唐山地區傳統農居建筑本體節能改造模擬

張振迎，許禹菲，尹浩伊，劉璐

(華北理工大學 建筑工程學院, 河北 唐山 063210)

由于北方地區采暖時間長，農村居民用能不合理，導致農村居住建筑能耗成為我國建筑能耗的主要部分[1-3]。近年來，農村建筑節能逐漸受到關注，但目前所頒布的節能設計標準未精確考慮不同農村地區的氣象條件及用能習慣，因此改善農居圍護結構熱工性能成為采暖節能的重要突破口。

近年來，相關學者對農村地區的室內熱環境情況也進行了大量的研究，主要研究為對農村地區圍護結構、采暖用能方式等進行調研，以及對既有農居的熱物理參數進行現場測試并進行分析。國外學者Izzet Yuksek對土耳其農居圍護結構進行研究，發現房間布局、面積、窗墻比對該地區農居的建筑節能起到重要作用[4]。Julie Gwilliam使用EnergyPlus和TRNSYS軟件，對英國住宅外墻的傳熱系數、窗墻比、朝向等方面進行動態模擬，提出零能耗住宅優化策略[5]。Setiawan使用eQUEST軟件對不同印尼西亞的住宅進行能耗模擬，分析外窗玻璃、遮陽形式、墻體構造、屋頂等對住宅能耗影響，結果表明，使用優質的外窗玻璃可有效降低能源消耗[6]。國內學者邵騰對東北嚴寒地區的農村民居進行了調研和測試，并通過設計能耗模型和計算機語言程序對農居改造方案進行理論計算[7]。邸芃對夏熱冬冷地區村鎮住宅展開節能研究，提出減小建筑體型系數、窗墻比和門窗傳熱系數會顯著增強建筑節能性能[8]。周帥在對魯中地區農居進行實測的基礎上利用DeST軟件建立模型，并對圍護結構進行變參數模擬和量化評價，結果表明，增設陽光間、控制窗墻比和使用中空門窗是降低采暖能耗的最經濟方式[9]。馬坤茹等人利用DeST軟件模擬保定某農宅耗能，計算5種改造方案的節能率，綜合改造節能率達到80%以上[10]。

唐山市的傳統農居多為1976年震后建造的房屋，大部分建于上世紀80～90年代。由于當時條件所限和地域特點，形成了獨特的農居建筑。該研究以唐山市農居建筑為研究對象，建立了唐山農居模型，使用DeST動態模擬軟件，對農居外墻、外窗、地面等圍護結構進行了節能改造模擬分析，研究了圍護結構改造對農居能耗及自然室溫的影響。

1農居建筑冷熱負荷計算原理

該研究農居的冷熱負荷采用DeST軟件進行計算。該軟件是基于清華大學江億院士提出的狀態空間法所開發的建筑熱環境模擬軟件，根據“分階段模擬”的理念，將建筑的墻體、門窗、房間內的溫度作為節點并建立熱平衡方程，保證空間上離散而時間上連續的一種算法，軟件以自然室溫為橋梁，可在不同的氣象條件、使用情況以及環境控制系統下將建筑物與系統連接起來，進而動態模擬建筑的熱狀況隨時間變化的過程，同時也可以分析建筑物的熱特性、模擬系統性能等[11]。

根據狀態空間法，自然室溫的計算原理如下[12]：

(1)

式中：tk(τ)房間k的空氣溫度，℃；

qj——房間k的熱擾，W；

{λi}——狀態空間法中各個建筑物空間特征值向量；

{φij}——采樣后各個擾量對房間溫度的影響系數；

n——各種熱擾的特征值維數；

m——熱擾個數。

2模型選擇與參數設定

結合調研情況及圍護結構測量結果，總結唐山地區農居特點以此建立農居模型并設置農居模型的相關參數，典型農居模型如圖1所示，圍護結構參數設置表如表1所示。

表1 圍護結構參數設置表

圖1 典型農居模型圖

唐山位于河北省東北部，溫暖帶半濕潤氣候，無霜期為180～190 d，降水集中在7～8月，常年降水量為500～700 mm。夏季高溫高濕，雨水集中，冬季寒冷，盛刮西北風，1月為最冷月，溫度在-5 ℃左右，7月為最熱月，平均氣溫為26 ℃[13]。圖2為唐山市采暖季室外干球溫度分布圖，-13 ℃溫頻段包括所有低于-13℃的時間，-11 ℃溫頻段包括-9～-11 ℃的所有時間，其他溫頻段以此類推。16 ℃溫頻段包括所有高于13 ℃的時間。該城市有85%的氣象參數點集中于-7～5 ℃之間。

