寒冷地区农宅围护结构改造的节能潜力分析

沈阳建筑大学

刘馨 杨晓丹 周倩楠

中国建筑科学研究院有限公司

刘洋 张珣珣 鲁倩男

1引言

近些年来，建筑用能日益增加，出现了严重的环境污染问题。目前，城市中住宅建筑围护结构节能改造技术应用较为广泛，但农村农宅仍沿袭传统的建造模式，由于围护结构保温性较差，不仅造成了能源浪费，室内温度又得不到保障，大多数农宅室内平均温度为10℃左右[1]。通过对农宅围护结构进行改造，从用户末端降低供暖负荷需求，是降低建筑能耗、提高室内舒适性的最简单、最有效的技术路径之一。

目前为止，许多国内外研究学者在农宅围护结构节能改造方面进行了研究，并取得了一些研究成果。M.Missoum[2]分析了提高典型农村住宅能源效率的措施，包括适当的朝向、墙体围护结构的保温、高效玻璃和在有遮阳措施的情况下适当增加窗户尺寸。AmitavaSarkar等人[3]证明应用墙体和屋面保温可以提高室内的热舒适，并能显著改善建筑的能源利用率。徐春桃[4]利用DeST-h对重庆地区典型住宅进行模拟分析，并提出了与该地区特征相适应的建筑围护结构节能技术。周景石[5]分析了吉林平原地区农村住宅中不合理的构造，并运用EnergyPlus软件计算出外墙、屋面、地面构造改进后的节能效果。张瑛格[6]选取济南地区一农宅户型，运用DesignBuilder软件进行模拟，得出了针对该地区农房围护结构建造的意见建议；董馨潞[7]采用eQUEST能耗模拟软件进行动态模拟分析，创新性地提出适宜东北严寒地区的农村住宅外围护结构节能改造方案。王勇[8]对关中区域既有农宅进行了节能方面的改造设计，借助Designbuilder软件对各个措施进行了对比分析，优选出了最佳的改造方案。

本文通过对青岛市涉农的7个区（市）平房围护结构改造现状进行调研，旨在获取现有的围护结构改造技术及改造前后的数据，再通过结合青岛市西海岸新区PLA村未改造的典型农宅，提出了不同的改造方案，并利用TRNSYS模拟软件对典型农宅围护结构改造前后的能耗进行分析，筛选出最佳的节能改造方案，实现对青岛农村地区农宅围护结构改造的节能潜力分析。

2待改造农宅现状

通过对青岛市西海岸新区PLA村进行实地调研，该村多以联排农宅为主，多为平房，南北朝向，典型农宅如图1所示。该农宅东西宽5.5m，南北长12m，层高为4m（其中坡屋顶距吊顶1.4m），铝合金南窗有4扇，两大两小，尺寸为2m×1.4m、0.8m×1.4m，铝合金北窗有4扇，尺寸为1.2m×0.4m；南向塑钢门两扇，尺寸为1.2m×2.4m，户均供暖面积66m2左右。典型农宅平面图如图2所示。

图1典型农宅外观图

图2典型农宅平面图

表1农宅围护结构物性参数表

经过调研发现：该村农宅建筑外墙主要是240mm砖混结构和370mm砖混结构，少量土墙，其中砖为实心粘土砖，外墙一般无外饰面，且无保温；屋顶基本为坡屋顶，一般是木料+秸秆+粘土+瓦，基本无保温，大部分建筑设有PVC吊顶板；外窗仍以单层铝合金窗、单层塑钢窗等为主，少量单层木窗，基本无其它外窗保温措施；外门以单层铝门、塑钢门、木门为主。农宅围护结构物性参数如表1所示。

3农宅节能改造技术

通过整个青岛市涉农的7个区（市）平房进行调研，结果表明：整体提高农宅围护结构的保温隔热性能以及气密性是农宅节能改造最重要的技术措施。现有改造技术主要涉及以下几个方面：

3.1外墙保温

农宅外墙面积约占外围护结构总面积的60%左右，可见外墙是围护结构的重要组成部分，而且农宅通过外墙的传热量约占建筑总能耗的40%，因此外墙节能改造设计是降低建筑使用能耗的主要途径之一。外墙保温有外保温、内保温和夹心墙保温等多种形式。其中外墙外保温技术由于适用范围广、对主体结构起保护作用、施工方便、节能效果好等优点，使得其在既有建筑节能改造中广泛应用。

