基于能耗模拟分析的豫东地区农村住宅节能改造研究——以河南商丘虞城某村为例

■ 季贵斌 JI Guibin 刘云飞 LIU Yunfei

0 引言

2020 年，习近平总书记在“第七十五届联合国大会一般性辩论”上作出“碳达峰、碳中和”的郑重承诺，并在之后的“气候雄心峰会”上提出了具体目标；同年，在党的十九届五中全会及中央经济工作会议上作出了相关工作部署[1]。根据中国建筑节能协会能耗统计专委会发布的《中国建筑能耗研究报告2020》，“在居住建筑运行阶段，农村能耗占全国能耗的38.41%，碳排放占全国碳排放的32.96%”，农村建筑的耗能量和碳排放量不容小觑。因此，降低农村居住建筑能耗和碳排放，对实现“碳达峰”和“碳中和”具有重要的现实意义。

本文以豫东地区农村住宅为研究对象，基于能耗模拟软件对现有建筑进行能耗分析并提出节能改造方案，以期为该地区农村住宅节能改造提供技术支撑和参考。

1 项目概况

商丘市位于河南省东部，苏鲁豫皖四省交界处，属于寒冷（2B）地区。

对豫东地区农村建筑进行调研，总结出当地典型的建筑形式为半合院式。本文即选取其中某2 层典型半合院式住宅建筑为研究对象（图1～3）：建筑坐北朝南，一层为客厅、卧室、厨房和洗手间，院中角落处设有单独室外厕所；二层主屋布局基本与一层相同，房间功能除了卧室之外，还可用于储藏、多功能间等；浴室和厨房上层是室外露台，平时可供晾晒衣物和农作物，也可放置太阳能热水器供一层生活使用。

图1 一层平面图

图2 二层平面图

图3 轴测图

2 原始建筑模拟

本研究基于斯维尔节能设计软件（BECS 2020），该软件收录了《河南省居住建筑节能设计标准（寒冷地区75%）》（DBJ 41/T 184—2017）（以下简称《标准》）。由于该住宅层数较低（仅2 层），体型系数较大（s ＝0.6），超出了《标准》要求（s ≤0.52）。因此，应对其进行围护结构热工性能判断，且以该建筑物耗热量指标为判断依据。

2.1 模型建立

依据原始建筑平面图，在BECS 2020 软件中建立原始建筑模型。软件进行能耗模拟时，需对建筑平面进行适当简化：脱离建筑主体的院子和室外厕所等不参与能耗计算，故在模型建立中不予体现（图4、5）。

图4 模型一层平面图

2.1.1 参数设置

根据原始建筑模型，设置符合现状的建筑信息参数，如外墙、外门、外窗、屋顶等围护结构的构造和传热系数（表1）。

表1 原始模型围护结构构造及传热系数

2.1.2 模拟结果

根据《标准》第4.3.2 条，“商丘地区3 层及以下建筑的耗热量指标限值为9.9 W/m2”。然而，模拟结果显示，建筑物耗热量指标为56.61 W/ m2，远远大于标准限定值9.9 W/ m2。究其原因，这是由于原始建筑的外围护结构不满足建筑节能的性能指标要求，因此，需对其外围护结构进行节能改造设计。

3 改造方案

3.1 方案模拟

图5 模型二层平面图

本研究在原始建筑模型的基础上，尝试对各围护结构进行节能改造方案的模拟，如在原始建筑模型上增加保温材料或更改门窗类型等，并通过优选组合，以达到最优节能效果。方案所用到的主要保温材料及其传热系数如表2 所示。

表2 保温材料传热系数

3.1.1 外墙方案

在原始模型的基础上，只对外墙构造进行方案设计，以此观察外墙各方案模拟结果的变化（表3、图6）。

表3 外墙方案

从图6 可以看出，通过对外墙增加保温层，可以使建筑耗热量指标降低；且保温层材料传热系数越小，耗热量指标值越低。其原因是：提高外墙的保温性能可以减少建筑通过外墙的热损失并降低建筑物外墙内表面的温度波动，使得建筑物室内热量交换趋于平衡[2]。