圖2 唐山干球溫度時間分布圖

由于唐山地區農村民居戶型簡單，農居內設置1個系統，其余各個房間被該系統控制。采暖期設置為11月15日至次年3月15日。根據調研以及相關規范要求農居采暖季室內溫度上限為18 ℃，室內溫度下限為14 ℃。制冷季室內溫度上限為28 ℃，室內溫度下限為22 ℃。通過統計作息時間、通風習慣，確定最大和最小通風頻率設定值。冬季最小通風頻率為 0.5 次/小時，最大為 5 次/小時；夏季最小通風頻率為 2 次/小時，最大通風頻率為5 次/小時[14]。結合實際調研情況，在軟件中設定了該模型中的熱擾情況，包括人員、燈光、設備等參數的設置。設置室內最多人數為3 人，家具系數為30，人均發熱量為53 W/人，室內設備最大功率為12.7 W/m2。

3結果分析與討論

3.1 外墻節能改造模擬分析

保持模型的其他參數不變，使用擠塑聚苯板作為外墻保溫材料，設置厚度范圍值為0～100 mm，分析不同墻體保溫厚度對其農居能耗的影響。模擬全年累計熱負荷計算結果如圖3所示。

圖3 外墻保溫層厚度對累計熱負荷的影響

可以看出，對傳統農居外墻圍護結構進行加裝外保溫改造，可有效減少墻體的熱量散失，降低農居能耗，節能效果明顯且其節能潛力大。隨著保溫板厚度的增加，外墻傳熱系數和能耗指標不斷減小且呈線性關系，保溫板厚度控制在20 mm，全年累計熱負荷降低24.3%，當保溫板厚度控制在40 mm時，全年累計熱負荷降低36.3%；保溫板厚度在60 mm時，全年累計熱負荷降低38.6%；保溫板厚度80 mm時，全年累計熱負荷降低43.17 %；保溫板厚度100 mm時，全年累計熱負荷降低44.5%。經過多次計算，保溫層厚度高于100 mm后，每增加20 mm，其負荷僅降低不到1%，若繼續增加保溫層厚度，能耗降低趨勢將逐漸減弱。綜合考慮外墻熱工性能參數和經濟性，唐山地區農居外墻圍護結構改造保溫厚度應設置在40～60 mm。

3.2 屋面節能改造模擬分析

屋面作為農居最頂部的圍護結構，其特點是接觸太陽輻射面積最大，成為能量交流的一大重要通道。保持初始模型的其他參數不變，選用膨脹聚苯板作為屋頂保溫，僅改變屋面保溫厚度，模擬農居室內負荷并分析保溫厚度與農居全年累計熱負荷的關系。模擬結果統計如圖4所示。可以看出，屋面增設保溫可有效降低全年能耗，通過分析并考慮其經濟性，將屋頂保溫層厚度設置為40 mm時，與原有模型相比，屋頂傳熱系數降低76.6%，全年累計熱負荷降低29.8%。

圖4 屋頂保溫層厚度對累計熱負荷的影響

3.3 外窗節能改造模擬

外窗作為建筑的重要部件，具有采光、通風、隔音、保溫等功能，唐山地區冬季氣溫低，多西北風，因而外窗成為熱量損失的主要一大部件，占據整個建筑熱損失的25%～30%[15]。目前唐山農居多使用木制窗框和鋁合金窗框，表現為密閉性差，冷風滲透嚴重，故需對外窗進行節能技術改造。外窗改造設計方案不改變初始模型參數、窗墻比和房屋朝向，僅測試不同玻璃類型對農居負荷影響，外窗改造模擬結果如表2所示。玻璃的傳熱系數從1.4 W/(m2·K)變化至4.7 W/(m2·K)，其中中空玻璃材料節能效果最好，使用12 mm普通中空玻璃作為外窗材料，較初始模型可降低20%全年累計熱負荷。

表2 外窗改造模擬結果

3.4 地面節能改造模擬

地面作為圍護結構重要部分，其熱工性能對于人體健康具有重要影響。目前唐山地區農居地面耗熱量約占整個農居散熱量的6%，對地面鋪設保溫層和防潮層并貼有低傳熱系數的地板，增加地面的蓄熱性能，將對降低農居能耗具有顯著效果。在不改變農居參數的情況下，考慮到農民的經濟水平，就地取材，減少施工步驟，在地面使用爐渣作為保溫措施，探究其能耗與保溫層厚度的關系。模擬結果顯示農居地面增設保溫后可降低農居全年熱負荷，隨著地面保溫層厚度的增加，其熱惰性參數增加，全年累計熱負荷指標呈線性降低，使用爐渣作為保溫材料時，當保溫層設置在40～200 mm時，其熱負荷降低1.5%～2.3%，對降低農居能耗具有一定影響。

