北方寒冷地区农村既有建筑按需节能改造效益分析

郭建宏 张顺 马坤茹

摘 要：為了改善北方农村既有建筑无保温措施、建筑热负荷高而造成的冬季采暖能耗高、供暖经济负担重、污染排放多及环境差的现状，需对农村既有建筑进行围护结构节能改造。根据河北省农村户均常住人口现状及保定市阜平某农村既有建筑的调研分析，确定仅对人员频繁活动的房间进行改造的4种按需节能改造方案，并针对4种按需节能改造方案及现有的整体节能改造方案进行能耗模拟、成本核算，分析其环境效益和经济效益。结果表明：只按需改造墙体、不改造屋顶和地面的静态投资回收期最短为4.03年，按需改造全部围护结构的回收期最长为5.9年，现有的整体改造方案为11.88年。农村居民可根据自身需求及经济条件选择合适的节能改造方案，研究结论可为河北省乃至整个寒冷地区农村既有建筑围护结构节能改造政策的制定及技术的应用推广提供理论依据和数据参考。

关键词：土木建筑工程设计其他学科;农村;既有建筑;围护结构;按需节能改造;能耗模拟;改造方案

中图分类号：TU201.5;TU832.02文献标识码：A

doi： 10.7535/hbgykj.2020yx05006

收稿日期：2020-03-28;修回日期：2020-04-26;责任编辑：王海云

基金项目：国家自然科学基金（51976052）;河北省重点研发计划项目（18274518）;河北省军民融合项目（HB19JMRH030）;石家庄市科学技术研究与发展计划项目（185230055A）;建筑安全与环境国家重点实验室科研项目（BSBE-EE2019-2）

第一作者简介：郭建宏（1996—），男，河北石家庄人，硕士研究生，主要从事建筑节能与新能源利用方面的研究。

通讯作者：张 顺高级工程师。E-mail：12234036@qq.com

郭建宏，张顺，马坤茹.

北方寒冷地区农村既有建筑按需节能改造效益分析——以河北省保定市阜平县某农居为例

[J].河北工业科技，2020，37（5）：335-342.

GUO Jianhong，ZHANG Shun，MA Kunru.

Analysis of on-demand energy-saving reconstruction benefits of existing buildings in rural areas of northern cold region： A case study of a farm house in Fuping County， Baoding City， Hebei Province

[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology，2020，37（5）：335-342.

Analysis of on-demand energy-saving reconstruction benefits of

existing buildings in rural areas of northern cold region：

A case study of a farm house in Fuping County，

Baoding City， Hebei Province

GUO Jianhong1，2， ZHANG Shun3， MA Kunru1，2

（1. School of Civil Engineering，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang， Hebei 050018， China; 2. Phase Change Thermal Management Technology Innovation Center， Data Center of Hebei Province， Cangzhou， Hebei 061001， China; 3. Baoding Green Building Development Center， Baoding， Hebei 071051， China）

Abstract：

In order to improve the situation of high energy consumption， heavy economic burden of heating， excessive pollution emission and poor environment in winter caused by the absence of heat preservation measures and the high thermal load of the existing buildings in northern rural areas， it is necessary to carry out energy-saving renovation of the enclosure structure of the existing buildings in rural areas. According to the survey and analysis on the current situation of permanent residents in each rural household of Hebei Province and the existing buildings in Fuping County， Baoding City， four on-demand energy-saving renovation schemes were determined for rooms with frequent personnel activities. Furthermore， the comparative analysis between those four renovation schemes and current energy-saving renovation schemes was conducted with regard to energy consumption and cost. Through the analysis of the environmental and economic benefits， the calculation result shows that the shortest static investment payback period for rebuilding the wall as needed without changing the roof and ground is 4.03 years， the longest payback period for rebuilding all enclosure structures as needed is 5.9 years， and the payback period of the overall transformation program is 11.88 years according to current schemes. Rural residents can choose suitable energy conservation renovation schemes according to their needs and economic conditions. The conclusions provide theoretical basis and reference data for the application and promotionof the energy-saving reconstruction policy in terms of the enclosure structures of existing rural buildings in Hebei Province and even in the entire cold regions.

