基于正交試驗的北方農宅圍護結構能效提升方案比選分析

李華君 LI Hua-jun

（西安科技大學高新學院城市建設學院，西安 710000）

0 引言

中國建筑節能年度發展研究報告指出，截至2020 年我國建筑面積總量約660 億平方米，其中農宅的建筑面積為227 億平方米，同時，我國建筑運行過程中直接碳排放為6 億tCO2，而農村住宅導致的碳排放占一半以上[1]。因此，通過選擇合適的節能改造措施來降低建筑能耗已成為必然趨勢。

1 建筑描述

1.1 自然地理環境

陜西省銅川市屬暖溫帶大陸季風氣候，四季分明，冬長夏短，雨熱同季，雨量較多，溫度偏低，地區差異明顯，災害比較頻繁。銅川市年平均氣溫為8.9℃，冬季持續時間從11 月到次年3 月，晝夜溫差大。

1.2 供暖情況

實地調研了解到銅川市冬季的采暖期為11 月15 日至次年3 月15 日，農村居民有分室采暖的習慣。冬季室內外溫度較低，且居民基本都在室內活動。炕、煤爐為采暖方式的農戶占絕大部分，煤爐相對較遠的地方熱量傳輸效率極低，伴隨燃燒會產生很多有害氣體污染環境。部分使用空調等供暖，雖然采暖效果有所提升，但存在耗電量過大等問題。因此采暖效果差是銅川市農宅冬季采暖的最大問題[2]。

1.3 基準建筑模型

聯排平房式建筑作為我國北方農宅的主要建筑形式之一，施工簡單，功能分明。據調研，該農村為銅川市2006年的移民新村，為整村規劃、村民自建，以磚砌體結構為主，97%以上的建筑外墻，屋面無保溫措施。基于此，本研究根據GB/T50824-2013《農村居住建筑節能設計標準》和銅川市既有農宅現狀，選取聯排單層農宅作為基準建筑模型，每戶占地面積230m2，總占地面積17250m2；每戶主屋改造面積為115m2，全村合計主屋改造面積為30475m2。

1.4 農宅圍護結構情況及建筑負荷統計

通過調研和計算，得到了農宅圍護結構的施工方法和相應的傳熱系數，外墻構造形式是20mm 水泥砂漿+240mm 實心粘土磚+20mm 水泥砂漿，傳熱系數是2.13W/（m2·k）；內墻構造形式是240mm 實心粘土磚，傳熱系數是1.269W/（m2·k）；屋面構造形式是100mm 厚鋼筋混凝土樓板+30mm 厚水泥砂漿找平層，傳熱系數是3.81W/（m2·k）；外窗構造形式是單玻塑鋼窗，傳熱系數是4.70W/（m2·k）；地面的構造形式是20 厚水泥砂漿+120 厚鋼筋混凝土，傳熱系數是0.34W/（m2·k）；臥室門構造形式是普通25mm 單層木門，傳熱系數是0.175W/（m2·k）；外門構造形式是金屬門，傳熱系數是6.40W/（m2·k）。

冬季采暖房間為客廳、起居室、主臥和客臥。客廳和起居室采暖時間為周一至周五8:00-18:00 開啟，剩余時間關閉，周末全天開啟。主臥和客臥采暖時間為周一至周末8:00-18:00 關閉，剩余時間開啟。農宅建筑總面積是115m2，DeST-h 能耗模擬軟件計算全年累計熱負荷是18887.31kW·h，全年累計冷負荷是1069.65kW·h，全年累計熱負荷指標164.24kW·h/m2，全年累計冷負荷指標是9.30kW·h/m2，采暖季熱負荷指標48.59W/m2，空調季冷負荷指標3.95W/m2。

通過計算，該農宅冬季采暖熱負荷指標為48.59W/m2，陜西省工程建設標準《居住建筑節能設計標準（DBJ51-65-2011）》[3]中對銅川市居住建筑取暖耗熱量指標的限值16.5W/m2（≤3 層）對比，超標率高達66.04%，可以看出，對比當前城市居住建筑的能耗指標來看，銅川市既有農宅建筑具有較高的能效提升潛力和改造價值。

2 能效提升方案優選分析

2.1 能效提升方式及計算方法

通過走訪調研，銅川市農宅能效提升的技術重點在于對建筑圍護結構以及對附加陽光間節能設計[4]。建筑能效提升率的計算主要基于能耗模擬，通過軟件模擬改造后建筑的采暖能耗，再將其與基準能耗進行對比計算得出不同改造方案下建筑的累計熱負荷與基準能耗對比計算得到能效提升率，能效提升率η 的計算公式（1）如下：

式中：η——能效提升率（%）；Q1——基準建筑全年累計熱負荷（kW·h）；Q2——改造后建筑全年累計熱負荷（kW·h）。

保溫材料種類較多，應用于農村地區的保溫材料除保溫性能外，還應兼顧就地取材、生態環保、保溫技術體系成熟的特點[5]。經過改造后新的傳熱系數可按公式（2）計算：

式中：K2為改造后傳熱系數，W/（m2·K）；K1為改造前傳熱系數，外墻取2.13W/（m2·K），屋面取3.81W/（m2·K）；δ 為保溫板厚度，m；λ 為保溫材料導熱系數，m2·K/W。

采取單一變量法改變外墻和屋面保溫材料的厚度，從10mm 到100mm，以10mm 為間距長度，設置10 組方案，外墻和屋面傳熱系數及能效提升率隨不同保溫板厚度的變化情況見圖1、圖2。

