夏热冬冷地区农村装配式钢结构节能建筑研究

2021-11-30李芳德张伟捷王艳吴金顺

新型建筑材料 2021年11期

李芳德，张伟捷，王艳，吴金顺

（1.河北工程大学能源与环境工程学院，河北邯郸056038；2.华北科技学院河北省可再生能源冷暖联供国际联合研究中心，河北廊坊065201）

0 引言

据相关研究报告表明[1]，农民生活水平得到明显改善的同时，对新建住宅的需求和室内舒适性要求也不断提高，导致了农村建筑能耗及其相关的碳排放量持续上升。目前，夏热冬冷地区农村大部分既有住宅建筑围护结构（如实心黏土砖墙、单层铝合金玻璃窗等）的热工性能较差，不能再用于新建建筑上；传统建造方式存在施工周期长、现场施工污染环境及难以保障节能建材得到有效应用等不足，不符合新农村生态建设理念，迫切需要进行节能改造，并引入生态环保的建造方式。

在建筑围护结构节能改造方面，相关学者针对夏热冬冷地区的气候特征进行了具体的研究。如黄莺和王昭俊[2]采用正交试验法，运用DeST软件分析各围护结构因素对建筑能耗的影响效果。仓盛[3]以既有居住建筑为研究对象，分析了外窗、屋面及外墙节能改造的关键技术，明确了外墙是建筑节能改造的重点。Diao等[4]针对农村建筑墙体材料耗能大和热工性能差的现状，对7种不同墙体的传热系数进行了理论计算与实测，研究发现，矩形多孔砌块、复合陶瓷混凝土砌块及蒸汽压砂混凝土砌块墙体的传热系数均达到建筑节能50%的要求。在建造方面，装配式钢结构建筑作为我国建筑行业的重点发展方向，已在北京、上海、深圳等多个重点城市建立示范基地。然而，装配式钢结构建筑尚未能在农村地区得到有效应用，JGJ/T 398—2017《装配式住宅建筑设计标准》中虽然提到建筑围护结构构件的设计应符合国家现行的节能设计标准的要求，但未说明具体的做法[5]；当前装配式建筑厂家生产的预制构件质量良莠不齐，其装配而成的建筑难以保证均能达到节能设计标准的要求；相关研究也主要针对装配式建筑在农村地区的应用前景与可行性进行探讨，缺乏对其节能性进行深入地研究分析[6－7]。

本文以长沙市典型农村住宅为例，采用单因素试验法与正交试验法，运用DeST软件分析适用于该地区气候条件的被动式节能改造技术，结合装配式钢结构建筑的结构特性与预制节能围护结构（外墙、外墙、屋顶）构件的研究，提出农村装配式轻、重钢结构节能建筑方案，并进行能耗模拟分析和生态性与经济性分析，以促进节能50%、65%的装配式钢结构建筑在夏热冬冷地区农村建筑上的推广与应用。

1 围护结构节能改造技术研究

被动式生态节能改造技术旨在针对夏热冬冷地区的气候环境因素，通过控制建筑窗墙比和围护结构热工特性，达到降低建筑室内夏季空调与冬季采暖能耗的目的。以长沙市农村住宅为例，运用DeST软件建立了农村典型住宅模型（见图1），模型的围护结构热工参数按20世纪80年代初的基准建筑模型设定[8]。

图1 农村典型住宅三层平面

1.1 单因素试验分析

表1～表4为建筑围护结构对建筑能耗影响的模拟结果。

表1 窗墙比模拟

表4 屋顶模拟

从表1可以看出，窗墙比与建筑能耗呈线性负相关关系，控制窗墙比为0.2对于降低建筑能耗大有裨益。

从表2可以看出，随着外窗传热系数的减小，建筑能耗持续下降；随着外窗综合遮阳系数减小至0.4后，对建筑能耗的影响较小，原因在于外窗是室内重要的得热部件，适当地降低其综合遮阳系数可以有效阻挡太阳辐射和降低室内冷负荷，但其值过低时，不利于冬季太阳辐射得热和降低室内热负荷。

表2 外窗模拟

从表3、表4可以看出，随着外墙和屋顶太阳辐射吸收系数的减小，建筑能耗下降趋势较为平缓；而随着外墙和屋顶传热系数的减小，建筑能耗明显降低，但传热系数分别减小至0.4、0.5 W/（m2·K）后，其能耗曲线趋向于平缓。原因在于保温效果良好的外墙和屋顶可以在冬季有效阻挡室内热量向室外传递及室外冷量向室内传递，但在夏季与过渡季节，室内温度一般会高于室外温度，此时不利于向室外散热，导致室内冷负荷有所增加。

