西北严寒地区农村住宅建筑外围护结构能耗分析*

许立宪，梁 诺，张 勇

（甘肃省建设设计咨询集团有限公司，甘肃 兰州 730050）

0 引言

随着建筑行业的发展，建筑能耗迅速增加，建筑能耗约占全球总能耗的40%[1]。而随着生活水平的提升，人们对居住舒适性的要求越来越高，约五分之一的建筑能耗是由于人们越来越高的供暖和制冷需求产生的[2]。截至2020 年，全国居住在农村的人口达5.09亿人，占中国总人口的36.11%。全国农村住宅建筑面积为375 亿m2，占全国住宅建筑面积的46.13%。目前农村住宅建筑能耗占全国建筑总能耗的22%，农村住宅能耗已不能满足乡村振兴政策背景下的绿色低碳发展要求，尤其在西北严寒地区，因此，在农村地区存在着较大的节能潜力[3]。

影响住宅建筑能耗的因素主要包括地理位置、气候条件、地形地貌、建筑形式、建筑朝向、建筑高度、外围护结构热工性能等，其中外围护结构热工性能对住宅建筑能耗的影响最大，而我国农村地区受经济发展水平的影响，特别是西北地区农村住宅建筑普遍缺乏节能措施。因此，为了减少农村住宅能源消耗，对建筑围护结构的节能保温显得尤为重要[4]。

文章采用建筑能耗模拟分析软件（DesignBuilder），通过对甘肃省西北严寒地区某农村住宅建筑围护结构不同保温材料的建筑能耗进行模拟计算，分别分析农村住宅建筑外墙、屋顶、窗户等围护结构的不同材料保温对建筑能耗影响，提出适用于本地区农村住宅建筑的节能措施，合理地改善建筑的节能性能。

1 模型参数

1.1 建筑模型

该文章采用的建筑模型位于甘肃省酒泉市某农村的住宅建筑，模型如图1 所示。建筑平面图如图2 所示，建筑总面积142 m2，宽16 m，深10 m，高3.5 m。建筑东西两侧各有一间卧室和一间卫生间，北侧有一间卧室、一间书房和一间厨房，中部为客厅和餐厅。建筑北侧窗墙比为0.2，南侧窗墙比为0.3，东西两侧卫生间开设外窗，窗墙比为0.1。卫生间采用百叶窗帘，其余采用紧密编织窗帘。建筑结构形式为砖混结构，建筑材料见表1[5]。

表1 建筑材料及热工参数

图1 农村住宅建筑模型

图2 建筑平面图

1.2 气象参数

该建筑位于甘肃省酒泉市，东经98.48°，北纬39.77°，属于1C级严寒地区。该地区为大陆性干旱气候，干燥寒冷，降水少。夏季干热短促，冬季寒冷漫长。全年主导风向为西南风，最大风速26 m∕s，平均风速2.3 m∕s。太阳能资源丰富，年平均日照时数为3 056.4 h，平均日照百分率69%。最冷月平均温度为-8.8 ℃，最热月平均温度为22.7 ℃。供暖度日数（HDD18）值为3 971，空调度日数（CDD26）值为3。因此，该地区住宅建筑必须充分考虑外围护结构的保温要求，以保证冬季供暖期节能需求，但夏季可以不考虑防热问题[6]。因此，文章重点就冬季供暖期建筑节能保温进行研究，当地供暖期为10月25日至次年3月31日，共158 d，室内房间均有采暖需求。供暖期室外干球温度如图3 所示，供暖期太阳能辐射量如图4所示。供暖期内室外干球温度最低为-19.49 ℃，室外干球温度最高为13.74 ℃，最大太阳能辐射量为61.38 kWh，最小太阳能辐射量为8.01 kWh。

