文／王乙茜 四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院 碩士研究生

引言

習(xí)近平總書記曾指出實(shí)施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略，農(nóng)業(yè)農(nóng)村農(nóng)民問題是關(guān)系國計(jì)民生的根本性問題[1]。據(jù)大數(shù)據(jù)可知，我國能源消耗總量已經(jīng)遠(yuǎn)超過美國，并且成為世界上最大的能源消費(fèi)國，其中建筑能耗的增加量最為明顯[2]。據(jù)估計(jì)，鄉(xiāng)村住宅占建筑能耗總量的23.76%左右，隨著2020 年國家實(shí)現(xiàn)全面脫貧，鄉(xiāng)村建筑的能耗也是亟待解決的重要問題之一[3]。就目前的情況來看，由于技術(shù)規(guī)范的缺乏等因素，鄉(xiāng)村住宅建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能普遍較差，造成耗能量過大。因此，如何采用最合適的圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造方法，做好鄉(xiāng)村住宅的節(jié)能降耗工作，成為如今的熱點(diǎn)問題。

目前，國內(nèi)許多學(xué)者在鄉(xiāng)村住宅節(jié)能改造等方面進(jìn)行了研究。例如，周小慧基于DeST-H 模擬了東北嚴(yán)寒地區(qū)村鎮(zhèn)住宅的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，提出可以滿足低建筑能耗要求的圍護(hù)方案[4]。丁勇等人利用Designbuilder 軟件模擬了建筑全年供熱供冷能耗，就農(nóng)村建筑熱工性能的優(yōu)化進(jìn)行了節(jié)能潛力與經(jīng)濟(jì)性分析[5]。劉方舟等人通過對(duì)某辦公建筑建模進(jìn)行模擬計(jì)算，結(jié)合經(jīng)濟(jì)性分析，得到了幾種不同保溫材料在不同氣候類別地區(qū)的最優(yōu)保溫層厚度[6]。本文主要以成都市鄉(xiāng)村住宅建筑為例，對(duì)其全年能耗進(jìn)行模擬分析，探究不同墻體、窗戶以及屋頂組合后合適的改造方案。

1 鄉(xiāng)村住宅模擬

1.1 模型建立

本模型的住宅形式為鄉(xiāng)村普通平層住宅。該模型南北進(jìn)深6m，東西跨度14m，層高3.9m，為正南北朝向。房間有臥室、客廳、廚房、雜物間各1 個(gè)，其中臥室、客廳和廚房窗戶朝南，庫房窗戶朝北。總建筑面積約為84m2（圖1）。

圖1 [a]住宅平面圖；[b]住宅軸測(cè)圖（圖片來源：作者自繪）

1.2 模型參數(shù)值設(shè)定

（1）建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的參數(shù)設(shè)定。外墻為24磚墻加聚苯板內(nèi)保溫，內(nèi)墻為陶?；炷链皯魹槠胀?mm 單玻，地板為鋼筋混凝土樓板，屋頂采用加氣混凝土保溫屋面，如表1。對(duì)于室內(nèi)熱擾因素和室內(nèi)人員、設(shè)備、燈光熱擾作息時(shí)間的設(shè)定均為默認(rèn)值。

表1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)的物理參數(shù)設(shè)置（表格來源：作者自繪）

（2）室外氣候參數(shù)、天空背景輻射和陽光遮擋采用DeST-H 對(duì)成都市地區(qū)的默認(rèn)參數(shù)設(shè)置。

1.3 確定夏季及冬季空調(diào)開啟和關(guān)閉的時(shí)間段

地區(qū)設(shè)定為成都市，日平均溫度值選定為10℃，焓值參考值選定為1250（kJ/kg）。夏季時(shí)焓值高于1250（kJ/kg）的日期是5 月10 日和11 日，5 月30 日 和5 月31 日，6 月2 日 到10 月1 日，10 月13 日到15 日。因此采暖時(shí)間段為12 月1 日至次年3 月11 日，采暖控制溫度為18℃，采暖運(yùn)行時(shí)間為8 ∶00 ～20 ∶00。空調(diào)季的時(shí)間段為6 月2 日至10 月1 日，6 月1 日—8 月30 日，空調(diào)控制溫度為26℃，空調(diào)運(yùn)行時(shí)間為8 ∶00 ～20 ∶00。

1.4 原始模型節(jié)能相關(guān)數(shù)據(jù)

