河南農村建筑能效提升改造*

楊 濤 李 杰 劉群生 杜金宇 杜娟麗 耿李姍 于素蘊 黃 冰

(1.河南牧業經濟學院,鄭州;2.河南省建筑科學研究院有限公司,鄭州)

0 引言

《“十四五”建筑節能與綠色建筑發展規劃》中提到鼓勵加強建筑節能改造,形成建筑使用功能提升改造統籌推進的節能、低碳、宜居綜合改造模式[1]。各地區針對既有建筑圍護結構進行了節能改造研究[2-4]。目前北方地區清潔供暖工作持續進行,對既有農村建筑進行節能改造,提升農村建筑的能效水平,對降低供暖系統運行成本,從根本上解決供暖能耗高、冬季舒適性差,降低“返煤”風險,形成可持續發展清潔取暖工作的長效機制具有重要意義,為此應優先實現建筑圍護結構本體節能效率最大化,再調整清潔用能方式,實現降低能耗的目的[5-6]。

為掌握河南省農村建筑的節能改造潛力,本文對其農村建筑圍護結構熱工性能現狀進行了問卷調研,利用PKPM軟件對建筑進行全年供熱、供冷能耗模擬,就農村建筑熱工性能的優化進行了節能潛力與經濟性分析,以期為農村新建居住建筑的設計提供理論指導,使農村建筑既能滿足經濟可行性要求,又能達到節能的目的。

1 調研概況

調研統計發現河南省農村大部分建筑建于2000年以后,占總建筑的41.5%;其次是1991—2000年的建筑,約占35.0%。為了相對全面地獲取河南省農村居住建筑的基本信息與特征,以當地既有農村典型建筑作為調研對象,選取河南省9個城市的13個縣城(區)19個村鎮,走訪居民108戶,對農村建筑的基本特征,包括外墻、屋面、窗戶等情況進行了調研,查詢相關資料,建立了典型農村建筑模型,分析各圍護結構耗能占比及其節能潛力。

1.1 既有農村建筑圍護結構類型

根據河南省既有農村建筑調研結果發現,建筑通常坐北朝南,1層建筑占到40%左右,2層建筑占到50%左右,其余為少量的3層建筑及窯洞。

1) 墻體。

經調查,這些村鎮建筑中外墻主要材料為黏土實心磚,厚度為240 mm,占調查總數的96.3%,且正在建造的房屋中,基本仍使用的是黏土實心磚。外飾面為水泥砂漿、灰漿刷白、水刷石。有條件的農宅會加上外飾瓷磚,無外保溫。墻體類型及其占比見表1。目前農村建筑主要為磚木和磚混結構,同時還有少量的土房和鋼筋混凝土建筑,這些傳統的農村建筑傳熱系數大,能耗都比較高,而且居住環境和舒適度都比較差。原因在于大多數既有建筑沒有任何節能措施,不僅保溫隔熱性能差,而且設備使用效率低,從而導致供暖和供冷能耗很大。

表1 墻體類型及其占比 %

2) 門窗。

調查發現,這些村鎮建筑外窗主要以單層木窗為主,開啟方式為平開,占調查總數的48%;其次,隨著人們經濟水平的提高,單玻鋁合金窗和單玻塑鋼窗比例也相對較高,分別為21%和24%;而雙層木窗、雙層鋁窗、木框+窗紙類型的占比很小,窗墻面積比也較小,南向窗墻面積比一般在0.2～0.3左右,北向窗墻面積比一般小于0.1,東、西向一般不設置門窗,密封性差;而現在城市節能建筑中推行的雙層塑鋼窗,在這些農村建筑中還未發現使用,其主要原因是由于農民基本不了解建筑節能,主動節能的意識還比較差,另外經濟水平的制約也是一個主要因素。

建筑外門的類型主要以單層木門為主,開啟方式為平開,這些村鎮建筑門的材料主要為木質、鋼質,較新的建筑使用的材料為鋁合金及塑鋼,門的透明部分為玻璃,很多采用實心門。單層木門占64.83%,雙層木門占7.38%,是因為20世紀90年代以前的農村住宅門的材料絕大多數為木質;經濟條件好的新建農宅逐漸開始使用塑鋼門和金屬門,甚至是防盜門。外門類型及其占比見表2。

