基于正交试验的北方农宅围护结构能效提升方案比选分析

2023-11-14李华君LIHuajun

价值工程 2023年30期

李华君 LI Hua-jun

（西安科技大学高新学院城市建设学院，西安 710000）

0 引言

中国建筑节能年度发展研究报告指出，截至2020 年我国建筑面积总量约660 亿平方米，其中农宅的建筑面积为227 亿平方米，同时，我国建筑运行过程中直接碳排放为6 亿tCO2，而农村住宅导致的碳排放占一半以上[1]。因此，通过选择合适的节能改造措施来降低建筑能耗已成为必然趋势。

1 建筑描述

1.1 自然地理环境

陕西省铜川市属暖温带大陆季风气候，四季分明，冬长夏短，雨热同季，雨量较多，温度偏低，地区差异明显，灾害比较频繁。铜川市年平均气温为8.9℃，冬季持续时间从11 月到次年3 月，昼夜温差大。

1.2 供暖情况

实地调研了解到铜川市冬季的采暖期为11 月15 日至次年3 月15 日，农村居民有分室采暖的习惯。冬季室内外温度较低，且居民基本都在室内活动。炕、煤炉为采暖方式的农户占绝大部分，煤炉相对较远的地方热量传输效率极低，伴随燃烧会产生很多有害气体污染环境。部分使用空调等供暖，虽然采暖效果有所提升，但存在耗电量过大等问题。因此采暖效果差是铜川市农宅冬季采暖的最大问题[2]。

1.3 基准建筑模型

联排平房式建筑作为我国北方农宅的主要建筑形式之一，施工简单，功能分明。据调研，该农村为铜川市2006年的移民新村，为整村规划、村民自建，以砖砌体结构为主，97%以上的建筑外墙，屋面无保温措施。基于此，本研究根据GB/T50824-2013《农村居住建筑节能设计标准》和铜川市既有农宅现状，选取联排单层农宅作为基准建筑模型，每户占地面积230m2，总占地面积17250m2；每户主屋改造面积为115m2，全村合计主屋改造面积为30475m2。

1.4 农宅围护结构情况及建筑负荷统计

通过调研和计算，得到了农宅围护结构的施工方法和相应的传热系数，外墙构造形式是20mm 水泥砂浆+240mm 实心粘土砖+20mm 水泥砂浆，传热系数是2.13W/（m2·k）；内墙构造形式是240mm 实心粘土砖，传热系数是1.269W/（m2·k）；屋面构造形式是100mm 厚钢筋混凝土楼板+30mm 厚水泥砂浆找平层，传热系数是3.81W/（m2·k）；外窗构造形式是单玻塑钢窗，传热系数是4.70W/（m2·k）；地面的构造形式是20 厚水泥砂浆+120 厚钢筋混凝土，传热系数是0.34W/（m2·k）；卧室门构造形式是普通25mm 单层木门，传热系数是0.175W/（m2·k）；外门构造形式是金属门，传热系数是6.40W/（m2·k）。

冬季采暖房间为客厅、起居室、主卧和客卧。客厅和起居室采暖时间为周一至周五8:00-18:00 开启，剩余时间关闭，周末全天开启。主卧和客卧采暖时间为周一至周末8:00-18:00 关闭，剩余时间开启。农宅建筑总面积是115m2，DeST-h 能耗模拟软件计算全年累计热负荷是18887.31kW·h，全年累计冷负荷是1069.65kW·h，全年累计热负荷指标164.24kW·h/m2，全年累计冷负荷指标是9.30kW·h/m2，采暖季热负荷指标48.59W/m2，空调季冷负荷指标3.95W/m2。

通过计算，该农宅冬季采暖热负荷指标为48.59W/m2，陕西省工程建设标准《居住建筑节能设计标准（DBJ51-65-2011）》[3]中对铜川市居住建筑取暖耗热量指标的限值16.5W/m2（≤3 层）对比，超标率高达66.04%，可以看出，对比当前城市居住建筑的能耗指标来看，铜川市既有农宅建筑具有较高的能效提升潜力和改造价值。

2 能效提升方案优选分析

2.1 能效提升方式及计算方法

通过走访调研，铜川市农宅能效提升的技术重点在于对建筑围护结构以及对附加阳光间节能设计[4]。建筑能效提升率的计算主要基于能耗模拟，通过软件模拟改造后建筑的采暖能耗，再将其与基准能耗进行对比计算得出不同改造方案下建筑的累计热负荷与基准能耗对比计算得到能效提升率，能效提升率η 的计算公式（1）如下：

式中：η——能效提升率（%）；Q1——基准建筑全年累计热负荷（kW·h）；Q2——改造后建筑全年累计热负荷（kW·h）。

保温材料种类较多，应用于农村地区的保温材料除保温性能外，还应兼顾就地取材、生态环保、保温技术体系成熟的特点[5]。经过改造后新的传热系数可按公式（2）计算：

式中：K2为改造后传热系数，W/（m2·K）；K1为改造前传热系数，外墙取2.13W/（m2·K），屋面取3.81W/（m2·K）；δ 为保温板厚度，m；λ 为保温材料导热系数，m2·K/W。