Keywords：

other disciplines of civil architecture engineering design; rural areas; existing buildings; enclosure structure; on-demand energy-saving reconstruction; energy consumption simulation; renovation scheme

中国在“十一五”规划中明确提出了降低能耗、减少主要污染物排放的要求;“十二五”规划中制定了节能减排的主要任务，明确了节能减排的重点工程，完善保障措施，促使规划落地实施;“十三五”规划进一步树立了创新、协调、绿色、开放、共享的发展理念，通过提高效率、明确责任等形式，在促使中国社会经济可持续发展的同时也促进环境的改善。中国对城市既有建筑的节能改造已经取得了很大成就，但是农村受到经济、技术等因素的制约，在建筑节能改造方面投入较少，发展相对滞后。中国农村既有建筑量大面广，据中华人民共和国住房和城乡建设部发布的“2018年城乡建设统计年鉴”显示，中国农村实有住宅建筑面积为252.2亿m2，大部分未采用节能技术，供暖方式落后，效率低，导致农村居住建筑能耗逐年上升[1-3]，污染严重，所以对农村既有建筑的节能改造刻不容缓。

1 河北省农村既有建筑现状

1.1 缺乏规划

农村建筑缺乏规划，建筑的布局、朝向、体形系数以及各项基础配套设施都比较随意[4]。大多是单层平房，自行设计建造，无施工图纸作为指导依据，更没有按照施工验收规范进行施工验收[5]。布局较为简单，大多有正房和东西两侧厢房，正房通常用作休息和会客等活动，厢房多作为储藏间和厨房。

1.2 建筑围护结构传热系数大

农村房屋大多由农村建筑队根据当地传统习惯以及户主提出的要求进行建造，墙体多数采用黏土砖，少数老旧的建筑为土坯房[6]，大部分既有建筑围护结构未采取保温措施，

门窗以木制和铝合金为主，玻璃多为普通单层玻璃[7]，

房屋整体保温性能差，远达不到节能标准。《农村居住建筑节能设计标准》（GB/T 50824—2013）[8]中规定，寒冷地区农村住宅外墙传热系数不得高于0.65 W/（m2·K），屋顶传热系数不得高于0.5 W/（m2·K）。而北方农村既有建筑外墙和屋顶传热系数大多都在1 W/（m2·K）以上，保温效果较差。

1.3 供暖能耗高、污染重

河北省保定市属于寒冷地区，农村住宅供暖方式以家用供暖锅炉、火炉为主，支国瑞等[9-10]通过调查估算，该地区的农村散煤消耗量超过500万t/a。由于农村使用的燃煤供暖锅炉热效率低，仅为30%～40%[11]，造成能源大量浪费和环境污染。另外，锅炉产生的煤渣被随意丢弃，粉尘也对生活环境造成了影响。随着气代煤、电代煤工作的持续推进，近年來部分地区进行了清洁能源供暖改造，采用了电暖气、空气源热泵和燃气供暖等供暖方式，但新的供暖方式也需进行节能改造以降低能耗。

1.4 居住人口减少

根据《河北经济年鉴（2018）》中的数据（注：目前河北省未发布《河北经济年鉴（2019）》），河北省2000年—2017年农村基本情况见表1。

从表1中可以看出，河北省农村在2000年—2017年间，户均常住人口数逐年下降，人均拥有房屋面积和家庭人均可支配收入逐年上升。由于农村常住人口较少，因此在冬季供暖期间，仅需对有人员居住及频繁活动的房间进行供暖即可。

2 保定市阜平县某农居概况

1）农居改造前图纸

图1为保定市阜平县某农居整体布局图，正房为起居室，正房西侧长期居住，东侧为客房，很少居住。西厢房为厨房和储藏间，东厢房为杂物间。根据实际构造建立建筑模型，对其正房进行节能改造模拟。正房建筑面积为121.68 m2，该建筑围护结构做法较简单，未采用保温材料，建筑热负荷较大;原设计供暖面积为121.68 m2，各房间均安装有铸铁散热器。改造前正房平面图、立面图及供暖系统示意图分别如图2、图3和图4所示。

2）农居正房既有围护结构施工说明（见表2）

3 农居正房改造方案

3.1 改造方案设计

目前农村青壮年多外出打工，房屋常住人口较少，一般2间卧室就能满足常住人口的居住需求，因此

按需设计节能改造方案，改造供暖系统，加装旁通管与止回阀，仅对建筑轴线③左侧房间进行供暖，将供暖面积控制为60.84 m2。

居民在建筑节能改造时普遍选择对建筑整体进行改造，这种改造方式成本高，并且会造成资源浪费。为降低成本，主要对建筑轴线③左侧长期居住的起居室等供暖房间增加保温措施，建筑轴线③右侧较少居住的客房保持原有构造。根据对不同围护结构的改造，共设计4种按需（部分）改造方案（以下简称按需改造方案），并且