既有农宅外墙保温应根据农村生产、生活习惯，选择强度高，施工简便，造价可承受的材料和系统。可优先选用挤塑聚苯板（XPS）和模塑聚苯板（EPS），无机轻集料保温砂浆，聚苯颗粒保温砂浆，膨胀珍珠岩保温砂浆，利用麦秆、稻草加工的轻质墙板等。

3.2屋面保温

降低屋面散热可显著降低采暖能耗。既有农宅可采用的屋面保温措施有如下几种：

（1）针对没有设置吊顶的既有农宅，可通过设置吊顶，形成空气夹层，降低屋面传热从而降低冬季采暖能耗。

（2）针对已做过普通吊顶改造但并未进行吊顶保温的农宅，可以在原吊顶上开孔，内加铺装有轻型保温颗粒的保温袋或聚苯乙烯泡沫板。

（3）使用保温材料对屋面进行改造。

3.3外窗改造

窗是建筑围护结构的重要组成部分，是外围护结构中热工性能最薄弱之处。对一扇窗户而言，屋内热量散失主要途径是通过窗框传导、玻璃辐射、窗扇与窗框的缝隙对流等。根据有关测试数据表明：透过窗的能耗约占整个建筑的50%；占窗户面积80%左右的玻璃的能量损失约占门窗能耗的75%。

农村建筑为增加室内采光和得热，南立面窗墙比一般在0.3-0.5，外窗传热及冷风渗透导致的采暖热损失巨大。既有农宅外门窗节能改造应根据农房具体情况并综合考虑安全、节能、隔声、通风、采光性能要求。

外窗改造可采取以下措施：

（1）整窗拆除，采用密封和保温性能更好的双玻塑钢窗等取代单层木窗、普通铝合金单层玻璃窗。塑钢窗和玻璃纤维增强塑料窗具有良好的保温、隔声性能和价格相对低的优势，较为适合农村地区使用。一般塑钢双层玻璃窗的传热系数为2.8W/(m2·K)，远低于传统的单层木窗（传热系数6.4W/(m2·K)左右）。更换新窗时，窗框与墙体之间的缝隙应采用高效保温材料封堵密实，并用耐候密封胶嵌缝。

（2）在窗台空间允许的情况下，在原有外窗的基础上增设一层新窗。

表2模拟围护结构物性参数表

（3）采用保温窗帘，采用带有反射绝热材料的保温窗帘，可将室内人体和物体辐射到窗帘上的绝大部分热量反射回来，有效阻止了热量的散发，使冬季农宅采暖负荷减少10%~15%。

3.4地面改造

农村对地面保温重视不够，传统既有农宅一般直接以砖作为地面主体材料，部分还有硬土、石材、水泥抹面和地板砖等，绝大部分为无保温。

为提高室内的保温效果，可对地面进行改造，主要方式是利用炉渣等便宜易得的保温材料，在室内地坪以下垂直墙面应增设保温层，减少地面热量损失。

3.5增设南向太阳房

除围护结构改造外，既有农宅还可在建筑院落增加透明太阳房，以形成整个农宅院落的密闭空间，冬季太阳房区域充分将太阳辐照得热聚集，同时减少室内的冷风侵入。

4模拟仿真分析

4.1模拟软件介绍

TRNSYS（TransientSystemSimulationProgram）是一个完整的、仿真环境具有可扩展性的系统模拟软件。TRNSYS一开始由威斯康辛大学以及太阳能实验室共同研究开发，后来欧洲和美国的部分研究人员对TRN-SYS软件的不足之处进一步完善。TRNSYS由众多软件包构成，其中最为常用的软件包是SimulationStudio软件包，其主要作用是通过调用各个模块，来搭建所需的仿真模型[9]。

TRNSYS自带数百个模块，其最大的优点是：使用者可以根据自己的需求搭建系统，然后给定输入条件，这些模块程序可以模拟特定的传热现象，最后通过汇总实现整个系统的瞬时仿真分析。

4.2模拟参数的设定

（1）按照《农村居住建筑节能设计标准》[10]的要求，同时结合调研结果，农宅室内取暖温度参数设置为16℃。

（2）为使模拟结果更接近实际，室外气象参数选取了青岛市典型年冬季室外气象数据。

（3）考虑到农宅建筑气密性问题，设定改造前的农宅自然通风换气次数为1次/h，更换双玻塑钢窗的农宅自然通风换气次数为0.8次/h，更换双玻塑钢窗且增设太阳房的农宅自然通风换气次数为0.7次/h。

（4）供暖期为每年11月15日至次年4月5日。

（5）冬季为农闲季节，采用全天24h供暖。

（6）为评估农宅节能潜力，对于人员和照明等散热设备不做参数设置。

4.3模拟改造方案的确定

根据西海岸新区PLA村典型农宅的实际情况，由于农宅主要是坡屋面，屋面保温改造难度较大，地面热损失较整个围护结构热损失的占比较小，保温窗帘的使用具有季节性、寿命短特点，模拟节能改造的设计方案如下：

