內蒙古西部超低能耗草原民居外圍護結構節能優化研究＊

■ 金國輝 李佳 楊鵬 陳偉

1.內蒙古科技大學土木工程學院 包頭 014010

2.西安建筑科技大學西部綠色建筑國家重點實驗室 西安 710043

0 引言

內蒙古西部草原民居多數為自建單體建筑，呈分散狀態分布，在相近的村落中存在相互借鑒和參考現象，因此在整體布局上缺少規劃和建設經驗，由于外圍護結構無法對室內達到預期的保溫效果,居民冬季采暖通過增加采暖設備來提高室內熱環境，這使一次能源消耗量過大。因此，優化當地民居能耗實現能源合理利用勢在必行。國內外學者對于建筑能耗降低研究做了很多貢獻，尤其超低能耗建筑的提出將建筑節能推到了大眾的眼前。陳凱等模擬設計新型節能農宅，從建筑朝向、平面形態以及外圍護結構等方面對固有住宅進行綜合優化，構建出低成本節能農村住宅[1]。王寧[2]利用不同的保溫材料分類組合后進行能耗模擬，尋找外圍護結構材料建筑的整體能耗影響值規律，得出墻體節能技術影響因素最大為18.47%。我國任志剛、張強等[3]學者從氣候舒適性角度出發，各選取中國、德國11座具有代表性城市，通過5 大指標對被動房在我國的適應性進行分析，表明不同熱工區的被動房能源影響因素各有不同，對能源需求也比德國增多。此外國內學者也對超低能耗技術在我國建筑節能中的應用進行了深化研究，徐偉、孫德宇[4]通過對比梳理國內外超低能耗標準，初步形成了適合我國國情的超低能耗建筑理論指標體系，提出了先北后南、先民后公的推廣方向，奠定了我國超低能耗建筑的理論發展和技術基礎。山東省作為超低能耗建筑發展先驅，山東建筑大學教學實驗綜合樓的設計便是利用了裝配式被動式超低能耗建筑節能技術，對其外墻、保溫、構造節點等進行優化[5]。張雅婷[6]通過對已建的辦公樓進行Design Builder能耗模擬分析，提出適用于當地的辦公樓能耗極值和圍護結構性能限值，并歸納總結了嚴寒地區辦公樓超低能耗優化組合方案。尹志芳通過對比3種可實現超低能耗建筑能耗軟件，由于軟件內置的計算方式不同，在對建筑模型描述時會導致最終能耗模擬輸入和結果存在差異[7]。于玉等通過Trnsys 軟件對山東省濟南市某被動式超低能耗建筑5層辦公樓的全年動態負荷進行了模擬，全年供熱能耗為30.87 kW·h/m2，與節能建筑能耗進行對比該超低能耗建筑節能率約為40%[8]。夏熱冬冷地區的氣候適應型超低能耗建筑采暖供冷技術對建筑外圍護結構的影響中利用EnergyPlus進行了分析，運用正交試驗法得出外圍護結構各部分的影響趨勢，并得出相應設計方案使之達到總能耗全年最低[9]。徐偉和呂燕捷結合嚴寒和寒冷地區超低能耗建筑新風系統研究，以哈爾濱地區建筑為例，分時段開閉新風系統較全時段開閉分別節能30%和65%[10]。利用德國被動房技術對夏熱冬冷地區建筑進行設計并不適配，實測數據表明，被動式超低能耗建筑的室內舒適度存在較大優勢，因此對于室內制冷供熱能耗應采用間歇式用能方式，在滿足超低室內舒適要求的前提下實現超低能耗目標[11]。

綜合以上文獻整理分析可知我國學者對于內蒙古西部圍護結構的研究雖已開展，但僅通過被動式節能優化達到超低能耗技術指標的研究比較缺乏。本文對外圍護結構隔熱保溫性能研究分析，通過優化替換保溫材料、增加保溫層厚度、更換外窗等方式，提出適合內蒙古西部草原地區氣候條件和當地民居特點的超低能耗建筑外圍護結構，并進行建筑能耗和經濟性綜合分析，從而確定適合內蒙古西部草原民居外圍護結構的最佳優化方案，預期達到超低能耗技術指標。

優化當地民居外圍護結構保溫隔熱性能，不但可有效降低房屋冬季采暖期對一次能源的需求，達到節能減排的環保目標，也有利于緩解當地牧民的經濟壓力。根據十九屆五中全會提出的“優先發展農業農村，全面推進鄉村振興”的戰略方針，內蒙古西部嚴寒地區超低能耗建筑的研究將對我國農村改革、能源優化以及提高利用率等方面起到顯著作用。從國家到地方政府科技部門皆設立了關于“內蒙古西部草原民居超低能耗”的相關研究課題，本文基于基金項目的科研內容對其中外圍護結構部分進行了研究，是所研究的課題內容的重要組成部分之一。

