西安农村住宅建筑围护结构热工性能实测及节能改造优化研究

谢安生 郝 倩 田欣猛 江 超

（长安大学建筑工程学院 西安 710064）

0 引言

随着城镇化的逐步推进，农村住宅的规模已经基本稳定在230 亿m2左右，农村人口减少至5.6亿人，人均住房面积达到41m2/人[1]。2018年农村住宅的能耗为2.16 亿tce，占全国建筑总能耗的22%[2]。“新农村建设”与“节约型社会”工作的开展和深入使得农村建筑节能受到广泛关注。西北地区作为我国七大地理分区之一，既有建筑的节能改造是建筑节能的重点任务[3]。

农村居住建筑节能改造问题，一直都受到关注。刘满等[4]人针对辽宁省农村住宅进行了调研，并进行能耗结构的研究，提出了适合该地区的节能措施。张晓丹[5]针对陕西地区农村住宅，结合外围护结构的保温措施，对墙体保温结构进行传热计算，从而提出适合该地农村住宅的墙体保温结构。李政等[6]利用DeST 模拟软件，对山东某农村建筑进行模拟，计算出用聚氨酯硬泡沫塑料作为保温材料时的最佳厚度层，且南向外墙为最佳保温外墙。白雪[7]通过对比测试不同类型的保温材料的性能，运用DeST-h 模拟全年能耗计算出了能耗降低值，得出了最经济实用的保温材料厚度。张兴惠等[8]通过将DeST 模拟软件、ADIAN 有限元分析软件相结合，分析建筑能耗及围护结构传热等相关问题，得出墙体耗能占比最高。李哲[9]提出针对学校围护结构收益率外窗改造最高，外墙次之，屋顶最低。冷红等[10]通过EnergyPlus 软件模拟不同形态建筑，发现各类住宅的体形系数与住宅单位体积总能耗成正比，建议在进行寒冷城市居住规划时，应在满足各项规范的基础上使住宅体形系数最小化。张海滨等[11]提出当实际的体形系数超过规定范围时，可以通过提高围护结构热工性能，进而权衡判断建筑是否满足要求。

现有研究大多以围护结构热工参数的理论值为基础，对墙体保温结构及材料、改造效果进行了研究，但对农村住宅建筑围护结构热工性能的实测研究以及改造优先性的研究较为缺乏，忽略了即有农村居住建筑的实际围护结构热工性能，从而影响改造后的实际效果。

本文对西安地区既有农村住宅建筑进行了实地调研，选取具有代表性的布局形式建筑，使用热流计法测试了通过外墙和屋面的热流，使用温度传感器测试了墙体内外壁面温度，通过算术平均法计算得出墙体热阻及传热系数。确定合理的改造方案，使用DeST 能耗模拟软件模拟计算建筑节能改造前后的建筑热负荷，并计算得出改造节能率；同时结合经济性分析，提出西安地区农村住宅建筑节能改造的优化方案，得出农村地区建筑围护结构改造的优先顺序。

1 农村住宅建筑围护结构特征

西安市地势平坦，村落密度、地理环境相似，选取西南部鄠邑区（陈坪村）、东北部高陵区（南郭村）的农村住宅进行分析。

1.1 建筑布局型式

西安地区农村住宅的型式主要有传统大进深型（见图1）、分块非对称型（见图2）、分块对称型（见图3）和L 型（见图4）四种布局型式。建筑布局正南正北，窗户主要在南、北两面外墙上。

图1 农村住宅建筑布局型式一Fig.1 The first type of rural residential building layout

图2 农村住宅建筑布局型式二Fig.2 The second type of rural residential building layout

图3 农村住宅建筑布局型式三Fig.3 The third type of rural residential building layout

图4 农村住宅建筑布局型式四Fig.4 The fourth type of rural residential building layout

模拟得出以上四种布局型式的采暖季平均热负荷分别为64.47W/m2、73.77W/m2、71.99W/m2、125.98W/m2，且最大热负荷分别可达199.88W/m2、173.95W/m2、195.23W/m2、216.16W/m2，可得供暖季农村房屋热负荷较大。

1.2 建筑特征

西安地区的农村住宅主要为单层或二层单体建筑，前三种建筑布局型式为鄠邑区陈坪村的典型建筑，建筑布局型式四为高陵区南郭村的典型建筑，所有住宅建筑的外墙、屋面均无保温层。

表1 建筑特征Table 1 Architectural features

体形系数是影响建筑能耗的重要因子，根据《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》JGJ 26-2018[12]，寒冷地区居住建筑节能设计标准限定住宅体形系数的取值应≤0.57，布局二、三建筑满足规范要求。

西安地区受传统建房形式、社会、经济等多方面的影响，村落住宅建设缺乏规划，具有无序性，是制约农村住宅节能水平提升的瓶颈[13,14]。对既有建筑而言，体形系数较难改变，降低既有农村建筑能耗，应主要通过改善围护结构热工性能来实现[11]。