采取单一变量法改变外墙和屋面保温材料的厚度，从10mm 到100mm，以10mm 为间距长度，设置10 组方案，外墙和屋面传热系数及能效提升率随不同保温板厚度的变化情况见图1、图2。

图1 外墙传热系数及能效提升率随不同保温板厚度关系

图2 屋面传热系数及能效提升率随不同保温板厚度关系

由图1、图2 可见，经过保温改造后3 种保温材料均能使外墙和屋面传热系数明显下降，说明改造能够显著提升墙体屋面的热工性能、降低传热量。当采用单一改造方案时，保温板厚度与传热系数成反比，与能效提升率成正比，外墙保温的能效提升率在10%~20%之间，等厚度的保温材料中，保温效果由优至劣依次为：XPS>EPS>岩棉板；同理，屋面保温对应的能效提升率在16%~24%之间，屋面保温效果优劣依次为：XPS>PU 硬泡>EPS。

外墙保温板厚度在40-70mm 时，随着厚度增加，能效提升率增量逐渐减小，超过70mm 时每增加10mm 保温板厚度时能效提升率增量已不足1%，曲线逐渐趋于水平，说明外墙保温对建筑采暖能耗的影响有一定的限度，在节能改造时不应靠简单堆叠保温材料厚度提高建筑的能效提升率，当保温板达到最佳厚度时，若想继续降低能耗，应考虑通过其他围护结构改造来实现，屋面亦是如此。综合材料价格方面考虑，推荐该地区外墙采用EPS 保温板，屋面采用XPS 保温板。根据《民用建筑热工设计规范》算出外墙EPS 保温板最低厚度为37mm，取厚度范围为40-60mm；屋面XPS 保温板最低厚度为44mm，厚度范围为50-70mm。

常见外窗类型及不同阳光间进深改造方案及对应的节能效果见表1。

表1 不同外窗类型及阳光间进深改造方案及对应的节能效果

由表1 可见，采用上述外窗类型替换原有铝合金单层外窗后，能效提升率分别达到了2.3%、5.08%及8.1%，有效地降低了建筑的采暖能耗。阳光间的进深对建筑总能耗的影响非常小，且外窗和阳光间在构造上相耦合，改造时应与其他改造措施一起做组合改造方案。综上，单一改造方案能效提升效果排序为屋面改造>外墙保温>更换外门窗>附加阳光间。附加阳光间造价较高，建议经济条件较好的家庭采用[6]。

2.2 正交试验结果分析

为提高方案优选效率，将围护结构的多种单一方案进行初选，采用正交试验方法，分析得到各因素对实验结果的影响趋势、主次关系及最佳搭配，实现因素和水平的均匀分散性及整齐可比性，可极大减少完成全面试验的次数。选取四因素三水平L9（34）的正交试验共9 次，其中影响改造效果的设计要素：外墙保温选取EPS 板厚度为40mm（A1）、50mm（A2）、60mm（A3）；屋面保温选取XPS 板厚度为50mm（B1）、60mm（B2）、70mm（B3）；附加阳光间进深为0.8m（C1）、1.0m（C2）、1.2m（C3）；外窗类型选取塑钢单层窗（D1）、铝合金中空窗（D2）、塑钢中空窗（D3）。根据所选因素水平，不考虑各因素之间的交互作用，正交试验组合方案如表2 所示。

表2 正交试验组合方案表

由表2 计算结果可见，各组合节能改造方案建筑能效提升率均能达到50%以上，说明采用组合节能改造方案明显降低农宅全年累计能耗，能够解决居民在采暖季室内热环境差的问题。在9 种组合方案中，全年累计能耗最大和最小分别是方案9 的9116.98kW·h 和方案3 的5892.43kW·h，对应的能效提升率分别为51.72%和68.8%。

为衡量各个因素对于能效提升率的影响因素，通过极差分析计算特定因素的结构参数在不同水平下能效提升率，算出的极差R 的大小来分析各因素权重的影响程度。经过计算将A、B、C、D 四个因素对能效提升率的影响列入表3 中。

表3 不同因素对建筑能效提升率影响的极差分析

根据表3 和图3 显示，在4 个因素的3 个不同水平下，对于农宅能效提升的影响因素中外窗的极差值最大，为7.47，屋面厚度的极差最小，为3.32。对农宅能效提升率显著程度的排序为外窗种类＞附加阳光间进深＞外墙保温板厚度＞屋面保温板厚度。通过对比4 个因素建筑能效提升率极差值，取各因素水平均中最大值的做法，得出最优的组合为A2B3C2D3（即外墙保温板厚度50mm，屋面保温板厚度60mm，附加阳光间进深1m，外窗为塑钢中空玻璃窗（6+12A+6）），经过模拟计算，该组合全年累积热负荷为5502.73kW·h/m2，能效提升率达70.87%，此方案在经济允许的情况下，可以首先考虑。