承德市冬季清洁取暖项目农村既有居住建筑能效提升研究

■ 中国建筑科学研究院有限公司 建科环能科技有限公司 王选 马骊 李效禹 袁静

冬季清洁取暖项目是重要的民生工程，为推进北方地区冬季清洁取暖，2017年，财政部、住房和城乡建设部、生态环境部、国家能源局决定开展中央财政支持北方地方冬季清洁取暖试点工作。近年来，清洁取暖试点城市不断扩大，各地方清洁取暖工作取得了有效进展。“十四五”期间，中央财政进一步扩大了北方地区冬季清洁取暖支撑范围，持续推进绿色发展，支持有关城市开展多种方式清洁取暖改造，同时开展既有建筑能效提升工作。

用户侧既有建筑能效提升可以有效降低供暖负荷需求，是提高室内舒适性、助力达成“双碳”目标的有效技术路径。随着中央财政清洁取暖支撑范围的进一步扩大，部分严寒地区的城市于2021年被纳入清洁取暖支撑范围，如何在严寒及寒冷地区实施既有建筑节能改造，需要进一步探索与实践。本文基于对承德市农村既有居住建筑能效提升项目的研究与分析，提出可适用于严寒及寒冷地区农村既有居住建筑的能效提升方案。

1.承德市农村既有建筑与取暖现状

1.1 气候特点

承德市位于寒温带向暖温带过渡地带，全市年均气温8.9℃ （坝上地区0.5℃、南部地区9℃），一月份平均气温-9.1℃，极端最低气温-42.9℃。基于承德市气候特点，全市取暖期长达5个月，坝上地区取暖期更是长达近6个月，全年供暖需求量大。

1.2 建筑特点

承德市农村居住建筑多是独栋独院的农宅，建筑多为单层，少数为2层建筑，每栋农宅建筑面积约为50m2—120m2。建筑围护结构方面，外墙主要分为砖墙和石墙两种类型，保温性能较差；屋顶多为块瓦坡屋顶，无保温层，极少有建筑采用平屋顶加装保温层的结构形式；南向窗墙比较大，且多数外窗保温性能及气密性较差。

1.3 取暖现状

截至2020年底，承德市农村既有建筑总面积6386.06万m2，建筑取暖面积5147.33万m2，清洁取暖面积815.70万m2，农村建筑取暖率80.60%，清洁取暖率15.85%。规划经过3年清洁取暖热源侧改造，农村地区清洁取暖率将达到45.47%，共改造19.06万户。

由于承德市农村主要分散在山区，清洁取暖热源侧改造主要技术路线为分散式电取暖及生物质取暖，同时积极推广二氧化碳热泵和生物质锅炉等分布式集中供热改造。在推广过程中，清洁取暖的运行费用直接关乎百姓对清洁取暖改造的接受程度。因此，热源侧改造同步推广用户侧建筑能效提升，既可以进一步节能减排，也能助力清洁取暖工作的推行。

2.承德市农村既有居住建筑能效提升案例

2.1 项目概况

按照《承德市人民政府关于印发承德市冬季清洁取暖项目总体实施方案（2021—2023）的通知》（承市政办字〔2021〕58号）要求，承德市将在3年实施期内完成农村既有居住建筑能效提升改造12.17万m2，其中2021年规划完成3.97万m2，分别为滦平县0.4万m2、隆化县1.38万m2、丰宁县1.23万m2以及围场县0.96万m2，改造后建筑能效水平较改造前提升30%及以上。

2021年承德市农村既有居住建筑能效提升项目分布在环京地区（滦平县、丰宁县）、接坝地区（隆化县）以及坝上地区（围场县）。在河北省气候子区的划分中，隆化县、丰宁县和围场县属于严寒C区（1C），滦平县属于寒冷A区（2A）。四县区的月平均温度按滦平县、隆化县、丰宁县、围场县依次降低，其中，围场县2月最低平均温度达到了-18℃。