表3 外墙模拟

1.2 正交试验分析

为了更进一步分析各因素对建筑能耗影响的主次顺序及它们之间的组合作用对建筑能耗的影响，需要对各因素的不同水平进行全面组合。根据上述试验结果，分别对窗墙比（A）、外窗传热系数（B）、外窗综合遮阳系数（C）、外墙传热系数（D）、外墙太阳辐射吸收系数（E）、屋顶传热系数（F）及屋顶太阳辐射吸收系数（G）7个因素的3个水平进行取值见表5。

表5 正交试验因素水平

通过分析现有正交试验表的情况，得出最适合本次试验的正交表为L18（37）。将各组试验对建筑能耗的影响情况进行模拟分析，其试验模拟结果见表6。各因素的平均值与极差的计算结果见表7。

表6 正交试验模拟结果

由表7可以看出：各个因素对建筑全年负荷的影响由大到小为：A>D>B>F>C>G>E，即影响建筑能耗最主要的因素为窗墙比，其次为外墙的传热系数，建筑能耗随窗墙比和外墙传热系数的减小急剧下降；对建筑能耗影响最小的因素为外墙的太阳辐射吸收系数，随着外墙太阳辐射吸收系数的减小，节能效果并不明显；随着外窗和屋顶传热系数的减小，建筑能耗呈线性降低的趋势；当屋顶太阳辐射吸收系数减小至0.5后，对建筑能耗的影响较小。

表7 试验计算结果

因此，应综合考虑实际情况控制农村建筑的窗墙比在0.2左右，并提高外墙、外窗、屋顶的传热系数分别至0.4、3.0、0.5 W/（m2·K）左右。

2 预制节能围护结构构件研究

装配式钢结构建筑是指在工厂中生产钢结构部件和预制构件，然后集中运输至施工现场，通过可靠的连接和吊装工作将各部（构）件装配而成的建筑，按主体结构用钢量分为轻钢结构和重钢结构建筑[9]。根据装配式轻、重钢结构建筑的外围护结构体系特性，结合上述被动式节能改造技术，研究适合夏热冬冷地区的预制节能围护结构构件，为相关的装配式建筑生产厂家提供数据支持。

2.1 预制节能外窗构件

在外窗构件研究方面，在满足室内采光和通风的要求下，应尽可能地控制建筑的窗墙比在0.2左右。外窗的综合遮阳系数对建筑能耗的影响相对较小，通过增设活动外遮阳措施可以有效提高外窗的遮阳性能。通过建材市场调研分析，外窗的传热系数对建筑能耗有重要的影响，对比5种常见外窗的热工性能及其工程造价见表8。

表8 外窗热工性能及造价

从表8可以看出，虽然断桥铝中空玻璃窗的热工性能较好，但其造价过高，不适合在农村地区进行广泛推广与应用；塑钢中空玻璃窗的性价比相对较高，适用于农村装配式轻、重钢结构建筑外窗构件。

2.2 预制节能外墙构件

在外墙构件研究方面，装配式轻、重钢结构建筑的外墙构造形式有所不同，轻钢结构外墙一般采用填充墙体，而重钢结构外墙通常采用复合墙体，其具体做法见图2，需要根据其构造形式，分别定制传热系数为0.4 W/（m2·K）左右的节能外墙。

图2 预制外墙构造

根据图2中预制外墙构造情况，对轻钢外墙的保温填充材料与重钢外墙的保温板分别在其不同厚度下外墙的传热系数进行研究分析，结果见图3。

图3 预制外墙的传热系数

根据图3中各外墙保温材料的热工特性研究，结合建材市场调研情况得知，用于轻钢外墙填充材料的聚氨酯泡沫与聚苯乙烯泡沫的保温性能优越，但其造价过高（按厚度为80 mm计算，一般为10～12.9元/m2），不适合在农村地区进行广泛应用，而玻璃纤维棉的保温性能良好且造价较低（按厚度为100 mm计算，一般为3.0～3.4元/m2），适用于农村建筑；用于重钢外墙保温板的硬泡聚氨酯板的造价过高（一般为850～900元/m3），酚醛板、挤塑聚苯板及石墨聚苯板的造价基本持平（一般为290～310元/m3），但酚醛板的保温性能相对较优。因此，分别选用厚度为100 mm的玻璃纤维棉和40 mm的酚醛板作为轻钢与重钢外墙的保温层。

