京津冀地區農村裝配式節能住宅建筑研究

王艷，張偉捷，李芳德，李爭爭

（1.河北工程大學 能源與環境工程學院，河北 邯鄲 056038；2.華陽國際設計集團上海分公司，上海 201101）

0 引言

京津冀地區農村對各類化石能源的大量消耗，是造成當地空氣污染的重要原因之一。化石能源的大量消耗主要分布在取暖、炊事、空調三方面，其中取暖部分占53%[1]。相關部門發布《北方地區冬季清潔取暖規劃（2017～2021年）》[2]以來，京津冀地區農村已禁止燃燒散煤，大力推行“煤改氣”“煤改電”工程，有大量清潔能源在農村應用，但仍然存在能源利用率低、室內舒適度差等問題，還造成了用電、用氣緊張的現象。除了能源結構不合理外，農村住宅建筑本體的建造水平低、不符合節能設計標準、圍護結構保溫性能差等也是能耗居高不下、舒適度難以提高的重要因素。不同于城市地區的集中管理，農村居住建筑分散，節能工作起步晚、節能標準推行進度慢，迫切需要一種新的建造方式對房屋進行節能改造和升級。裝配式建造方式作為建筑工業化的表達方式，將其應用到地理位置優越、經濟相對發達的京津冀地區可以解決以上問題。

對于同一個住宅建筑來說，采用不同的節能設計標準，建筑的節能性和經濟性無法通過實測或理論分析得出，模擬研究通常是最佳選擇[3]。本文使用DeST-h住宅建筑全年動態模擬軟件，對典型住宅建筑能耗進行動態模擬，依據節能標準對外墻、門窗、屋頂、窗墻比的不同要求分別選取符合節能標準（50%、65%、75%）的圍護結構構造和參數，并進行裝配式建筑模塊化拆分，對京津冀地區農村節能住宅建筑進行節能性、經濟性和環境效益分析，為京津冀地區農村裝配式住宅建筑提供基于節能標準的節能設計方案。

1 京津冀地區農村建筑現狀

1.1 建筑節能現狀

調研測試數據[4-8]顯示，京津冀地區農村無集中供暖，主要以分散型采暖為主，住宅建筑單位面積耗熱量31～120 W/m2，耗標準煤量14～50 kg/m2，室內平均采暖溫度5.0～17.1℃，外墻的傳熱系數為1.5～2.2 W/（m2·K），門的傳熱系數為2.7～3.2 W/（m2·K），窗的傳熱系數為4.7～5.0 W/（m2·K），屋頂的傳熱系數為2.00～3.59 W/（m2·K）。其中只有極少部分達到節能50%設計標準要求。表1為我國不同建筑節能設計標準的要求，參考標準分別為JGJ 26—95《民用建筑節能設計標準（采暖居住建筑部分）》（節能50%設計標準）、JGJ 26—2010《嚴寒和寒冷地區居住建筑節能設計標準》（節能65%設計標準）、DBJ 01-602—2004《北京市居住建筑節能設計標準》（節能65%設計標準）、DBJ 11-891—2012《北京市居住建筑節能設計標準》（節能75%設計標準）。

表1 居住建筑節能設計標準

1.2 建造方式現狀

根據京津冀地區三農普查數據[9-11]，農村住宅建筑以磚混結構最多，占60.4%，其次是磚木（石）結構占30.6%。京津冀地區的建造模式有2種：第1種是戶主自己組織瓦匠建房，第2種是施工隊承包建房，2種方式的建筑材料均由戶主自行購買，建房過程中戶主對建筑材料的使用帶有主觀的判斷。這種建造模式自主進行，但也會帶來建房不安全、材料浪費等問題。近年來，農村建筑建造方式已經逐漸由圖1（a）所示的傳統建造方式進展到圖1（b）所示的框架房屋建造方式，這種方式建房速度快，結構安全。隨著裝配式建筑政策的發布，裝配式建造方式進入到農宅建筑領域，施工現場相對干凈、建筑垃圾少。裝配式建造方式作為建筑工業化的表達方式，在京津冀地區農村地區實行裝配式節能建筑有其可行性和必要性。