圖1 外墻傳熱系數及能效提升率隨不同保溫板厚度關系

圖2 屋面傳熱系數及能效提升率隨不同保溫板厚度關系

由圖1、圖2 可見，經過保溫改造后3 種保溫材料均能使外墻和屋面傳熱系數明顯下降，說明改造能夠顯著提升墻體屋面的熱工性能、降低傳熱量。當采用單一改造方案時，保溫板厚度與傳熱系數成反比，與能效提升率成正比，外墻保溫的能效提升率在10%~20%之間，等厚度的保溫材料中，保溫效果由優至劣依次為：XPS>EPS>巖棉板；同理，屋面保溫對應的能效提升率在16%~24%之間，屋面保溫效果優劣依次為：XPS>PU 硬泡>EPS。

外墻保溫板厚度在40-70mm 時，隨著厚度增加，能效提升率增量逐漸減小，超過70mm 時每增加10mm 保溫板厚度時能效提升率增量已不足1%，曲線逐漸趨于水平，說明外墻保溫對建筑采暖能耗的影響有一定的限度，在節能改造時不應靠簡單堆疊保溫材料厚度提高建筑的能效提升率，當保溫板達到最佳厚度時，若想繼續降低能耗，應考慮通過其他圍護結構改造來實現，屋面亦是如此。綜合材料價格方面考慮，推薦該地區外墻采用EPS 保溫板，屋面采用XPS 保溫板。根據《民用建筑熱工設計規范》算出外墻EPS 保溫板最低厚度為37mm，取厚度范圍為40-60mm；屋面XPS 保溫板最低厚度為44mm，厚度范圍為50-70mm。

常見外窗類型及不同陽光間進深改造方案及對應的節能效果見表1。

表1 不同外窗類型及陽光間進深改造方案及對應的節能效果

由表1 可見，采用上述外窗類型替換原有鋁合金單層外窗后，能效提升率分別達到了2.3%、5.08%及8.1%，有效地降低了建筑的采暖能耗。陽光間的進深對建筑總能耗的影響非常小，且外窗和陽光間在構造上相耦合，改造時應與其他改造措施一起做組合改造方案。綜上，單一改造方案能效提升效果排序為屋面改造>外墻保溫>更換外門窗>附加陽光間。附加陽光間造價較高，建議經濟條件較好的家庭采用[6]。

2.2 正交試驗結果分析

為提高方案優選效率，將圍護結構的多種單一方案進行初選，采用正交試驗方法，分析得到各因素對實驗結果的影響趨勢、主次關系及最佳搭配，實現因素和水平的均勻分散性及整齊可比性，可極大減少完成全面試驗的次數。選取四因素三水平L9（34）的正交試驗共9 次，其中影響改造效果的設計要素：外墻保溫選取EPS 板厚度為40mm（A1）、50mm（A2）、60mm（A3）；屋面保溫選取XPS 板厚度為50mm（B1）、60mm（B2）、70mm（B3）；附加陽光間進深為0.8m（C1）、1.0m（C2）、1.2m（C3）；外窗類型選取塑鋼單層窗（D1）、鋁合金中空窗（D2）、塑鋼中空窗（D3）。根據所選因素水平，不考慮各因素之間的交互作用，正交試驗組合方案如表2 所示。

表2 正交試驗組合方案表

由表2 計算結果可見，各組合節能改造方案建筑能效提升率均能達到50%以上，說明采用組合節能改造方案明顯降低農宅全年累計能耗，能夠解決居民在采暖季室內熱環境差的問題。在9 種組合方案中，全年累計能耗最大和最小分別是方案9 的9116.98kW·h 和方案3 的5892.43kW·h，對應的能效提升率分別為51.72%和68.8%。

為衡量各個因素對于能效提升率的影響因素，通過極差分析計算特定因素的結構參數在不同水平下能效提升率，算出的極差R 的大小來分析各因素權重的影響程度。經過計算將A、B、C、D 四個因素對能效提升率的影響列入表3 中。

表3 不同因素對建筑能效提升率影響的極差分析

根據表3 和圖3 顯示，在4 個因素的3 個不同水平下，對于農宅能效提升的影響因素中外窗的極差值最大，為7.47，屋面厚度的極差最小，為3.32。對農宅能效提升率顯著程度的排序為外窗種類＞附加陽光間進深＞外墻保溫板厚度＞屋面保溫板厚度。通過對比4 個因素建筑能效提升率極差值，取各因素水平均中最大值的做法，得出最優的組合為A2B3C2D3（即外墻保溫板厚度50mm，屋面保溫板厚度60mm，附加陽光間進深1m，外窗為塑鋼中空玻璃窗（6+12A+6）），經過模擬計算，該組合全年累積熱負荷為5502.73kW·h/m2，能效提升率達70.87%，此方案在經濟允許的情況下，可以首先考慮。

圖3 各水平因子均值圖

3 結論

①建筑圍護結構改造采取單一改造方案時,能效提升效果排序為屋面改造>外墻保溫>更換外門窗>附加陽光間，附加陽光間造價較高，建議經濟條件較好的家庭采用。組合改造方案能效提升率遠高于任何單一改造方案。

②基于正交試驗得出最優的組合為A2B3C2D3（即外墻保溫板厚度50mm，屋面保溫板厚度60mm，附加陽光間進深1m，外窗為塑鋼中空玻璃窗（6+12A+6）），經過模擬計算，該組合全年累積熱負荷為5502.73kW·h/m2，能效提升率達70.87%。