图3 供暖期室外干球温度

图4 供暖期太阳能辐射量

2 研究方法与结果分析

2.1 研究方法

研究采用正交实验方法，正交实验是一种多因素实验设计方法，旨在通过最少的试验次数，准确地确定多个因素对响应变量的影响程度。正交实验可以在保证实验结果可靠性的前提下，尽可能地减少试验次数，从而节省时间和成本。其能够统计分析因素主效应和交互作用，从而分析出对建筑能耗影响最大的因素，为建立模型和制定优化方案提供有力支持。

在该章节中，用4 个参数来表示建筑围护结构的性能，每个参数有3 个水平，因此，采用L9正交表格设计，见表2[7]。参数A、B、C、D分别为外墙U值，屋顶U值，窗户U值，和南侧窗墙比。参数A的3个水平为1.90 W∕m2·K、0.98 W∕m2·K、0.26 W∕m2·K。参数B的3个水平为4.1 W∕m2·K、1.74 W∕m2·K、0.28 W∕m2·K。参数C的3个水平为5.9 W∕m2·K、2.73 W∕m2·K、1.78 W∕m2·K。参数D的3个水平为30%、50%、70%。

表2 L9正交实验设计

2.2 研究结果与分析

利用DesignBuilder 软件对上述L9表格进行组合、分析和模拟计算，得到结果见表3。根据表3 中的数据对影响因素进行主效应分析，计算得到每个参数和每个水平的能耗平均值。为第j列的参数去i级别时，所得到的实验结果平均值其公式如下：

表3 L9正交实验模拟结果

式中：n为第j列i水平的因素出现次数，kij为第j列i水平的因素实验结果之和，Rj为第j列的极差，公式如下：

在正交实验中，因素平均值极差反映了各因素对响应变量的影响程度，极差越大意味着该因素对响应变量有较大影响，应该被进一步研究分析，以确定其最优水平[8]。

经过计算，正交实验建筑能耗多因素分析结果见表4。由表4可知，屋顶U值对能耗的影响最为显著，外墙和窗户U值影响次之，南侧窗墙比对建筑能耗影响较小。因此，在降低建筑能耗时对屋顶和外墙的保温尤其重要。通过正交实验可得最优方案为：A3+B3+C3+D3。最差方案为A1+B1+C1+D2。

表4 正交实验建筑能耗多因素分析结果

3 围护结构保温分析

目前建筑围护结构的保温措施主要有外墙、屋顶、内墙铺设保温材料保温，窗户保温等几种方式。其中以外墙、屋顶、内墙铺设保温材料的保温方式应用最广，常用的铺设保温材料主要有聚苯乙烯泡沫板（EPS）、玻璃棉、酚醛板、生态保温材料、相变材料（PCM）等。

PCM 是一类具有特定温度下固－液相变能力的材料，能在相变时释放或吸收大量热量并保持物质内部温度稳定。PCM 保温是建筑行业中一项快速发展且有前景的技术，PCM可在建筑中承担多种作用包括冷∕热负荷削减和转移，提高住宅热舒适性、建筑材料温度控制等[9]。PCM 与围护结构结合的方法主要有以下几种：（1）直接掺入法；（2）浸没法；（3）封装法；（4）形成形状稳定的相变材料；（5）PCM复合材料法[10]。

窗户保温指的是采用低辐射玻璃、中空玻璃等保温玻璃材料，提高建筑的保温性能。

实验模型主要通过改变围护结构形式及保温材料，提高屋顶、外墙、玻璃的保温性能，以达到降低建筑能耗的目的[11]。

3.1 屋顶

通过正交实验分析可知，屋顶U值对建筑能耗的影响最大，因此，提高屋顶的保温性能，是降低建筑能耗最重要的手段之一，屋顶使用的保温层材料及U值见表5。图5 为不同保温材料屋顶的月采暖能耗，由图5 可知使用PUR+PCM 保温效果最好，使用PUR 保温材料次之，XPS 保温材料的节能效果优于玻璃棉板和EPS 保温材料，酚醛板保温材料节能效果最差。PUR+PCM的节能率可达48.3%，PUR保温材料的节能率为46.9%，XPS 保温材料的节能率为46.4%，玻璃棉板保温材料的节能率为46.1%，EPS 保温材料的节能率为45.7%，酚醛板保温材料的节能率为45.6%。