圖1 京津冀地區農村住宅建筑建造方式

2 能耗模擬

2.1 模擬方案

根據數據調研和現場測試結果，對實際建筑進行模型建立和能耗模擬，并在此模型上根據節能設計標準對節能50%建筑、節能65%建筑、節能75%建筑增加圍護結構節能技術，4種模擬方案見表2，驗證采用不同節能標準的圍護結構節能技術對建筑本體的節能效果。

表2 建筑本體各方案節能技術

2.2 模型建立

選取北京市郊區某典型農村住宅建筑為模擬研究對象（[圖2（a）]。該建筑共1層，總建筑面積82.14 m2，建筑高度3.5 m、長7.4 m、寬11.1 m，屋頂為坡屋頂，建筑體形系數為0.736。主要功能房間為客廳、主臥、次臥、雜物儲物間、糧食儲物間等，衛生間在院落中設置。使用DeST-h住宅建筑全年動態模擬軟件對建筑能耗進行動態模擬，建模時需要根據每個建筑的實際情況對模型做出簡化，院落是暴露在室外的開放環境，建模時設置為室外，根據平面圖在軟件中建立4個模型，既有建筑模型如圖2（b）所示。

圖2 既有建筑模型

2.3 建筑圍護結構參數設置

既有建筑圍護結構傳熱系數見表3，體形系數保持0.736不變，當體形系數較大時，按照不同節能設計標準建議的圍護結構的限值設置其他3個模型的圍護結構參數見表4，窗墻比見表5，表4的圍護結構傳熱系數模擬參數中除節能50%建筑屋頂未嚴格按照設計標準選取參數外，其他參數均在標準限值內。

表3 既有建筑各圍護結構傳熱系數[12]

表4 不同建筑節能設計標準圍護結構傳熱系數W/（m2·K）

表5 不同建筑節能設計標準窗墻比

2.4 圍護結構構造形式

外墻保溫的主要形式分為內保溫、外保溫和夾芯保溫。針對節能設計，首選外保溫，外保溫相對內保溫和夾芯保溫，具有以下優勢[13]：（1）外保溫可有效消除“熱橋”影響；（2）外保溫層對主體建筑起到保護層的作用，避免外界環境對結構的破壞，降低外墻內外表面溫差，保溫效果好；（3）外保溫層的厚度不受室內面積的影響，不會縮減用戶的居住面積。

外墻、屋頂、門窗構造如圖3～圖5所示。外墻保溫采用了膨脹聚苯板（30、80 mm厚）、擠塑聚苯板（70 mm厚）等材料，通過改變保溫層的厚度、磚的種類及厚度對外墻參數進行設置。屋頂保溫采用了膨脹聚苯板、EPDM薄膜材料，通過改變保溫層的厚度、混凝土的種類及厚度對屋頂參數進行設置。外窗窗框采用通體鋁合金、斷橋鋁合金材料，玻璃分別采用3.25+15A+5、2.65+15A+5、6+12A+6組合。外門的材料設置同外窗一致。

圖3 節能50%圍護結構構造示意

圖4 節能65%設計標準圍護結構構造示意

圖5 節能75%設計標準圍護結構構造示意

2.5 熱源及室內溫度設置

2017年以來，北京市郊區農村已經禁止燃燒散煤，采用燃氣供暖、電暖氣供暖代替燃煤供暖。其中臥室、廚房和客廳采用暖氣片末端裝置供暖，儲物間不供暖，采暖形式為壁掛式分戶燃氣爐供暖，熱源設置為天然氣。

根據GB 50736—2012《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》規定，室內空調設定最高溫度26℃，最低溫度18℃，最高相對濕度80%，最低相對濕度20%，容忍溫度上限29℃，容忍溫度下限16℃。