与常规建筑整体（全部）改造方案（以下简称整体改造方案）进行对比，分析按需改造方案的经济性。按需节能改造方案均改造供暖系统，整体改造方案不对供暖系统进行改动，改造方案及其实施内容见表3，正房按需改造与整体改造示意图及供暖系统按需改造示意图分别见图5、图6和图7。

3.2 农居围护结构改造施工说明

《农村居住建筑节能设计标准》（GB/T 50824—2013）中总结了不同保温材料的性能特点、应用部位和主要技术参数，为保温材料的选择提供了依据。外墙保温选择附录A.0.1中非黏土实心砖EPS板外保温，保温板厚度为70 mm;考虑尽量不影响室内装饰环境及实用空间，因胶粉聚苯颗粒保温涂料抗压强度高，黏结力、附着力强，施工性好，选择其作为内墙保温材料，厚度为30 mm;屋顶保温选择附录A.0.6中钢筋混凝土平屋面EPS板外保温，保温板厚度为90 mm;地面保温按照图集06J015选择挤塑聚苯板保温，保温板厚度为40 mm。正房围护结构节能改造做法及传热系数见表4。

4 建筑能耗模拟及效益分析

目前得到业内广泛认可并大规模应用的建筑能耗模拟软件主要有ESP-r，DOE-2，QUEST，TRNSYS，Energy Plus和DeST等[12]。其中DOE-2软件分析结果最精确，但其专业性要求高、程序运行缓慢，不是最佳选择;另外，在其内核的基础上研究开发出的各种能耗模拟软件包括 Energy Plus，QUEST等软件在能耗模拟的过程中也没有解决软件计算庞大的工作量问题，并且这些软件一般只能计算出整栋建筑物的逐时负荷[13]。清华大学开发出的DeST软件不仅可以用来模拟系统的性能，又可以详尽地分析出建筑的具体热特性[14]，弥补了上述软件的不足。因此，使用DeST软件进行建筑能耗模拟是较为合适的选择。

4.1 DeST-h软件模拟

DeST软件是由清华大学建筑环境与设备研究所开发的，应用于建筑环境及HVAC系统模拟的软件平台[15-16]。DeST-h软件主要用于住宅建筑热特性的影响因素分析、热特性指标计算、全年动态负荷计算、室温计算及末端设备系统经济性分析等领域[17]。其原理如下：

Q=KA（tn-tw ）a，（1）

式中：Q为围护结构耗热量，W;K为围护结构传热系数，W/（m2·K）;

A为围护结构传热面积，m2;

tn为室内采暖计算温度，℃（取18 ℃）;

tw为室外采暖计算温度，℃（取-9 ℃）;

a为耗热量修正系数。

q=QA，（2）

式中：q为采暖设计热负荷指标，W/m2;Q为冬季采暖热负荷，W;A为建筑面积，m2。

Q=0.278VρwCp（tn-tw），（3）

式中：Q为由门窗缝隙渗入室内的冷空气的耗热量，W;

Cp为空气的定压比热容，kJ/（kg·K）;

ρw为采暖室外计算温度下的空气密度，kg/m3;

tn为室内采暖计算温度，℃（取18 ℃）;

tw为室外采暖计算温度，℃（取-9 ℃）;

V=nLl，其中，L为通过单位长度门、窗缝隙渗入室内的空气量，m3/（h·m）;

l为门、窗缝隙计算长度，m;

n为渗透空气量的朝向修正系数。

R0=Ri+ΣR+Re，（4）

式中：R0为维护结构热阻，（m2·K）/W;

ΣR为围护结构各层材料的热阻和，（m2·K）/W;

Ri为围护结构内表面换热阻，一般取0.12 （m2·K）/W;

Re为围护结构外表面换热阻，一般取0.04 （m2·K）/W。

4.2 建筑热负荷分析

制定改造方案后利用DeST-h软件进行能耗模拟，其中室内设计温度为18 ℃，供暖期为每年的11月15日至次年3月15日，各房间均不设新风系统，只考虑门窗的渗透风量＼，换气次数设定为0.5次/h。DeST软件中设置建筑的围护结构及相应面积，最终得到建筑热负荷与建筑供暖热指标等，具体数据见表5。为了直观对比建筑供暖热指标，将其具体数据制成柱状图，见图8。

