基于能耗模擬分析的豫東地區農村住宅節能改造研究
——以河南商丘虞城某村為例

■ 季貴斌 JI Guibin 劉云飛 LIU Yunfei

0 引言

2020 年，習近平總書記在“第七十五屆聯合國大會一般性辯論”上作出“碳達峰、碳中和”的鄭重承諾，并在之后的“氣候雄心峰會”上提出了具體目標；同年，在黨的十九屆五中全會及中央經濟工作會議上作出了相關工作部署[1]。根據中國建筑節能協會能耗統計專委會發布的《中國建筑能耗研究報告2020》，“在居住建筑運行階段，農村能耗占全國能耗的38.41%，碳排放占全國碳排放的32.96%”，農村建筑的耗能量和碳排放量不容小覷。因此，降低農村居住建筑能耗和碳排放，對實現“碳達峰”和“碳中和”具有重要的現實意義。

本文以豫東地區農村住宅為研究對象，基于能耗模擬軟件對現有建筑進行能耗分析并提出節能改造方案，以期為該地區農村住宅節能改造提供技術支撐和參考。

1 項目概況

商丘市位于河南省東部，蘇魯豫皖四省交界處，屬于寒冷（2B）地區。

對豫東地區農村建筑進行調研，總結出當地典型的建筑形式為半合院式。本文即選取其中某2 層典型半合院式住宅建筑為研究對象（圖1～3）：建筑坐北朝南，一層為客廳、臥室、廚房和洗手間，院中角落處設有單獨室外廁所；二層主屋布局基本與一層相同，房間功能除了臥室之外，還可用于儲藏、多功能間等；浴室和廚房上層是室外露臺，平時可供晾曬衣物和農作物，也可放置太陽能熱水器供一層生活使用。

圖1 一層平面圖

圖2 二層平面圖

圖3 軸測圖

2 原始建筑模擬

本研究基于斯維爾節能設計軟件（BECS 2020），該軟件收錄了《河南省居住建筑節能設計標準（寒冷地區75%）》（DBJ 41/T 184—2017）（以下簡稱《標準》）。由于該住宅層數較低（僅2 層），體型系數較大（s ＝0.6），超出了《標準》要求（s ≤0.52）。因此，應對其進行圍護結構熱工性能判斷，且以該建筑物耗熱量指標為判斷依據。

2.1 模型建立

依據原始建筑平面圖，在BECS 2020 軟件中建立原始建筑模型。軟件進行能耗模擬時，需對建筑平面進行適當簡化：脫離建筑主體的院子和室外廁所等不參與能耗計算，故在模型建立中不予體現（圖4、5）。

圖4 模型一層平面圖

2.1.1 參數設置

根據原始建筑模型，設置符合現狀的建筑信息參數，如外墻、外門、外窗、屋頂等圍護結構的構造和傳熱系數（表1）。

表1 原始模型圍護結構構造及傳熱系數

2.1.2 模擬結果

根據《標準》第4.3.2 條，“商丘地區3 層及以下建筑的耗熱量指標限值為9.9 W/m2”。然而，模擬結果顯示，建筑物耗熱量指標為56.61 W/ m2，遠遠大于標準限定值9.9 W/ m2。究其原因，這是由于原始建筑的外圍護結構不滿足建筑節能的性能指標要求，因此，需對其外圍護結構進行節能改造設計。

3 改造方案

3.1 方案模擬

圖5 模型二層平面圖

本研究在原始建筑模型的基礎上，嘗試對各圍護結構進行節能改造方案的模擬，如在原始建筑模型上增加保溫材料或更改門窗類型等，并通過優選組合，以達到最優節能效果。方案所用到的主要保溫材料及其傳熱系數如表2 所示。

表2 保溫材料傳熱系數

3.1.1 外墻方案

在原始模型的基礎上，只對外墻構造進行方案設計，以此觀察外墻各方案模擬結果的變化（表3、圖6）。

表3 外墻方案

從圖6 可以看出，通過對外墻增加保溫層，可以使建筑耗熱量指標降低；且保溫層材料傳熱系數越小，耗熱量指標值越低。其原因是：提高外墻的保溫性能可以減少建筑通過外墻的熱損失并降低建筑物外墻內表面的溫度波動，使得建筑物室內熱量交換趨于平衡[2]。