1 內蒙古西部草原民居初始模型確定

以內蒙古巴彥淖爾市五原縣新公中鎮一戶牧民的住宅為基礎建立本次研究的初始模型，繪制平面示意圖（圖1）。該草原民居總建筑面積為88.14m2，包括臥室、客廳、廚房和儲藏間。供暖區域為臥室和客廳，面積為61.02m2；層高3.3m；南側、北側窗墻比分別為0.20 和0.15，東西兩側無窗。

圖1 初始草原民居平面示意圖

利用DeST-h模擬軟件建立草原民居初始模型，圍護結構參數參照初始草原民居圍護結構構件（表1）。研究僅針對民居建筑本體參數對能耗的影響，室內內擾在本研究中屬于有利因素，因此忽略人員、設備、照明損失能耗，模擬時設定所有房間的室內內擾值為0。北方嚴寒地區采暖約180天，冬季室內設計溫度為15℃[12]，氣象參數參考同緯度烏拉特后旗。草原民居冬季采暖總能耗模擬結果為19552.11 kW·h，冬季采暖能耗為221.83 kW·h/m2。

表1 初始草原民居外圍護結構參數及標準值

2 模擬節能改造方案

2.1 太陽能及可再生能源應用

內蒙古巴彥淖爾市五原縣新公中鎮地處典型的中溫帶大陸性季風氣候帶，屬于干旱地帶，日照豐富多平原，海拔較高導致太陽輻射強，僅次于青藏高原地區日照輻射，平均日照時數在3200 小時左右，全市輻射量在6278.25～6603.04MJ/m2之間[13]，因此在民居南向外墻外建立被動式凸出式陽光間如圖2 所示，陽光間縱深選擇1.4m[14]，選擇普通中空玻璃加配塑鋼外框，可以將白天的太陽能轉化成熱能有效地儲存起來，并在夜間通過外墻再將熱能傳導至室內。

圖2 陽光間與主體建筑剖面圖

通過DeST-h 模擬軟件模擬得出典型日無陽光間主臥室、次臥室室溫以及有陽光間主臥室、次臥室的基礎室溫數據表并繪制成24h曲線分布圖（圖3）。由此可知，增加陽光間可以阻擋室內熱量損失，減小向外熱量傳遞，有利提高室內溫度。當民居冬季室內維持在15℃時，相較于未增設陽光間時草原民居冬季采暖模擬能耗的19552.11 kW·h，增加凸出式陽光間后草原民居冬季采暖能耗下降了46.2%，冬季采暖能耗為10519.04 kW·h。

圖3 基礎室溫模擬曲線分布圖

2.2 草原民居外窗優化

考慮到當地牧民經濟情況，選擇了較為常見的幾種外窗表2 所示，序號1 外窗為初始模型外窗。利用能耗模擬軟件DeST-h 分析不同外窗構造下對草原民居能耗的影響，其他模型參數不變，結果見圖2。結合表2、圖4可以看出，外窗的的傳熱系數與太陽得熱系數(SHGC)隨著中空玻璃的層數增加而降低，草原民居能耗因傳熱系數減小而減小；低輻射中空玻璃窗的節能效果較明顯，但相應的太陽得熱量同樣也會受到影響；無論是從能耗降低結果還是太陽得熱情況出發，70系列平開下懸窗是最理想的選擇，并且其傳熱系數最為接近超低能耗建筑標準值，但70系列平開下懸窗由于密封性生產技術的要求，造價成本相對較高。建議選擇3 層Low-e 雙中空玻璃窗作為構建內蒙古西部草原民居外窗。

圖4 不同類型外窗冬季采暖能耗

表2 不同類型外窗參數

2.3 草原民居屋頂保溫厚度優化

內蒙古草原民居多為單層獨棟建筑，除去外墻，民居的屋面與外界環境接觸面積最廣，結構多以木屋梁+磚瓦+秸稈泥+吊頂構成，沒有設置正規的保溫層。室內熱空氣在秋冬季上浮于屋頂，造成熱損失嚴重。

選擇常見石墨聚苯乙烯泡沫板作為屋頂的保溫層材料，在保持原屋頂結構的基礎上，通過增設防水層和增加保溫層厚度等手段，研究屋頂能耗變化規律，提供適合當地民居建設的保溫材料選擇。由圖5 可知，僅增設10mm防水層后，屋頂雖具有一定的自身保溫能力，但能源并未得到有效降低。在此基礎上繼續增加保溫層草原民居冬季采暖能耗明顯下降，保溫層厚度設置60～300mm 區間，取值間隔為30mm。當厚度達到210mm 時采暖能耗曲線變化波動平緩，后續增加保溫層厚度草原民居冬季采暖能耗降低值不明顯。