通过模拟该农居改造前后的能耗，发现对围护结构进行节能改造能够有效降低建筑的热负荷， 节能改造项目越齐全，建筑热负荷指标越小，节能效果越好。与整体改造方案相比，按需节能改造方案的建筑热负荷指标较高，原因是分隔未供暖房间的内墙上添加的保温层厚度比外墙保温层小，增加了供暖房间的热量损失，但按需节能改造方案减少了50%的供暖面积，因此其建筑累计热负荷比整体改造方案减少大约1/2。

4.3 环境效益分析

改造前，該农居全年供暖累计负荷为23 83481 kW·h，原有家用燃煤锅炉采用烟煤作为热源，热值为27 170～37 200 kJ/kg，取28 000 kJ/kg;家用燃煤锅炉的热利用率为30%～45%，取40%;1 t烟煤排放二氧化碳

2 566～3 117 kg，取2 800 kg;供暖期122 d，烟煤价格按850元/t计算，改造前燃煤量为766 t，对应费用为6 512.01元，二氧化碳排放量为21.45 t。改造前后的耗煤量、对应费用及二氧化碳排放量见表6。由表6可知，进行节能改造后，每年冬季供暖可减少煤炭消耗和冬季供暖费用，并降低了二氧化碳的排放量。

4.4 经济效益分析

按照设计的建筑围护结构节能改造做法，并根据每种材料的市场价格及目前人工费用得出的各项目综合单价，使用广联达软件计算出各节能改造方案的成本，具体数据见表7。

若采用空气源热泵作为热源，可进一步降低冬季供暖费用，减少污染物排放。因此根据建筑热负荷选用某品牌AP-03型号的空气源热泵，其制热功率为2.5 kW，供暖制热量为7.4 kW，参考价格为9 000元。按照河北省2018年出台的“煤改电”支持政策，选择电供暖设备，按设备投资额的85%给予补贴，每户最高补贴金额不超过7 400元，热源改造成本为1 600元。考虑该空气源热泵COP（性能系数）取值为3，不考虑峰谷电价与电价补贴，电价按

0.5元/（kW·h）取值，使用1 kW·h电所排放的二氧化碳以1.1 kg计。

项目投资回收期也称返本期，是反映项目投资回收能力的重要指标，分为静态投资回收期和动态投资回收期，本次主要计算方案的静态投资回收期。对于一次性的投资方案， 若每年的净收益基本相同， 则静态投资回收期可用下式计算[19]：

TQ=KprPr，（5）

式中：TQ为静态投资回收期，a;

Kpr为投资总额，元;

Pr为年净收益或年平均收益，元/a。

综合计算、分析得出各节能改造方案对应的改造总投资、耗电量、电费、节约供暖费用、投资回收期、减少的二氧化碳排放量等，其具体数据见表8。

5 结 语

1）河北省农村既有建筑围护结构大多未采取保温措施，冬季供暖能耗高，因此，设计了4种方案进行节能改造。目前居民普遍选择对建筑进行整体改造，但成本高，还会造成社会资源的浪费。结合农村常住人口较少的现状，本文提出按照实际需求进行改造。建筑节能改造后，热负荷显著降低，冬季供暖费用也随之下降，并可减少二氧化碳等污染物的排放量。

2）以河北省保定市阜平县某农居为例，对比4种改造方案分别在整体改造和按需改造时所需的初投资及投资回收期发现，与整体改造方案相比，按需改造方案可减少约33%的投资，缩短约50%的投资回收期;按需改造方案中方案4（不改造屋顶与地面）的投资回收期最短，为4.03年，而方案1的投资回收期较长，为5.9年。按需改造方案的投资回收期相差不大，农村住户可根据自身居住现状及经济条件选择改造方案。

3）由于北方寒冷地区农村的既有建筑围护结构采暖能耗高，环境污染严重，为了改善冬季大气环境，政府出台政策对农村既有建筑进行清洁能源供暖改造，并补贴部分初投资及运行费用，但由于改造费用较高而未能实施，按需改造为农村既有建筑围护结构的节能改造提供了新思路，最大限度降低了改造成本。

4）本文尚有一些不足之处，如：在进行围护结构改造时选取的保温材料较为单一，仅按照设计标准中的推荐选取，未来可选用多种保温材料进行能耗模拟及经济环境效益分析;方案设计的是一层平房建筑，随着经济的发展，双层建筑在农村将会逐渐增多，今后可对双层建筑进行能耗模拟及经济环境效益分析，为北方寒冷地区农村既有建筑围护结构的节能改造提供更多的可选方案。

5）希望政府能够加强对农村既有建筑节能改造的宣传力度，给予更多的鼓励及政策扶持，进一步降低农村建筑的供暖能耗，减少大气环境污染。

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