通过对四县区的现场走访与调研，综合建筑围护结构类型、层高、楼层数量等总结提炼了11种农宅类型，并选取了具有代表性的建筑进行能耗分析，详细建筑参数如表1所示。

表1 典型农村既有居住建筑参数

图1 承德市基本概况及2021年度项目所在地室外月平均温度

典型农村既有居住建筑围护结构类型如表2所示。

表2 典型农村既有居住建筑改造前围护结构类型

2.2 改造前能耗情况

根据《河北省居住建筑节能设计标准》（DB 13（J）185-2020）要求，针对不同类型的农村居住建筑进行能耗分析，图2为典型农村既有居住建筑模型图。

图2 典型农村既有居住建筑模型图

能耗分析主要计算参数设置如表3所示。

表3 主要参数设置表

各典型农宅单位建筑面积能耗值按照单位面积的建筑围护结构传热量、建筑物空气渗透耗热量、建筑物内部得热量分类表示，具体数值如表4所示。

表4 典型农村既有居住建筑改造前能耗（W/m2）

通过能耗分析，农村既有居住建筑单位建筑面积总能耗为60.78W/m2—181.12W/m2，不同典型建筑之间能耗差距较大。主要原因有3个：一是石墙的保温性能远低于砖墙，从传热系数看，500mm厚的石墙传热系数为3.058W/（m2·K），而500mm厚的砖墙传热系数为1.189 W/（m2·K）远低于同等厚度石墙的传热系数；从能耗值看，外墙为石墙的典型农宅通过外墙传热的单位面积能耗值为115.67W/m2（隆化县类型一）和68.00W/m2（丰宁县类型一），远高于其他砖墙建筑的外墙能耗值，因此外墙为石墙的农宅能耗值现状明显高于其他外墙为砖墙的农宅能耗值。二是典型楼中的2个平屋面农宅，原有平屋面已安装了100mm厚挤塑聚苯板，使得通过屋面传热的单位面积能耗值较低，分别为2.78W/m2（滦平县类型三）和6.81W/m2（丰宁县类型四），与坡屋面农宅相比较，平屋面农宅能耗现状值较低。三是外门窗保温性能存在差异。隆化县和围场县此次改造的农宅在改造前外门窗已经更换成了保温性能更好的双层玻璃门窗，单位建筑面积通过外门窗传热的能耗值分别为4.78W/m2—7.45 W/m2（隆化县）和2.75W/m2（围场县），而未进行外门窗改造仍为单层玻璃外门窗的滦平县和丰宁县，单位建筑面积通过外门窗传热的能耗值分别为15.38W/m2—20.53W/m2（滦平县）和11.86W/m2—20.62 W/m2（丰宁县）。

农村既有居住建筑围护结构能耗是整体能耗的主要组成部分，也是节能改造的重点。围护结构能耗各部分占比中，占比最大为外墙，在36%—67%之间；其次是屋面，在5%—47%之间；再其次为外窗，在3%—34%之间。从可靠性、可操作性和经济性等角度考虑，应优先改造外墙部位。改造前外墙能耗占比最大，对外墙加装保温层带来的节能潜力也最大。考虑到部分农宅的南向外墙贴有瓷砖装饰，对其进行节能改造需拆除瓷砖后加装保温层再重新装饰，会增加额外改造成本和与农户沟通协商成本，可统筹考虑对屋面与外窗进行节能改造的方案，确定南向外墙是否必须进行节能改造。

考虑屋面改造。改造前具有100mm厚挤塑聚苯板保温层的平屋顶农宅通过屋面传热能耗占比为5%—11%，而其他无保温层的坡屋顶农宅通过屋面传热能耗占比为21%—47%，对坡屋面进行节能改造具有较大的节能潜力。但考虑到绝大多数农房为块瓦坡屋面，对屋面改造需要入室拆动吊顶进行保温层的安装，且安装过程中会给农户生活上带来较大的不便利性，因此在可操作性上具有较大的难度，需针对农户具体情况制定屋面改造方案。

图3 典型农村既有居住建筑改造前围护结构能耗各部分占比

关注外门窗保温性能的提升。四个县区中隆化县和围场县农房的外窗已具有较好的保温性能，其外门窗传热能耗占比为3%—5%，进一步更换保温性能更好的外窗经济性不高，且可带来的节能效果较弱。外门窗保温性能较差的滦平县和丰宁县，其外门窗能耗占比为15%—34%，考虑到这两个县区由于南面外墙不便做保温改造，仅通过三面外墙节能改造难以满足改造后较改造前能效提升30%以上的要求，建议将外门窗更换成保温性能更好的双层玻璃外门窗。

2.3 改造方案

农村既有居住建筑能效提升技术路线应以“节约用、清洁供”为原则，因房而宜，科学选择改造技术路线，对建筑物能耗影响大、改造工程量小的部位优先进行改造。在综合考虑实际建筑可实施条件和改造方案评估的能效提升率，为各县区拟定了以下改造方案。

滦平县：针对滦平县既有农村居住建筑具体情况，鉴于大多数农户已自费更换外窗，同时南向外墙贴有瓷砖不便于改造，入户实施屋面保温改造存在一定的实施困难，因此能效提升改造以农户长期使用房间（卧室、起居室/客厅）为主要改造对象，对建筑东、西、北三面外墙做外保温，外墙外保温采用80mm厚挤塑聚苯板。

