙体的节能贡献率最高，达到31%~38%；外窗次之，为10%~11%；屋顶的节能贡献率相较二者最低.

表7 不同墙体保温形式及相关参数

表8 不同外窗形式及相关参数

表9 不同屋顶保温形式及相关参数

表10 围护结构单位面积耗热量及节能贡献率计算

3.4 围护结构集成方案优化及能耗模拟

对农村住宅围护结构进行多变量集成优化设计，针对不同屋顶形式的模拟结果见表11.

通过能耗模拟结果可知，当只对墙体、屋顶、外窗中的两项进行节能优化时，不能达到节能75%的目标.对单层农村住宅的外墙、屋顶、外窗同时进行节能优化设计时，单位面积耗热量均小于14.5 W/m2，满足节能75%的要求.

4 成本增量核算

针对达到节能75%目标的设计方案进行成本增量核算，根据计算所增加成本的静态投资回收期进行说明，计算公式如下[10]

表11 优化模型集成方案能耗模拟结果

式中：T 为静态投资回收年限，年；K 为用于节能的总投资，元；M 为节能所产生的年效益，元/年.

根据能耗模拟结果，进行围护结构热工性能优化后，农宅冬季采暖热负荷减少.根据国家能源局数据，1 kw·h 能量约等于860 kcal 热量，1 kcal=7 000 kg 标准煤[11]，则根据公式计算节约的标准煤量，按照标准煤现价712 元/t 的价格计算进行节能优化后可节约的采暖费用. 对节能材料的市场单价（2020 年）进行调研，调研结果见表12，针对达到节能75%目标的单层农宅成本增量进行核算，筛选节能经济双优的节能方案（见表13）.

表12 节能材料市场单价汇总

表13 节能成本双优节能方案

根据计算结果，达到节能75%目标，同时成本增量最少，投资回收期小于25 年的节能优化方案有三个（见表13）；单层坡屋顶住宅的成本增量相对单层平屋顶住宅成本增量更少.但是单层平屋顶住宅的投资回收期更短.

5 结 语

本文针对京津冀地区农村住宅平面布局、围护结构热工性能进行节能优化设计和成本增量核算，建议将以下京津冀地区节能设计策略推广至寒冷地区.

（1）对农宅的平面布局进行合理热工分区，对于相同的平面布局，坡屋顶相对平屋顶节能效果更好.

（2）对单层农宅围护结构热工性能进行节能设计，外墙建议选择实心黏土砖60 mm 聚氨酯板外保温或80 mmEPS 板外保温；外窗建议选择双层塑钢Low-E 窗；屋顶建议选择木屋架坡屋面锯末稻壳保温，可以使农宅达到节能75%的目标，实现经济增量最少同时全年能耗最低.选择平屋顶60 mmXPS 板外保温或90 mmEPS 板外保温，可使成本增量最低，但全年能耗相对坡屋顶更高.