1.3 围护结构热工性能测试

测试时间为2020年12月，根据《居住建筑节能检测标准》（JGJ/T132-2009）[15]，采用热流计法检测外墙及屋面传热系数。测试房间采用2200W电加热器连续供热。为了减少太阳辐射对墙体温度的干扰，将测点布置于测试房间北外墙上。测试仪器参数如表2所示。

表2 测试仪器概况Table 2 Overview of test equipment

热流计及热电偶布置如图5、图6所示。室内每个测点测试了该点处内壁面温度及通过的热流，温度传感器布置于热流计两侧（见图5），室外墙面的测点对应室内温度探测点相同位置布置温度传感器（见图6）。测试外表面温度时采用锡纸覆盖温度传感器探头避免阳光直射，以保证墙体外表面温度测试的准确性。

图5 建筑内部测点布置Fig.5 Layout of measuring points inside the building

图6 建筑外部测点布置Fig.6 Layout of measuring points outside the building

以布局二建筑为例，测试总时间为114h，采用其中较为稳定的96h 的数据进行分析。如测点1，末次计算得出的热阻值为0.47m2·K/W，24h 之前的计算值0.45m2·K/W，差值为4.4%，小于5%，处于规定范围。

测试期间的温度数据显示（见图7），外壁温度与室外温度变化趋势极为相近，内壁温度与室内温度较为接近，且变化趋势相同，且峰值存在时间上的延迟，延迟时间约为30min。由于现场测试条件限值，墙体内外表面温度差值在5.1℃～12℃之间，呈周期性变化（见图8）。

图7 室内外温度变化图Fig.7 Indoor and outdoor temperature change graph

图8 内外壁面温差Fig.8 Temperature difference between inner and outer walls

采用算术平均法计算并进行数据分析。围护结构主体部位热阻按下式进行计算：

式中：R为围护结构主体部位热阻，m2·K/W；tIj为围护结构主体部位内表面温度的第j次测量值，℃；tEj为围护结构主体部位外表面温度的第j次测量值，℃；qj为围护结构主体部位热流密度的第j次测量值，W/m2。

围护结构主体部位传热系数按下式计算：

式中：K为围护结构主体部位传热系数，W/(m2·K)；Ri为内表面换热热阻，m2·K/W，一般取0.11；Re为外表面换热热阻，m2·K/W，一般取0.04。

测试计算结果如表3所示。

表3 住宅建筑墙体及屋面实测传热系数K[W/m2·K]Table 3 Measured heat transfer coefficient of residential wall and roof

根据《农村居住建筑节能设计标准》（GB/T 50824-2013）[16]，寒冷地区外墙传热系数限值为0.65 W/(m2·K)，屋面为0.5W/(m2·K)，南向外窗2.8W/(m2·K)，其他外窗2.5W/(m2·K)。分析以上数据可得，西安农村地区住宅建筑围护结构的传热系数较大，外墙传热系数实测值相比于规范值超出104.6%～161.5%，屋顶的传热系数则超出规范值378%～666%，且现浇屋顶相较于预制水泥板屋面的传热系数大约48.6%。

从测试结果可以看出，西安地区的围护结构保温性能较差，舒适度较低，建筑节能现状不理想。为了使农村居民拥有良好的居住舒适感，同时达到节能效果，需对农村居住建筑采取节能改造措施。

2 围护结构改造优化

2.1 改造措施

建筑外墙建筑节能改造主要通过保温实现；外窗除了增加保温性能，还要增加采光率和气密性；屋面围护结构改造可通过设保温或设置室内吊顶实现[17]。

根据布局二建筑的围护结构热负荷，得出外门及地面热负荷占比分别为4%、5%，占总围护结构热负荷比例极小，所以不考虑对外门及地面的改造。

图9 围护结构热负荷Fig.9 Surrounding structure heat load

2.2 改造方式选取

外墙及屋顶保温可选择发泡聚苯乙烯（EPS）板和挤塑聚苯乙烯（XPS）板，EPS 板的价格相对较低，施工过程相对简单，因此现选取常用的聚苯乙烯泡沫塑料板为保温材料。当保温层厚度到达一定程度后，节能率会降低[7]，选择导热系数为0.047W/(m·K)、厚度为50mm 的EPS 板进行外墙外保温改造；屋顶保温材料采用与墙体相同，厚度为70mm；对吊顶进行保温，在吊顶上敷设聚苯板20mm。

既有建筑的外窗大多采用的是木窗或者铝合金窗户，保温性能不佳。在寒冷地区，宜将单层玻璃窗改造为双层玻璃窗，且使用塑钢做窗框保温性能会更好[18]。综上，窗户选用传热系数为2.5W/m2·K的6mm+9A+6mm 塑钢中空双玻窗。

表4 改造方案及改造后围护结构传热系数Table 4 Remodeling plan and heat transfer coefficient of surrounding structure after transformation