图4 典型农村既有居住建筑改造后围护结构能耗各部分占比

隆化县：针对隆化县农村居住建筑具体情况，鉴于大多数农户现有外窗具有较好的保温性能，更换新窗经济性不高，同时入户实施屋面保温改造存在一定的实施困难，因此能效提升改造以农户长期使用房间（卧室、起居室/客厅）外墙为主要改造对象，采取对建筑四面外墙或东、西、北三面外墙做外保温，外墙外保温层采用80mm厚挤塑聚苯板。

丰宁县：针对丰宁县既有农村居住建筑具体情况，鉴于大多数农户已自费更换外窗，同时南向外墙贴有瓷砖不便于改造，入户实施屋面保温改造存在一定的实施困难，因此能效提升改造以农户长期使用房间（卧室、起居室/客厅）为主要改造对象，对建筑东、西、北三面外墙做外保温，外墙外保温采用60mm厚挤塑聚苯板。对少部分外门窗仍为老旧单层玻璃木门窗的农户更换外门窗。

围场县：针对围场县既有农村居住建筑具体情况，鉴于大多数农户现有外窗具有较好的保温性能，更换新窗经济性不高，同时入户实施屋面保温改造存在一定的实施困难，因此能效提升改造以农户长期使用房间（卧室、起居室/客厅）外墙为主要改造对象，对建筑四面外墙做外保温，外墙外保温采用80mm厚挤塑聚苯板。

2.4 能效提升率的测评

在各县区农村既有居住建筑按照改造方案实施能效提升后，基于改造部位实际检测结果，改造后的农村既有居住建筑单位面积能耗值如表5所示。经过能效提升，农村既有居住建筑单位面积能耗从60.78W/m2—181.12W/m2降至33.08W/m2—93.40W/m2，能效提升率为30.37%—52.22%，满足承德市冬季清洁取暖项目农村既有居住建筑能效提升的要求。

表5 典型农村居住建筑改造后能耗（W/m2）

能效提升率最高的农宅为滦平县类型三，能效提升率为52.22%。能效提升率高于其他典型农宅的主要原因是该类型建筑原屋面带有100mm厚挤塑聚苯板的保温层，通过屋面的耗热量极低，主要的围护结构耗热量来自外墙与外门窗，占比91%，因此在实施外墙节能改造和更换外门窗后，能耗降低幅度明显。具备同样状况的丰宁县类型四农宅也具有45.86%较高的能效提升率。

能效提升率次高的农宅为丰宁县类型一，能效提升率为51.51%。能效提升率高于其他农宅的主要原因是该类型建筑外墙为传热系数较高的石墙，石墙加装80mm厚挤塑聚苯板保温层后比砖墙加装同样保温层后传热系数降低幅度大，使得农宅整体能耗在改造后有较大幅度地降低。丰宁县类型一农宅外墙能耗值从68.00W/m2降低至改造后的19.89W/m2，而具有同样厚度砖墙的丰宁县类型二及类型三农宅，在外墙加装80mm厚挤塑聚苯板后能耗值分别从23.97W/m2降至12.08W/m2和从23.67W/m2降至10.42W/m2，能耗降低幅度远低于丰宁县类型一农宅。能效提升率为48.43%的隆化县类型一农宅，其较高的节能率也主要是受外墙结构为石墙的因素影响。

承德市农村既有居住建筑能效提升项目主要节能改造方案为外墙加装外保温系统和更换外门窗，因此，改造后围护结构各部分能耗占比情况有较大变化：外墙和外门窗的能耗占比降低，而未进行节能改造的屋面与地面能耗占比升高。坡屋面农宅中，外墙能耗占比从36%—67%降低至13%—37%。改造外门窗的农宅中，外门窗的能耗占比从15%—34%降低至8%—14%。

3.结论

通过对承德市典型农村既有居住建筑能效提升项目分析可知：一是围护结构能耗是建筑能耗的主要来源，其中外墙的能耗占比最大，应为节能改造的重点。二是建议对严寒和寒冷地区农村既有居住建筑外墙加装80mm厚挤塑聚苯板的外保温层，实际考虑到南向外墙已贴瓷砖不便于改造等因素，可综合更换外窗等改造方案，以满足改造后能效提升30%及以上的要求。三是由于对坡屋面进行节能改造涉及入户施工，可操作性较低，建议根据农户实际情况并综合考虑其他节能措施制定屋面的节能改造方案。四是老旧的单层玻璃外门窗不仅保温性能差，而且漏风严重，制定节能改造方案时，应优先选择更换保温性能更好的双层玻璃外门窗，并做好外门窗气密性措施。若原外窗保温性能尚可，也可采用增加保温窗帘、保温门帘增加其保温效果，以及铺设塑料膜减少冷风渗透。