圖5 屋面改造后冬季采暖能耗

考慮到當地牧民經濟情況，選擇210～240mm范圍內石墨聚苯乙烯泡沫板作為屋頂的保溫層材料較為合適。從民居采暖耗能量來看，隨保溫層厚度的增加呈逐漸降低趨勢，但能耗的降低趨勢隨保溫層厚度無限擴大時逐漸趨于緩和。保溫層210mm時傳熱系數為0.096W/(m2·K)，240mm 時傳熱系數為0.088 W/(m2·K)，300mm 傳熱系數為0.075 W/(m2·K)。傳熱系數從0.096W/(m2·K)降低至0.088 W/(m2·K)，冬季采暖能耗遞減百分比為2.12%，傳熱系數從0.088W/(m2·K)降低至0.075 W/(m2·K)，冬季采暖能耗遞減百分比為2.13%。此時繼續增加保溫層的厚度對草原民居冬季采暖能耗的減少效果已不明顯。通過上述簡單的分析可以初步得出，內蒙古西部草原民居屋面的最佳保溫層厚度為240mm，對應選擇的傳熱系數為0.088 W/(m2·K)為宜。

2.4 草原民居外墻外保溫材料及厚度優化

超低能耗建筑對外墻的隔熱保溫要求高于普通節能建筑，還要兼具抗老化、防火防潮、耐候行良好等功能。鑒于內蒙古巴彥淖爾市屬于嚴寒地區對保溫材料的自身性能要求更嚴苛，以及當地牧民經濟條件的限制，選取石墨聚苯乙烯、巖棉、硬質聚氨酯、STP真空絕熱板四種保溫材料進行研究，選擇加氣混凝土代替普通燒結磚作為內蒙古草原民居的墻體主要材料。研究不同結構構造形式的內蒙古草原民居外墻方案，見表3。

表3 外墻結構及保溫材料厚度范圍

模擬分析各方案的冬季采暖能耗，得到加氣混凝土墻體結合不同保溫材料的冬季采暖能耗對比，如圖6所示。

2.4.1 同保溫材料不同厚度對采暖能耗的影響

草原民居的冬季采暖能耗受外墻保溫材料厚度影響較大，冬季采暖能耗會因外圍護結構保溫層厚度的增加而逐漸降低。根據圖6可以看出，4種保溫材料冬季采暖能耗隨厚度變化的趨勢走向基本一致，且都存在相同的遞減模式，類分函數曲線圖。保溫材料厚度未超過200mm 時下降速度較快，超過200mm 后能耗減少趨勢略平緩。但是由于增加保溫層厚度會引起建筑成本的提高，若不考慮經濟情況，在給出的保溫層限值內，超低能耗草原民居的外墻厚度越厚冬季采暖能耗越低。

2.4.2 同厚度不同保溫材料對采暖能耗的影響

根據圖6 的能耗結果顯示，相同厚度的保溫材料真空絕熱板的能耗最少；其次是硬質聚氨酯和石墨聚苯乙烯，而巖棉的冬季采暖能耗相較于其他3 種材料顯著增加；硬質聚氨酯和石墨聚苯乙烯兩者的的采暖能耗相差不大。采用STP 真空絕熱板具備大幅降低采暖能耗的優勢，并且在達到相同能耗時STP 真空絕熱板的厚度較其他3 種材料可減少近50%的厚度，但根據現有實際測量結果分析，真空絕熱板性能受工藝及外界環境的影響較大，保溫隔熱性能無法得到保障，多數測量結果只能達到理論值的80%。另STP 真空絕熱板的造價相對其他3種保溫材料略高，出于多因素考慮，在優化內蒙古西部草原民居外墻保溫時選擇放棄STP 真空絕熱板材料。綜上，在不考慮經濟條件時，同厚度前提下硬質聚氨酯、石墨聚苯乙烯和巖棉3 種保溫隔熱性能選擇時，可參考優先石墨聚苯乙烯次之硬質聚氨酯然后巖棉的順序進行選擇。

圖6 加氣混凝土墻體結合不同保溫材料冬季采暖能耗

3 保溫層經濟性分析

為選擇適合嚴寒地區的最佳保溫材料厚度，本文選擇使用凈現值法來分析。凈現值法(NPV)是經濟性分析方法中常用的評價方式，是指節能節約費用經社會折現率后與初始投資費用的差值。通過式（1）計算各種材料不同厚度的NPV值，可以得到保溫材料較經濟的保溫層厚度：

式中：NPV——凈現值，元；

CI——年節約費用，元；

CO——初始投資費用，元；

i——社會折現率，%；

t——使用年限。

經當地走訪，硬質聚氨酯、石墨聚苯乙烯和巖棉的市場價格分別為900 元/m3、700 元/m3、1100 元/m3，社會折現率設為5%，當地商用電價為0.526 元(kW·h)，使用年限約為25年。通過計算適合內蒙古西部草原民居的3 種外保溫材料不同厚度的凈現值和節能率如圖7所示。