方案1：北墙加设60mm挤塑聚苯板XPS保温隔热层（下文简称外墙保温）。

方案2：在方案1的基础上（外墙保温），所有窗户采取整窗拆除，采取密封和保温性能更好的双玻塑钢窗（下文简称外墙保温+更换双玻塑钢窗）。

方案3：在方案2的基础上（外墙保温+更换双玻塑钢窗），增设10.8m2的太阳房，太阳房屋顶采用彩钢板，山墙加设60mm挤塑聚苯板XPS保温隔热层，南墙采用传热系数为2.2W/(m2·K)左右的塑钢，门窗均采用改造前的物性参数。（下文简称外墙保温+更换双玻塑钢窗+增设太阳房）。

模拟改造后的围护结构物性参数如表2、太阳房物性参数如表3所示：

表3太阳房物性参数表

4.4模拟计算结果分析

（1）节能率计算公式：

式中：η——节能率（%）；

qH1——改造前建筑物耗热量指标（kWh/m2）；

qH2——改造后建筑物耗热量指标（kWh/m2）。

（2）TRNSYS模拟两种砖墙在不同改造方案下的负荷变化及节能潜力如图3和图4所示。从模拟结果可以看出：240mm和370mm砖墙，在改造方案1（即外墙保温）下，建筑采暖季累计热负荷分别从10582kWh、9386kWh降低到8422kWh、8104kWh，节能率分别为20.41%、13.66%；在改造方案2（即外墙保温+更换双玻塑钢窗）下，建筑采暖季累计热负荷分别降低到6511kWh、6184kWh，节能率分别为38.47%、34.11%；在改造方案3（即外墙保温+更换双玻塑钢窗+增设太阳房）下，建筑采暖季累计热负荷降低到5105kWh、4736kWh、节能率分别为51.75%、49.53%。

图3两种砖墙在不同改造方案下的负荷变化

图4两种砖墙在不同改造方案下的节能率

5结论

通过结合青岛市涉农区（市）农宅围护结构的改造现状及西海岸新区PLA村的典型农宅，采用模拟软件综合性的对外墙、门窗、增设太阳房进行改造，经过分析可以得出以下结论：

（1）两种不同厚度的砖墙在改造方案1（外墙保温）下的节能效果存在明显差异，可以得出240mm砖墙的保温效果明显强于370mm砖墙。另单独对外墙进行保温改造，其节能率较低，应配合更换外窗的做法，以外墙保温+双玻塑钢窗的为宜。

（2）采用方案3（外墙保温、更换双玻塑钢窗及增设太阳房）可明显降低建筑能耗，节能潜力最大，但该措施对农宅造型影响较大，需要农户本身存在较强的改造意愿。

（3）可以考虑将自然通风、遮阳、隔热、被动太阳能技术等措施，加到农宅围护结构节能改造设计中，将会取得更好的改造效果。

参考文献

[1]董馨潞.东北严寒地区农村住宅外围护结构节能改造策略研究[D].哈尔滨工业大学,2015.

[2]Missoum M, Hamidat A, Loukarfi L, et al. Impact of rural housing energy performance improvement on the energy balance in the North-west of Algeria[J]. Energy and Buildings. 2014, 85: 374-388.

[3] Sarkar A, Bose S Exploring impact of opaque 38 building envelope components on thermal and energy per-formance of houses in lower western Himalayans for opti-mal selection[J]. Journal of Building Engineering 2016, 7: 170-182

[4]徐春桃.居住建筑外围护结构对室内热环境与建筑能耗的影响[D].重庆大学,2008.

[5]周景石.吉林平原地区农村适宜性住宅模式研究[D].西安建筑科技大学,2008.

[6]张瑛格.济南地区农宅屋面围护结构对能耗的影响[J].城市住宅,2020,27(01):204-205.

[7]董馨潞.东北严寒地区农村住宅外围护结构节能改造策略研究[D].哈尔滨工业大学,2015.

[8]王勇.关中地区既有农宅节能改造设计研究[D].西安建筑科技大学,2017.

[9]荆强.基于TRNSYS的校园供热系统优化运行控制研究[D].哈尔滨工业大学,2020.

[10]《农村居住建筑节能设计标准》[S].GB/T50824-2013.

作者简介

刘馨,1983年生，女，博士，研究生导师，主要从事地源热泵方面的研究工作。