表5 屋顶保温材料及平均传热系数（U）值

图5 不同保温材料屋顶-月采暖能耗

3.2 外墙

外墙使用的保温材料与屋顶相同，图6 为不同保温材料外墙的月采暖能耗。由图6 可知使用PUR+PCM保温效果最好，使用PUR保温材料次之，XPS保温材料的节能效果优于玻璃棉板和EPS保温材料，酚醛板保温材料节能效果最差。PUR+PCM的节能率可达22.8%，PUR 保温材料的节能率为20.9%，XPS 保温材料的节能率为20.5%，玻璃棉板保温材料的节能率为19.9%，EPS 保温材料的节能率为19.5%，酚醛板保温材料的节能率为19.4%。

图6 不同保温材料外墙-月采暖能耗

3.3 窗户

在该部分主要讨论玻璃类型及厚度、填充气体类型、气层厚度等因素对住宅建筑能耗的影响。选取的窗户类型见表6。图7 为不同窗户类型建筑总能耗，图7可知能耗A＞B＞C＞D＞F，可知，采用双层中空玻璃或低辐射玻璃的节能效果优于单层玻璃。能耗B＞C＞D 可知，气层厚度16 mm 节能效果最佳，12 mm 次之，6 mm 最差。能耗C＞E＞F 可知，填充氪气的节能效果最佳，填充氩气次之，填充空气最差。能耗C＞G可知，3mm双层中空玻璃的节能效果优于6mm双层中空玻璃。H的能耗最小，采用低辐射LOW-E玻璃的节能效果最佳。

表6 选取的窗户类型

图7 不同窗户类型建筑总能耗

4 围护结构保温优化结果

该建筑围护结构在未采用任何保温材料时，初始建筑能耗为192.14kWh∕m2。该建筑采用最佳保温措施为屋顶和外墙采用PUR+PCM 保温，外窗采用3-12-3LOW-E 低辐射双层中空玻璃，优化后结果如图8 所示，该结果表明建筑采用最佳保温措施后能耗为45.73kWh∕m2，节能率为76.2%。从图中还可以看出，12月和1月最冷月时期，采取保温措施后建筑节能效果最为明显，2 月和11 月时期节能效果次之。因此，建筑围护结构采用最佳保温措施后可以有效地降低建筑能耗。

图8 优化后月总建筑能耗

5 结论

该文章采用正交实验法评估了酒泉地区农村住宅10 月25 日至次年3 月31 日供暖期间，外墙平均传热系数（U）值，屋顶U值，窗户U值及南侧窗墙比对建筑能耗的影响。正交实验结果表明屋顶U值对建筑能耗的影响最为显著，外墙和窗户U值影响次之，南侧窗墙比对建筑能耗影响较小。其次，基于DesignBuilder 能耗模拟软件，模拟了农村住宅围护结构不同保温材料和保温形式对建筑能耗影响。研究结果发现最佳的屋顶和外墙保温措施为PUR+PCM 保温，优化后节能率分别为48.3%和22.8%。最佳的窗户保温形式为3-12-3LOW-E 低辐射双层中空玻璃。围护结构整体优化后建筑能耗为45.73 kWh∕m2，建筑节能率可达到76.2%。

综上所述，在中国西北严寒地区，对于农村住宅建筑围护结构采取合理的保温措施对降低建筑能耗具有显著作用。对于农村住宅建筑，做好外围护结构地保温的目的是达到节能，节省供暖成本，但建筑外围护结构保温体系不能一味地追求其保温效果而忽略其经济性，这将使得建筑本身的建筑成本增加，使得外围护保温失去其真正的意义。所以，在进行外围护结构热工性能计算时，应充分考虑农村地区的经济状况，使得外围护结构保温体系的经济性与节能性能达到一个平衡点，这样才能发挥保温结构真正作用，使其有一个长足的发展。