圖6 外墻方案模擬結果

3.1.2 外窗方案

在原始模型的基礎上，只對外窗構造進行方案設計，以此觀察外窗各方案模擬結果的變化（表4、圖7）。

圖7 外窗方案模擬結果

表4 外窗方案

從圖7 可以看出，通過提高外窗的保溫性能，也可以降低建筑耗熱量指標；且外窗保溫性能越好，耗熱量指標值越低。原因是窗戶的傳熱系數K 值對于圍護結構熱工性能較低、保溫性能較差的房屋有較明顯的作用，K 值越低，就越能夠降低房屋的整體能耗[3]。

3.1.3 外門方案

在原始模型的基礎上，只對外門構造進行方案設計，以此觀察外門各方案模擬結果的變化（表5、圖8）。

表5 外門方案

從圖8 可以看出，通過提高外門的保溫性能，耗熱量指標也隨之降低；且外門保溫性能越好，耗熱量指標值越低。這是因為外門同外窗一樣，屬于建筑圍護結構的保溫薄弱點，提高外門的保溫性能可以減少建筑在外門位置的散熱量，降低房屋能耗。

圖8 外門方案模擬結果

3.1.4 屋頂方案

在原始模型的基礎上，只對屋頂構造進行方案設計，以此觀察屋頂各方案模擬結果的變化（表6、圖9）。

表6 屋頂方案

從圖9 可以看出，增加屋頂的保溫性能對耗熱量指標的影響僅次于外墻，原因是屋頂占外圍護結構面積僅次于外墻；同時，隨著屋頂保溫材料保溫性能和厚度的增加，節能效果也隨之提高，這是因為屋頂的耗熱量約占建筑整體能耗的20%，對其進行節能改造，有利于提高建筑保溫和節能性[4]。

圖9 屋頂方案模擬結果

3.2 綜合方案模擬

3.2.1 方案組合

根據上述結果，在外墻、外窗、外門和屋頂中，提高任意部位的保溫性能，都可以降低建筑的耗熱量指標，即都具有節能效果。但是，不管是增加外墻和屋頂的保溫材料，還是更換外門窗的構造類型，都無法滿足耗熱量指標限值9.9 W/m2的要求，因此，需要綜合以上方案，對原始模型進行節能改造設計。

由于對耗熱量指標影響最大的是外墻和屋頂保溫材料的選用，依據保溫材料的不同，可歸納出4 個綜合方案。其中，外門均選用雙層空心木質門，外窗均選用塑料型材框+中空玻璃（6 mm 低透光Low-E+12 mm空氣+6 mm 透明）。4 種綜合方案的圍護結構構造及傳熱系數如表7 所示。

表7 綜合方案圍護結構構造及傳熱系數

3.2.2 方案優選

由于造價、施工難度等方面也是進行節能改造要考慮的重要因素，需要結合保溫材料的價格和施工難度，選出最合適的方案。綜合方案中所用到的保溫材料的施工工藝、單價及總價如表8 所示。

表8 保溫材料施工工藝、單價及總價

可以看出，前3 個方案的施工工藝均為粘貼+錨固，而綜合方案4 的施工工藝為粘貼，難度最低。結合價格和材料的保溫性能，選取綜合方案4 作為最終解決方案。

3.2.3 方案驗證

對綜合方案4 進行模擬分析，并與原始模型對比（圖10）?？梢钥闯觯臒崃恐笜藦脑寄Ｐ偷?5.61 W/m2，下降到綜合方案4的9.41 W/m2，降低了83.08%，完全滿足《標準》要求（限定值9.9 W/ m2），節能效果顯著。

圖10 模擬結果對比

4 結論

通過斯維爾節能設計軟件對豫東地區農村建筑進行節能改造模擬分析可知，豫東地區農村現有建筑外圍護結構保溫性能極低，基本沒有建筑節能措施，建筑能耗大（耗熱量指標約為《標準》的5.7 倍）。在對外圍護結構進行相應的節能改造處理后，結果顯示耗熱量指標僅為9.41 W/m2，比原始模型下降了83.08%，低于《標準》限定的9.9 W/m2，這說明綜合方案4 對豫東地區農村建筑的節能改造設計是可行、可靠的。本研究對于豫東地區農村住宅的節能改造，具有一定的理論和指導意義。