2.3 节能分析

2.3.1 采暖参数设置

采用DeST 软件对住宅改造前后的能耗进行模拟。室内采暖温度设定为16℃，由于农村建筑房间较多，存在些许空房间，不对其设置采暖。人员作息、采暖时间等参数如表5所示。

表5 负荷计算参数设置Table 5 Load calculation parameter setting

2.3.2 改造效果分析

围护结构改造方法后的传热系数数据均达到规范要求，并通过模拟得出改造前后西安地区农村建筑的采暖季平均热负荷及其节能率。

分析图10，前三种布局形式建筑同时采取节能措施后采暖季平均热负荷分别可降低至27.22W/m2～28.99W/m2。其中单项改造中外墙的改造效果最好，其次为改造屋顶，外窗由于建筑的窗墙比较小，且改造前后的传热系数变化量为0.7W/m2，改变幅度要小于外墙与屋顶，所以外窗的改造效果最差。

图10 围护结构改造前后平均热负荷对比Fig.10 Comparison of the average heat load before and after the renovation of the surrounding structure

布局形式四建筑为现浇屋顶，外窗为木窗的一层建筑，围护结构传热系数较大，因此较于前三种布局形式建筑热负荷偏大，同时采取节能措施后的采暖季平均热负荷从 125.98W/m2降低为53.37W/m2。且从图中可见，改造屋顶的热负荷降低量要大于外墙改造，改造外窗后的热负荷变化值最小。

由图11 可见，前三种布局形式建筑单项改造中，改造外墙节能率最大，可达23.7%～24.98%，其次为改造屋面，节能率可以达到18.96%～19.57%。布局形式四建筑改造外墙的节能率为19%，小于改造屋面的节能率21.51%。

图11 各改造项目节能率Fig.11 Energy saving rate of each renovation project

每种布局形式建筑改造窗户的节能率均小于其余单项改造节能率，约为7.3%～10.09%；若是整体改造，可使节能率达到57.64%～60.70%。墙体保温层与屋顶保温层两者采用的保温层厚度不同，通过降低的热负荷得出节能率，可综合节能效果及经济性比较两个单项节能措施的优先级。

由于计算建筑能耗的围护结构参数不一样，故无法将体形系数与能耗直接作比较。但分析节能率数据可得，改造整体的节能率与体形系数呈正相关关系。

3 经济分析

将建筑能耗折合为电价，按电价取0.5 元/kWh，材料费参考市场价，EPS 板400 元/m3，塑钢双玻窗价格为320 元/m2。对于一般建筑物可以安全使用50年，外墙、屋顶保温层的使用年限25年[19]，塑钢窗的使用年限取值30年。实际过程中热负荷随室外温度逐时变化，因此以耗热量进行经济性分析。投资回收期按下式计算：

表6 围护结构保温措施的经济比较Table 6 Economic Comparison of Thermal Insulation Measures for Envelope Structure

表6 中布局形式二建筑采用该保温措施在使用年限内一共可节省总数约为10.79 万元。外墙和屋顶的投资回收期较短，分别为2.1年、2.4年，分别可节约电费约5.32 万元、3.79 万元。而外窗改造的投资回收期最长，可达11.5年，可节约电费1.67 万元。以投资回收期为依据，综合考虑节约电费，外墙与屋顶的改造最为可观，且外墙改造优先于屋顶。经计算，构造形式一中其余两种布局形式与布局二建筑结论相同。

布局形式四建筑可节省总数约5.8 万元。外墙和屋顶的投资回收期分别为2.2年、1.8年，分别可节约电费2.37 万元、2.94 万元。而外窗改造的投资回收期最长，可达14.2年，可节约电费0.5 万元。改造的优先顺序应为屋顶、外墙、外窗。

4 结语

经实测，西安农村居住建筑围护结构的传热系数远超于规范值。该地区外墙以及屋顶的传热热阻小，传热系数大，导致室内热舒适性差、供暖能耗高。

确定了合理的改造优化方式：50mmEPS 板进行外墙外保温改造；70mmEPS 板进行屋顶改造+吊顶上敷设聚苯板20mm；窗户选用传热系数为2.5W/m2·K 的6mm+9A+6mm 塑钢中空双玻窗。改造整体的节能率达到57.64%～60.70%，与体形系数呈正相关关系。

基于同一种改造方式，应针对不同构造形式的农村建筑，制定不同的改造优先策略。综合考虑改造的节能率、投资回收期和节约电费，在资金有限的情况下，构造形式为240mm 厚实心黏土砖+内外抹灰+预制水泥板+铝合金外窗的建筑改造，应优先考虑改造外墙，其次为屋顶、外窗的节能改造；构造形式为240mm 厚实心黏土砖+内外抹灰+现浇屋面+木窗的建筑改造，改造优先级依次为屋顶、外墙、外窗。

由于西安地区占据关中盆地大部分区域，故关中地区的整体特征与西安具有极大的相似性。西安地区既有农村建筑节能改造的推广有助于推进关中地区农村节能改造及新建绿色节能农村建筑。