2.3 预制节能屋顶构件

同理，根据不同的屋顶结构形式，分别定制传热系数为0.5 W/（m2·K）左右的预制轻钢结构与重钢结构屋顶构件，其构造形式见图4。根据轻、重钢结构建筑的屋顶形式，分析不同保温材料厚度下屋顶的传热系数，结果见图5。

图4 预制屋顶构造

图5 预制屋顶的传热系数

根据图5中各屋顶保温材料的热工特性研究，结合建材市场调研情况进行综合分析，分别选用厚度为100 mm的玻璃纤维棉和40 mm的酚醛板作为轻钢与重钢屋顶的保温层。

3.1 模型建立

图6为根据预制节能围护结构构件的研究，结合农村地区的经济水平和发展建设要求，采用BIM软件建立的装配式钢结构建筑本体模型。

图6 装配式钢结构建筑本体模型

运用DeST软件对装配式轻、重钢结构建筑方案及其基准建筑方案进行建模，模型的建筑朝向设定为正北方向，其围护结构热工性能参数见表9。基准建筑模型与轻、重钢结构建筑方案模型的平面布局和室内参数设定一致，室内空调房间为卧室、客厅、餐厅；空调室内设定最高温度为26℃、最低温度为18℃；空调启动上限温度为28℃、下限温度为16℃；空调能效比设定为3.2；换气次数设定为1.0次/h；卧室空调开启时间为00：00～06：00、12：00～14:00、22：00～24：00；客厅空调开启时间为08：00～21：00；餐厅空调开启时间为07：00～09：00、12：00～14：00、18：00～20：00；室内人员、灯光、设备作息表按农户实际使用情况设定。

表9 各建筑方案的围护结构热工性能参数

3.2 能耗模拟验证分析

以长沙农村地区为例，运用DeST－h能耗模拟软件对轻、重钢结构建筑及其基准建筑的全年能耗情况进行模拟分析见表10。

表10 各建筑方案的全年累计负荷面积指标（kW·h）/（m2·a）

从表10可以看出，采用被动式节能改造技术优化建筑围护结构，在装配式工厂中定制节能围护结构构件，并在施工现场进行装配而成的轻、重钢结构建筑的建筑节能率分别为56.93%和54.94%，均达到节能50%的要求（即在基准建筑全年能耗的基础上减少50%的能耗），每年分别能减少30.94（kW·h）/（m2·a）和28.28（kW·h）/（m2·a）的空调能耗。

同理，经过进一步提升建筑围护结构的热工性能，可得到节能65%的装配式钢结构建筑，其围护结构构造见表11。

表11 节能65%的装配式钢结构建筑围护结构

3.3 生态性与经济性分析

3.3.1 生态性分析

与农村现浇式建筑相比，装配式钢结构节能建筑在建材准备阶段集中生产预制节能构件，对生态环境的影响范围较小；在建造阶段现场施工量和污染物排放量小，能减少22.33%的垃圾排放和降低7.5%碳排放[10]，对环境的污染程度较低；在拆除回收阶段，可回收大量拆除后的钢材、墙板等材料，生态效益良好，故装配式钢结构节能建筑的生态性在建筑全生命周期的各阶段均优于农村现浇式建筑。此外，在建筑运行阶段每节省1 kW·h的能耗，相当于降低0.997 kgCO2排放、0.03 kgSO2排放、0.015 kgNOx排放、0.272 kg碳粉尘排放及0.136 kg烟尘排放，其减排价值分别为160、20 000、631.6、275.2、275.2元/t[11]。结合表10和表11得到各节能建筑方案的减排量及生态效益见表12。

表12 各节能建筑方案的减排量及生态效益

3.3.2 经济性分析

通过咨询夏热冬冷地区农村当地施工队与装配式钢结构建筑厂家关于建筑主体造价的情况及农村电价情况[0.5469元/（kW·h）]，结合装配式钢结构建筑在建造和运行阶段的生态效益补偿费用，对各建筑方案的经济性进行分析，结果见表13。

表13 各建筑方案的经济性分析

从表13可以看出，虽然装配式钢结构节能建筑的造价比传统建筑高210.72～375.72元/m2，但是从长远来看，装配式节能建筑作为国家重点发展的方向，其构件材料费会随着预制构件生产的标准化和国家的大力支持而降低，且每年运行阶段的费用比传统建筑方案低40.42～51.31元/m2，在建筑运行6～8年后，其总费用将低于传统建筑，有利于推动节能50%、65%建筑在夏热冬冷地区农村的应用。