表2 外門類型及其占比 %

3) 屋面。

調查顯示,河南省既有村鎮建筑屋面形式主要為平屋面,占調查總數的86%;其他為坡屋面,主要是20世紀90年代以前的瓦房,占比14%。另外,現澆混凝土屋面占45.3%,預制混凝土屋面占36.8%,這與2000年以前推廣的預制板使用政策有關。農村的瓦房主要以坡屋面為主,屋面材料多為木材+秸稈+黏土+瓦。與墻體相比,屋面還進行了一定的保溫處理,如坡屋面鋪設1層爐渣層作為保溫層,或部分平屋面采用自己搭設簡易彩鋼板或磚砌坡屋面作為隔熱保溫設施,但由于材料和構造方法比較簡單,所以實際的保溫效果并不理想。

1.2 典型既有農村建筑模型建立及各圍護結構影響分析

根據既有農村建筑層數及屋面等結構類型的調研結果,建筑大多為1、2層結構,平屋面較多,坡屋面次之,因此選取1層坡屋面、1層平屋面、2層平屋面3類典型戶型進行對比分析。以鄭州市某村鎮南向建筑為例進行分析,鄭州市屬于寒冷地區,計算用供暖室外平均溫度為1.4 ℃,室外溫度下的空氣密度為1.29 kg/m3,室內供暖溫度、相對濕度按16 ℃、40%選取,通風換氣次數取0.5 h-1。

1) 1層坡屋面戶型模型參數:層高3.20 m、長15.00 m、寬7.04 m,南向1個1.2 m×2.4 m的雙開門、2個0.9 m×2.4 m的單開門,南向2個1.5 m×1.6 m的外窗、2個1.3 m×1.6 m的外窗。墻體為240 mm厚的黏土磚砌體結構、1層坡屋面(屋檐至屋脊高度為1.8 m)、鋁合金單玻外窗、雙層金屬戶門。其戶型平面和立體模型見圖1,各圍護結構的熱負荷及占比見表3。

圖1 1層坡屋面戶型平面和立體模型

表3 1層坡屋面戶型各圍護結構熱負荷及占比

由表3可知:該模型通過屋面的熱負荷占比最大,為50%;外墻次之,為37%;外窗為7%;地面最小,為6%。同時,外門窗和屋面的單位面積熱負荷較大,外門窗次之。因此,綜合考慮圍護結構面積、熱工性能,其屋面和外墻的改造對整個建筑的能效提升影響較大。

2) 1層平屋面戶型模型參數:層高3.6 m,240 mm厚的黏土磚砌體結構,塑鋼單玻外窗,木框單層實體戶門。其戶型平面和立體模型見圖2,各圍護結構熱負荷及占比見表4。

圖2 1層平屋面戶型平面和立體模型

表4 1層平屋面戶型各圍護結構熱負荷及占比

由表4可知:該模型通過屋面的熱負荷占比最大,為52%;外墻次之,為37%;外窗為6%;地面最小,為5%。該類型建筑各圍護結構的傳熱特性與1層坡屋面建筑的相似。因此,綜合考慮1層平屋面建筑圍護結構面積、熱工性能,其屋面和外墻改造對整個建筑的能效提升影響較大。

3)2層平屋面戶型模型參數:建筑高度7.2 m,240 mm黏土磚砌體結構,塑鋼單玻外窗,木框單層實體戶門。其戶型平面和立體模型見圖3,各圍護結構熱負荷及占比見表5。

圖3 2層平屋面戶型平面和立體模型

表5 2層平屋面戶型各圍護結構熱負荷及占比

由表5可知:該模型通過外墻的熱負荷占比最大,為48%;屋面次之,為41%;外窗為7%;地面最小,為4%。各部位單位面積熱負荷屋面和外門窗均高于外墻,地面最小。綜合考慮,2層建筑屋面和外墻改造對整個建筑的能效提升影響較大,若窗墻面積比較大,需結合外窗的改造提升建筑能效。

根據以上計算對比可知,各典型農村建筑圍護結構熱負荷占比中,屋面和外墻熱負荷占比較大,外門窗次之,地面最小。建筑能耗不僅與建筑圍護結構面積有關,也與其熱工性能有關,可依據屋面、外墻、外門窗的優先順序確定既有農村建筑能效提升路線。