图6 外墙方案模拟结果

3.1.2 外窗方案

在原始模型的基础上，只对外窗构造进行方案设计，以此观察外窗各方案模拟结果的变化（表4、图7）。

图7 外窗方案模拟结果

表4 外窗方案

从图7 可以看出，通过提高外窗的保温性能，也可以降低建筑耗热量指标；且外窗保温性能越好，耗热量指标值越低。原因是窗户的传热系数K 值对于围护结构热工性能较低、保温性能较差的房屋有较明显的作用，K 值越低，就越能够降低房屋的整体能耗[3]。

3.1.3 外门方案

在原始模型的基础上，只对外门构造进行方案设计，以此观察外门各方案模拟结果的变化（表5、图8）。

表5 外门方案

从图8 可以看出，通过提高外门的保温性能，耗热量指标也随之降低；且外门保温性能越好，耗热量指标值越低。这是因为外门同外窗一样，属于建筑围护结构的保温薄弱点，提高外门的保温性能可以减少建筑在外门位置的散热量，降低房屋能耗。

图8 外门方案模拟结果

3.1.4 屋顶方案

在原始模型的基础上，只对屋顶构造进行方案设计，以此观察屋顶各方案模拟结果的变化（表6、图9）。

表6 屋顶方案

从图9 可以看出，增加屋顶的保温性能对耗热量指标的影响仅次于外墙，原因是屋顶占外围护结构面积仅次于外墙；同时，随着屋顶保温材料保温性能和厚度的增加，节能效果也随之提高，这是因为屋顶的耗热量约占建筑整体能耗的20%，对其进行节能改造，有利于提高建筑保温和节能性[4]。

图9 屋顶方案模拟结果

3.2 综合方案模拟

3.2.1 方案组合

根据上述结果，在外墙、外窗、外门和屋顶中，提高任意部位的保温性能，都可以降低建筑的耗热量指标，即都具有节能效果。但是，不管是增加外墙和屋顶的保温材料，还是更换外门窗的构造类型，都无法满足耗热量指标限值9.9 W/m2的要求，因此，需要综合以上方案，对原始模型进行节能改造设计。

由于对耗热量指标影响最大的是外墙和屋顶保温材料的选用，依据保温材料的不同，可归纳出4 个综合方案。其中，外门均选用双层空心木质门，外窗均选用塑料型材框+中空玻璃（6 mm 低透光Low-E+12 mm空气+6 mm 透明）。4 种综合方案的围护结构构造及传热系数如表7 所示。

表7 综合方案围护结构构造及传热系数

3.2.2 方案优选

由于造价、施工难度等方面也是进行节能改造要考虑的重要因素，需要结合保温材料的价格和施工难度，选出最合适的方案。综合方案中所用到的保温材料的施工工艺、单价及总价如表8 所示。

表8 保温材料施工工艺、单价及总价

可以看出，前3 个方案的施工工艺均为粘贴+锚固，而综合方案4 的施工工艺为粘贴，难度最低。结合价格和材料的保温性能，选取综合方案4 作为最终解决方案。

3.2.3 方案验证

对综合方案4 进行模拟分析，并与原始模型对比（图10）。可以看出，耗热量指标从原始模型的55.61 W/m2，下降到综合方案4的9.41 W/m2，降低了83.08%，完全满足《标准》要求（限定值9.9 W/ m2），节能效果显著。

图10 模拟结果对比

4 结论

通过斯维尔节能设计软件对豫东地区农村建筑进行节能改造模拟分析可知，豫东地区农村现有建筑外围护结构保温性能极低，基本没有建筑节能措施，建筑能耗大（耗热量指标约为《标准》的5.7 倍）。在对外围护结构进行相应的节能改造处理后，结果显示耗热量指标仅为9.41 W/m2，比原始模型下降了83.08%，低于《标准》限定的9.9 W/m2，这说明综合方案4 对豫东地区农村建筑的节能改造设计是可行、可靠的。本研究对于豫东地区农村住宅的节能改造，具有一定的理论和指导意义。