由圖3 可知，以冷熱總負(fù)荷指標(biāo)分析為例，可以看出外墻使用24 磚墻加聚苯板內(nèi)保溫，內(nèi)墻使用陶?；炷?，外窗使用普通6mm 單玻，地板使用鋼筋混凝土樓板和屋頂使用加氣混凝土保溫屋面時(shí)，全年累計(jì)總負(fù)荷在1 月份峰值最高，達(dá)1253970.79（kW·h）；在10 月份峰值最低，達(dá)16565.23（kW·h）。

圖3 原始模型全年累計(jì)冷、熱和總負(fù)荷（圖片來源：作者自繪）

2 改造方案

2.1 模擬分析方法

本文以DeST-H 數(shù)據(jù)分析全年累計(jì)熱、冷負(fù)荷指標(biāo)，采用單一變量法對(duì)影響成都市鄉(xiāng)村住宅能耗的因素逐一分析研究。

圖2 [a]日均焓值；[b]日均溫度（圖片來源：作者自繪）

2.2 外窗類型

建筑外窗是建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中最大的熱橋，也是能量損失最大的部位之一。研究外窗對(duì)降低建筑能耗具有重要意義。外窗玻璃的傳熱性等性能都與建筑能耗息息相關(guān)。因此合理選擇外窗玻璃，在滿足室內(nèi)通風(fēng)采光的需求下，同樣能實(shí)現(xiàn)鄉(xiāng)村住宅節(jié)約能耗的目的。窗戶改造采用常用的普通中空玻璃、普通三玻以及真空玻璃。常見鄉(xiāng)村外窗改造類型及其主要熱工性能詳見表2。

表2 外墻熱工性能（表格來源：作者自繪）

2.3 外墻類型

熱量從外界傳遞到室內(nèi)，需要通過外墻的導(dǎo)熱、太陽的輻射、空氣滲透等途徑實(shí)現(xiàn)的，這些是與外墻的傳熱系數(shù)有關(guān)系的，因此，傳熱系數(shù)的改變鄉(xiāng)村建筑能源的消耗有一定的關(guān)聯(lián)。原鄉(xiāng)村住宅采用的外墻24 磚墻加聚苯板內(nèi)保溫形式，本文從改變保溫層的材料和厚度來改變傳熱系數(shù)。其中厚度以30mm 為梯度，從30mm 增加到90mm，保溫層材料選用膨脹珍珠巖和膨脹蛭石作為模擬材料，以此傳熱系數(shù)也有所改變?nèi)绫? 所示。以全年累計(jì)負(fù)荷指標(biāo)來分析其對(duì)建筑負(fù)荷的影響關(guān)系。

表3 外墻熱工性能（表格來源：作者自繪）

2.4 屋頂類型

屋頂對(duì)建筑的能耗影響較大，太陽輻射在屋頂?shù)臒崃肯鄬?duì)較多。因此在研究建筑節(jié)能時(shí)，屋頂也作為重要的研究對(duì)象之一。本文通過模擬以下兩種屋面材料，加氣混凝土保溫屋面（原始）和輕質(zhì)保溫屋面（聚苯乙烯泡沫塑料）。其相關(guān)物理參數(shù)如表4 所示，以全年累計(jì)負(fù)荷指標(biāo)來分析研究不同的屋面類型對(duì)鄉(xiāng)村住宅建筑的影響。

表4 屋頂材料熱工性能（表格來源：作者自繪）

3 模擬結(jié)果分析

3.1 外窗模擬分析結(jié)果對(duì)比

保持外墻材料為24 磚墻＋聚苯板內(nèi)保溫和屋頂材料為加氣混凝土保溫屋面不變，只改變外窗材料，模擬外窗為普通單玻（原始）、普通中空玻璃、普通中空（中空12mm）、普通三坡和真空玻璃材料時(shí)結(jié)果如圖4 所示。使用的不同外窗類型后建筑能源消耗從高到低為，普通單玻（原始）＞普通中空＞真空玻璃＞普通中空（中空12mm）＞普通三玻。其中外窗類型為普通單玻（原始）全年累計(jì)總負(fù)荷高達(dá)175814.25（kW·h）；而外窗類型為普通三玻的全年累計(jì)總負(fù)荷達(dá)140455.22（kW·h）。因此可選擇外窗類型為普通三玻，更加節(jié)省能耗。