2 改造研究分析

根據調研結果,農村建筑大部分并不滿足GB/T 50824—2013《農村居住建筑節能設計標準》[8],在3種典型農村建筑原有基礎上,對屋面、外墻、外窗主要圍護結構中的1項或多項進行保溫改造,利用PKPM軟件計算得出各方案的建筑能效提升率。值得注意的是,根據現場調研實際情況,原有屋面大部分無防水、保溫措施,部分住戶屋面滲漏。因此,若選擇對屋面進行節能改造,在改造前,應由住戶作好防水處理,即先解決好滲漏問題。

2.1 節能性分析

針對以上3種典型建筑的單位面積熱負荷情況,提出7種改造方案(見表6),計算對比不同改造方案的能效提升率。

表6 既有農村建筑改造方案

1) 1層坡屋面農村建筑:按照傳統1層坡屋面既有農村建筑建立模型,改造前各部位構造見表3。改造前屋面、外墻、外窗傳熱系數分別為3.68、2.20、6.40 W/(m2·K)[9-10]。用PKPM軟件計算得出改造前建筑綜合熱負荷指標為113.06 W/m2。其改造后的節能效果見表7。

表7 1層坡屋面既有農村建筑改造后節能效果

2) 1層平屋面農村建筑:按照新農村建筑特點建立模型,1棟120 m2的1層建筑,改造前各部位構造見表4。改造前屋面、外墻、外窗傳熱系數分別為3.68、2.18、6.40 W/(m2·K)[9-10]。用PKPM軟件計算得出改造前建筑綜合熱負荷指標為107.04 W/m2。其改造后的節能效果見表8。

表8 1層平屋面既有農村建筑改造后的節能效果

3) 2層平屋面農村建筑:按照新農村建筑特點建立模型,總建筑面積為210 m2的獨棟2層建筑,其改造前各部位構造見表5。改造前屋面、外墻、外窗傳熱系數分別為3.68、2.18、6.40 W/(m2·K)[9-10]。用PKPM軟件計算得出改造前建筑綜合熱負荷指標為74.60 W/m2。其改造后的節能效果見表9。

表9 2層平屋面既有農村建筑改造后的節能效果

2.2 經濟性分析

根據表7～9中的各種改造方案的能效提升情況,針對3種典型既有農村建筑的節能改造,對實際施工的改造方案進行經濟性對比,如表10所示。

表10 改造方案經濟性對比 元/m2

通過改造發現,在圍護結構的基礎上外加一定厚度的保溫層和保護層,對建筑能效提升具有很好的效果,但其提升比例和投資不同。根據既有農村建筑的特點制定了能效提升技術方案(見表11),可用于建筑改造。

表11 既有農村建筑能效提升技術方案

3 結論

1) 通過對既有農村建筑的調研分析,建立了3種農村建筑典型模型,通過對建筑綜合熱負荷進行分析,針對農村建筑屋面、外墻、門窗結構及氣密性提出了改造方案,結合既有農村建筑能效提升實施過程中形成的經驗做法、存在的主要問題、可推廣性和經濟性等因素,優選確定了5種適宜河南省既有農村建筑能效提升技術方案,可用于節能改造。

2) 對河南省典型既有1層農村建筑平屋面或坡屋面結構進行改造時添加50 mm厚的保溫層,改造效果好、難度低;當屋面結構不便改動時,對北面和兩側山墻進行改造,其能耗提升效果次之。

3) 要根據不同類型的農村建筑進行節能改造調整,河南省2層既有建筑對外墻的改造效果優于對屋面的;對外墻進行保溫處理時,優先對屋面和北墻組合進行處理,保溫效果好;同時兼具門窗節能改造和清潔能源使用,可達到更好的節能效果。

4) 對坐北朝南的既有農村建筑進行墻體保溫改造時,北面外墻的保溫改造效果明顯高于其他墻面,這與背陽面接受日照少有關系,因此墻體改造可選擇一面或多面,僅做一面墻體時建議做北面墻體。

5) 對于同一類型的典型既有農村建筑,僅對屋面進行節能改造的投資最低,調整外窗保溫結構的投資最高,對外墻添加保溫層的投資居中。

6) 本文提出的改造方案主要針對河南省既有農村建筑,其產生的投資費用具有一定的代表性,可作為參考。實際建筑情況復雜多樣,同時還要考慮既有建筑是否需要重新作屋面防水,因此需結合現場項目具體情況進行計算。