圖7 不同保溫材料不同厚度凈現值與節能率對比

若僅考慮凈現值的情況下，NPV 值越大對應的保溫材料經濟效益越大。NPV 值最大都出現在保溫材料厚度最低限值時，即3 種材料厚度均為100mm 時，而對于內蒙古西部草原民居而言，還應考慮民居的節能率，當外保溫層厚度最大時，其節能率必然也最低。通過Mat‐lab 軟件對內蒙古西部草原民居的凈現值和節能率的曲線分別進行擬合，NPV 和節能率的交點所對應的厚度則為保溫材料最優厚度。曲線擬合方程如下：

硬質聚氨酯：YNPV=-2086.9x2-4415x+117886.4；

Y節能率=-0.002x2+0.0251x+0.1426，

計算得x=239mm。

石墨聚苯乙烯：YNPV=-1751x2-8987.6x+159848.8；

Y節能率=-0.0017x2+0.0203x+0.1655；

計算得x=220mm。

巖棉：YNPV=-2212.4x2-11058x+95677；

Y節能率=-0.0022x2+0.0262x+0.151；

計算得x=245mm。

綜上所述，綜合凈現值NPV和節能率分別可以獲得內蒙古西部草原民居3種外墻保溫材料的最優厚度。在內蒙古西部嚴寒地區，硬質聚氨酯、石墨聚苯乙烯和巖棉的最優厚度為239mm、220mm、245mm。同時3 種保溫材料的綜合性能均為石墨聚苯乙烯>硬質聚氨酯≈巖棉。

4 綜合分析

根據以上提出的關于內蒙古西部草原民居超低能耗外圍護結構構建，最終選擇的適合內蒙古西部超低能耗草原民居外圍護結構構建參數如表4。在DeST 能耗模擬軟件中輸入表4 外圍護結構構件，對其進行冬季采暖能耗模擬。環境、熱擾參數設置應設置與初始模型相同參數。附加陽光間開啟關閉時間設置為冬日平均日和日落時間，即開啟時間為7:00～17:00，關閉時間為17:00～7:00。內蒙古西部超低能耗草原民居附加陽光間整體模型圖見圖8。

表4 優化后草原民居圍護結構參數

圖8 附加陽光間整體模型圖

通過對初始模型和優化后兩種模型的模擬能耗結果分析，未優化前內蒙古西部草原民居初始模型冬季采暖總能耗達到19552.11 kW·h，冬季采暖能耗為221.83 kW·h/m2。而增加陽光間后的優化內蒙古西部草原民居模型冬季采暖能耗可達到2622.4 kW·h。冬季采暖能耗為29.75 kW·h/m2。對比兩組數據，冬季采暖能耗節能率達到86.7%，低于嚴寒地區超低能耗居住建筑能耗為30 kW·h/m2的標準值，冬季采暖能耗得到大幅降低。

5 結語

文章通過DeST模擬軟件分析了不同材料在內蒙古西部嚴寒地區草原民居外圍護結構的能耗狀況，計算了所對應材料的節能率，并對所選外墻保溫材料運用工程技術經濟學中凈現值法進行經濟分析，主要結論如下：

(1)在超低能耗標準外墻傳熱系數限值內，隨著保溫材料厚度的增加，草原民居冬季采暖能耗明顯下降，但下降走勢隨著保溫層變厚而逐漸平和；通過對所選不同保溫材料不同厚度的NPV 值與節能率的對比，得到3種材料在達到超低能耗技術指標要求時的外墻保溫最佳經濟厚度分別為：硬質聚氨酯239 mm、石墨聚苯乙烯220 mm和巖棉245 mm。

(2)3 種保溫材料中節能率最大的是石墨聚苯板。因此，對內蒙古西部草原民居外圍護結構優化，外墻宜選擇220mm的石墨聚苯板及加氣混凝土磚；外窗應優先選用3 層Low-e 雙中空玻璃塑鋼窗；屋面保溫層材料應優先選用傳熱系數為0.088 W/(m2·K)的石墨聚苯乙烯泡沫板，最佳厚度宜為240mm。

(3)對各方案的節能率進行計算分析，結果表明，改變外墻保溫層后節能效果最佳，節能率可達到20.92%，而外窗及屋面的節能率分別為16.21%、11.29%。綜合外墻、外窗、屋面優化結果可使內蒙古草原民居冬季采暖能耗降低至4118.4 kW·h，節能率超過82.1%。在這基礎上增加被動式陽光間后，節能率可達86.7%，能耗進一步顯著降低，實現了超低能耗在內蒙古西部嚴寒地區民居建筑冬季采暖能耗的技術指標要求，為我國實現“兩山論”、“全面推進可持續發展”目標開辟了新的途徑。