2.6 結果驗證

4個模型的節能效果對比見圖6。

圖6 節能效果對比

由圖6可見，對比4個模型在1月19日的房間室內自然室溫顯示，節能50%、65%、75%建筑模型分別比既有建筑模型自然室溫提高3.8～5.3℃、6.2～11℃、10.2～17.9℃。節能50%、65%、75%建筑模型的熱負荷分別比既有建筑模型降低6.28、4.43、2.45 kW，4個模型的單位面積耗熱量分別為54.42、29.18、16.39、7.11 W/m2，單位面積耗標準煤分別為31.8、11.6、6.5、2.85 kg/m2。

在DeST-h圍護結構設置中，4個模型的圍護結構參數中體形系數和地面傳熱系數不滿足節能設計標準的建議值，此外節能50%建筑屋頂的傳熱系數不滿足建議值[建議值為0.600 W/（m2·K）]，模擬中設置的傳熱系數為0.639 W/（m2·K），相差0.039 W/（m2·K），模擬結果耗煤量在標準范圍內。可以看出，在設計標準中，并不是所有圍護結構均滿足設計標準才能達到節能要求，滿足節能要求相對重要的因素是門窗、外墻、屋頂的參數設置。依據節能設計標準來設計，建筑本體的能耗嚴格控制在節能范圍內。

3 農村裝配式節能建筑

基于前述的驗證分析，農村住宅建筑依照節能設計標準建造房屋具有可觀的節能效果，隨著農村經濟條件和居民生活水平的提高，京津冀地區農村裝配式房屋市場需求量呈增加趨勢，要想真正實現農村裝配式建筑的節能，需要嚴格依照節能設計標準選取圍護結構的參數。因此建議裝配式節能住宅建筑按照節能標準設計房屋。對前述的3種方案（節能50%建筑、節能65%建筑、節能75%建筑）進行裝配式建筑設計。

3.1 主體結構體系

目前，我國裝配式建筑以鋼筋混凝土結構為主，鋼結構次之，木結構與竹結構較少。但從農村建筑節能推廣的角度考慮，宜首選輕鋼結構[14]。輕鋼結構的使用年限為50年，并且系統中采用的鍍鋅彩鋼圍護在15～20年內無需大范圍的維護保養，而傳統磚混結構5～7年就需要粉刷等保養工作。低層住宅（1~6層）適合使用輕鋼龍骨體系、純框架體系、鋼框架-支撐體系[15]。

輕鋼結構的優點[16]：（1）相比于混凝土結構的推倒重建，鋼結構有利于農村危房改造，可直接在既有混凝土房屋上直接改造，對新建建筑來說結構穩定性更好；（2）抗震性能強，質量輕，裝配式輕鋼結構施工材料較輕；（3）裝配率高，在輕鋼結構裝配式建筑中，基本不需要現澆部分；（4）綠色環保，輕鋼結構建筑部件在工廠制作，在現場完成部品構件的連接即可，施工過程多為干式作業，減輕現場的建筑垃圾處理，不僅降低施工現場的粉塵污染和噪聲污染，也方便后期維修。

建筑的平面和立面如圖7所示，建筑的模塊化拆分如圖8（b）所示，分為部件1、部件2、部件3。部件1由2面預制外墻和1面預制內墻組成，包括雜物儲物間和主臥室；部件2由2面預制外墻和3面預制內墻組成，包括廚房和客廳；部件3由3面預制外墻和1面預制內墻組成，包括糧食儲物間和次臥室。

圖7 建筑平面和立面示意

圖8 建筑框架和部件示意

3.2 外圍護系統

裝配式鋼結構建筑外圍護系統包括外墻體、屋頂、門窗3個主要部分[17]。預制外墻板材料見表6，主要為碳酸鈣板、泡沫混凝土，保溫材料為石墨聚苯板（70 mm厚）。預制屋頂材料見表7，主要為多孔混凝土、鋼筋混凝土，保溫材料為膨脹聚苯板（50、70 mm厚）。預制外窗材料見表8，窗框為通體鋁合金，門框為通體鋁合金和斷橋鋁合金。