3.5 圍護結構綜合節能改造模擬分析

該項研究以《農村居住建筑節能設計標準》為依據對冀東地區農居圍護結構進行節能技術改造。選取90年代所建造的農居作為改造對象，以調研結果作為依據，其相關參數見上文，原始建筑改造后符合設計標準，圍護結構熱散失占比為外墻36%、外窗18%、屋頂43%、地面3%，故在保證節能條件下，需綜合考慮整體性和適用性。結合標準和冀東地區農村居民經濟承受狀況，制定以下6種圍護節能改造方案如表3所示，探究圍護結構材料選擇對農居能耗影響情況。

表3 綜合改造方案

改造前后利用DeST軟件進行能耗模擬的負荷統計情況如表4所示。可以看出，原始農居建筑的全年累計熱負荷指標為101.01 kWh/m2，根據張思思等人給出的寒冷地區住宅節能指標報表[16]，要求全年累計熱負荷建筑熱指標低于70 kWh/m2，而原始農居相對高出30.01 kWh/m2，即比節能建筑標準高出29.7%的能耗。農居進行圍護結構綜合改造之后，全年累計熱負荷指標在不同程度上呈現降低趨勢。在農居朝向相同的情況下，圍護結構的傳熱系數越小，則全年累計熱負荷越小，農居改造后的全年累計熱負荷可降低60%～90%，圍護結構節能改造對夏季冷負荷的降低程度并不明顯，夏季仍需尋求其他方法降低全年累計冷負荷。若嚴格按照《農村居住建筑節能設計標準》對其門窗、墻體、屋頂進行整理改造后，可節能85%以上，若部分滿足節能設計標準，仍可節能59%以上。

表4 綜合改造方案能耗模擬結果

自然室溫指室內未采用采暖或空調系統時，室內溫度影響因素僅為室外氣象條件和室內各種發熱物體。利用Dest-h軟件中自然室溫模擬計算單元，對改造后各方案的逐時自然室溫進行模擬并進行統計分析，自然室溫小時數統計如圖5所示。可以看出，6種改造方案對農居自然室溫的影響呈現出差異性。未改造前，農居室內溫度在8 ℃以下的小時數為1 681 h，占全年小時數的20%，改造后自然室溫顯著提高，采暖季最低自然室溫可提高4～6 ℃，冬季平均室內自然室溫為10～16 ℃，且波動幅度變小。方案一圍護結構各部分傳熱系數均滿足《農村居住建筑節能設計標準》要求，模擬結果顯示農居臥室全年自然室溫高于其他方案，可完全消除自然室溫小于8 ℃的小時數，但夏季自然室溫高于其他方案，較高溫度小時數增多，若采取此方案夏季需增加自然通風次數或增加風扇、空調等降溫方式。方案三和方案六農居改造均采用不同厚度的同種保溫材料，農居自然室溫隨保溫材料厚度的增加而增加，兩方案冬季自然室溫相差2～3 ℃，夏季自然室溫相差僅0.1～0.3 ℃，保溫層厚度對于冬季自然室溫影響高于夏季。方案五著重于屋面的保溫，方案四著重于外墻的保溫，與未改造方案相比，由于屋面傳入室內的熱量來源于室外空氣與圍護結構表面之間的對流換熱和太陽輻射通過屋面導熱傳入的熱量，因此加強屋頂保溫更有利于改善農居夏季熱環境。

圖5 綜合改造方案自然室溫及室外溫度分布統計圖

4結論

(1)對傳統農居外墻圍護結構進行加裝外保溫改造，可有效降低農居能耗，唐山地區農居外墻圍護結構改造保溫厚度設置在40～60 mm為宜，全年累計熱負荷可降低36.3%～38.6%。

(2)屋面增設保溫可有效降低全年能耗，通過分析并考慮其經濟性，將屋頂保溫層厚度設置為40 mm時，與原有模型相比，屋頂傳熱系數降低76.6%，全年累計熱負荷可降低29.8%。

(3)對于傳統農居建筑而言，外窗由6 mm普通玻璃改為12 mm普通中空玻璃，全年累計熱負荷可降低20%。農居地面增設保溫后可降低農居全年熱負荷，使用40～200 mm的爐渣作為地面保溫材料時，其全年累計熱負荷降低1.5%～2.3%。

(4)針對冀東地區既有農居提出6種圍護結構綜合改造方案，農居采暖季節能率可分別滿足50%、65%、75%、85%的節能標準，冬季農居自然室溫可提高4～6 ℃，全年自然室溫低于8 ℃的小時數可降低85%以上，冬季全年累計熱負荷及自然室溫情況優于夏季。