圖4 不同外窗全年累計(jì)負(fù)荷（圖片來源：作者自繪）

3.2 外墻模擬分析結(jié)果對(duì)比

保持外窗材料為普通6mm 單玻和屋頂材料為加氣混凝土保溫屋面不變，只改變外墻材料，模擬外墻為24 墻加膨脹珍珠巖和24 墻加膨脹蛭石，保溫材料厚度以30mm 為梯度分別從30mm 增至90mm，各得出三組數(shù)據(jù)。結(jié)果對(duì)比如圖5 所示。從圖中可發(fā)現(xiàn)保溫層厚度從小到大逐漸遞增時(shí)，建筑能耗呈現(xiàn)逐漸遞減的狀態(tài)。因此當(dāng)使用外墻材料為24 墻加膨脹珍珠巖時(shí)，保溫層厚度為90mm 時(shí)全年累計(jì)總負(fù)荷最低，為186361.07（kW·h）；相反當(dāng)保溫層厚度為30mm 時(shí)最高為212277.74（kW·h）。同樣，當(dāng)使用外墻材料為24 墻加膨脹蛭石時(shí)，保溫層厚度為90mm 時(shí)全年累計(jì)總負(fù)荷最低，為175590.91（kW·h）；相反當(dāng)保溫層厚度為30mm 時(shí)最高為200859.65（kW·h）。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，使用保溫層材料為膨脹蛭石更合適，更加節(jié)省能耗。當(dāng)保溫層厚度為60mm 時(shí)，建筑能源消耗從高到低為，膨脹珍珠巖＞膨脹蛭石＞聚苯板內(nèi)保溫。因此為了達(dá)到更好的節(jié)能效果，最好選擇24 墻加膨脹蛭石（90mm）的外墻材料。

圖5 不同外墻全年累計(jì)負(fù)荷（圖片來源：作者自繪）

3.3 屋頂模擬分析結(jié)果對(duì)比

保持外窗材料為普通6mm 單玻和保持外墻材料為24 磚墻+聚苯板內(nèi)保溫不變，只改變屋面材料，模擬屋面材料為輕質(zhì)保溫層屋面——聚苯100 和輕質(zhì)保溫層屋面——玻璃棉100。結(jié)果如圖6 所示。使用的不同屋頂類型后建筑能源消耗從高到低為，加氣混凝土保溫屋面＞輕質(zhì)保溫層屋面——玻璃棉＞輕質(zhì)保溫層屋面——聚苯。其中屋頂類型為加氣混凝土保溫屋面全年累計(jì)總負(fù)荷高達(dá)175814.25（kW·h）；而屋頂類型為輕質(zhì)保溫層屋面——聚苯的全年累計(jì)總負(fù)荷達(dá)168655.43（kW·h）。因此可選擇屋頂類型為輕質(zhì)保溫層屋面——聚苯，更加節(jié)省能耗。

圖6 不同屋面全年累計(jì)負(fù)荷（圖片來源：作者自繪）

3.4 改造前后對(duì)比

現(xiàn)將模擬后圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料中更節(jié)能的材料組合在一起進(jìn)行鄉(xiāng)村住戶改造，其他不變。即：外窗材料使用普通三玻，外墻使用24 墻加膨脹蛭石（90mm），屋頂材料使用輕質(zhì)保溫層屋面——聚苯進(jìn)行鄉(xiāng)村住戶改造。如圖7所示，全年累計(jì)總負(fù)荷在1 月份峰值最高，達(dá)909747.77（kW·h）；在10 月份峰值最低，達(dá)10336.53（kW·h）。與改造前相比在1 月份時(shí)節(jié)省344223.02（kW·h），在10 月份時(shí)節(jié)省6228.7（kW·h）。

圖7 改造后全年累計(jì)負(fù)荷（圖片來源：作者自繪）

結(jié)語

改革開放后的中國發(fā)展十分迅速，同時(shí)加快推動(dòng)了鄉(xiāng)村的發(fā)展。為保障和改善鄉(xiāng)村的生活環(huán)境，應(yīng)該對(duì)鄉(xiāng)村建筑進(jìn)行一些改造。同時(shí)，提高鄉(xiāng)村住宅的節(jié)能率也是十分必要的。建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫性能直接影響建筑采暖指標(biāo)的大小，鄉(xiāng)村地區(qū)針對(duì)住宅的建筑特點(diǎn)，可適當(dāng)對(duì)外墻、屋頂、門窗等圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行節(jié)能改造，可降低住宅的建筑能耗，降低污染物排放，為建設(shè)美麗鄉(xiāng)村作出積極貢獻(xiàn)。