表6 裝配式節能建筑方案外墻熱工參數

表7 裝配式節能建筑方案屋頂熱工參數

表8 裝配式節能建筑方案外窗熱工參數

按照不同的節能設計標準，選擇不同的建筑材料制作構件，各構件需要在工廠完成預制，部件及構件拆分如圖9所示。在Revit軟件中建立構件庫并編號[18]。工廠預制階段包括構件拆分、部品采購、構件加工、構件分級裝配等程序。以部件1為例進行構件拆分示意，如圖10所示，主要圍護結構裝配工作包括外墻板、維護面板、輕鋼龍骨、內飾面、地板、樓板、找平層、內部機電管線、預留預裝設備層等。

圖9 部件及構件示意

圖10 部件1部分圍護結構安裝分解軸測示意

3.3 裝配式建筑施工

將鋼結構框架、預制構件運輸到現場，在現場按部件順序組裝完成，各個構件出廠有二維碼和安裝說明，現場需要4～5名裝配式建筑安裝工人根據施工說明進行安裝。農村住宅建筑面積小，需要1輛吊裝車、1輛施工車，鋼結構不需要現場澆筑，現場施工示意如圖11所示。

圖11 裝配式節能建筑現場施工示意

4 經濟效益分析

從農村建筑節能推廣的角度，分別對節能50%、65%、75%建筑就傳統建造方式和裝配式建造方式進行建造階段經濟性分析和環境效益分析。

傳統建筑建造階段成本主要包括人工費、材料費、機械費[19]。相關材料廠家的報價見表9。計算得出既有建筑需花費材料費253元/m2，節能50%建筑需花費材料費335元/m2，節能65%建筑需花費材料費623元/m2，節能75%建筑需花費材料費1266元/m2。機械費用200元/m2，人工費用400元/m2。

表9 建筑材料單價

裝配式住宅在建造階段的成本主要包括工廠預制費，構配件運輸費，現場施工安裝費用。其中輕鋼結構住宅的固定資產攤銷費用約100元/m2，工廠預制人工費70元/m2，既有建筑材料費472元/m2，節能50%建筑材料費563元/m2，節能65%建筑材料費855元/m2，節能75%建筑材料費1480元/m2，運輸費用約10元/m2。現場施工安裝需要機械費約42元/m2，現場需要人工費324元/m2，輕鋼骨架造價150元/m2。傳統建造方式和裝配式建造方式建造階段成本見表10。

表10 建造階段成本及采暖成本

由表10可見，裝配式輕鋼結構單價比磚混結構貴300元/m2左右，同時滿足不同節能標準的建筑折合每年耗電分別為177.2、94.3、52.8、23.1 kW·h/m2，按照0.52元/（kW·h）電價計算，每年節省電費分別為43.20、64.70、80.20元/m2，從長期的消費來看，滿足節能標準的裝配式農村住宅不僅能節省能源，而且可以節省采暖費用。

由前述分析可知，既有建筑模型模擬結果不滿足節能30%的要求，調研數據顯示只有極少部分能達到節能50%的要求，這一現狀距離北京市地區展開的第五步建筑節能要求（節能80%標準征求意見稿）較遠。節能65%比既有建筑節能提高35%，價格提高300元/m2左右，節能75%比既有建筑節能提高55%，價格提高600元/m2左右，綜合分析節能65%建筑的節能性和經濟性，建議農村建筑最低應達到節能65%設計標準要求。涉及到具體的住戶，可以根據住戶經濟能力和對節能的要求進行不同節能建筑方案（65%、75%、80%）的選擇。

5 結語

（1）農村住宅建筑的節能潛力很大，不同經濟條件的用戶可以選擇滿足不同節能標準（50%、65%、75%）的節能方案，根據節能效果分析，建議農村住宅最低應達到節能65%的設計標準要求。

（2）滿足節能指標并不是每一項圍護結構的熱工參數都必須達到要求，當體形系數和地面不滿足要求時，外墻、屋頂、門窗按照節能設計標準設置可以達到節能指標。

（3）裝配式建筑建造方式比傳統現澆方式貴300元/m2左右，節能效益是每年節省20元/m2左右。從長遠來看，農村裝配式節能建筑具有良好的效果。

（4）裝配式鋼結構有利于農村節能方案的實施和推廣，構件按照規范進行編號，在工廠預制完成，有利于節能材料的標準化選取。