基于能耗模拟的皖南徽派民居节能改造研究
时间：2023-04-18 13:25:04 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
李雪平， 张 引
(西安科技大学 建筑与土木工程学院， 陕西 西安 710054)
改革开放以来我国经济繁荣发展，建筑业的兴起使得我国建筑建设量达到世界第一[1]。据统计，2017年我国农村建筑面积占全国建筑面积的33.99%，农村住宅能耗(除采暖以外)为2.23亿标煤，占全国建筑能耗的23.55%[2]，传统民居的高耗能无疑加剧了不可再生资源的短缺，也给环境带来了极大负担，是我国建筑节能发展迫切需要解决的问题，因此，大量学者开始关注农村地区传统民居的节能改造。使用新材料和新技术是既有民居改造的主要方式[3]，集中体现在对围护结构的加固和保温上。研究发现，夏热冬冷地区外墙最佳保温厚度范围为14～50 mm[4-5]，夏季可以通过增加外窗和遮阳进行改善，但南向外窗得热能力远大于散热能力，因此增加外窗通风的同时，应注意控制建筑体型[6]；
采用低透光率的玻璃材料对建筑室内环境的改善效果更佳[7]。清洁能源利用可以带来较大的环境效益，使用太阳能、风能等自然资源代替一次能源不仅具有良好的经济效益，同时也能保护生态环境[8]。借助软件计算建筑能耗、分析方案可行性，是建筑节能改造的趋势，例如英国学者采用EnergyPlus和TRNSYS能耗模拟软件分析影响建筑能耗的因素，并提出了零能耗建筑优化策略[9]；
EnergyPlus还可以分析外墙结构节能效果的影响因素[10]。芬兰学者通过改变建筑围护结构变量，结合IDA、 ICE建筑性能模拟软件，对住宅建筑进行系统优化，降低了建筑碳排放[11]。利用BIM可以有效降低改造过程中建筑材料的浪费和避免设计过程中管线碰撞等错误[12]。以上对建筑节能的探究给徽派民居改造提供了借鉴，但结合黄山地区地理环境特点进行民居改造的研究仍较少。
传统民居作为极具地方特色的建筑，其传承和发展备受关注。研究徽派民居节能策略，不仅有利于响应建筑学科对节能、环保的倡议，更能体现出对传统民居的保护、发展以及对文化的传承。本文从降低徽派传统民居能耗的角度出发，提出民居节能改造方案，并分析方案节能效果。
徽派民居起源于历史悠久的古徽州地区，歙县在宋朝被设立为古徽州地区的府治，是徽州文化的发源地，境内的徽州古城是我国保存最完好的四大古城之一，其中的古民居比其他县镇更为丰富，更有代表性[13]，因此本文对皖南徽派民居的研究就从歙县展开。通过对歙县徽派民居进行实地调研，发现尚在使用的传统民居由于建造年代久远，普遍存在外墙风化严重、建筑密闭性差、运行能耗高等问题。当地民居多为2～3层的单体建筑，体形系数远高于城镇建筑，民居构造特征为外墙厚、屋顶薄，单薄的屋顶和隔墙保温隔热性能弱；
窗户多为木质窗框和单层玻璃，木料长时间被风雨侵蚀，使得木板密实度降低，板间拼合缝隙的增大使得外窗保温隔热性能大大降低。受徽州地区历史和文化因素的影响，建筑立面极少开窗或开小窗，室内采光效率低，承担主要采光功能的天井因为尺寸较小，只能提供天井周围空间部分采光，由于歙县地区多阴雨天气，紫外线较弱，室内通常十分昏暗[14]，加上当地居民节能意识不强，导致民居远达不到节能标准。
总结调研结果，选取具有代表性的民居作为改造对象，使用由清华大学开发的DeST能耗模拟软件，对改造前后建筑的全年冷、热负荷进行计算。具体改造方案为：在民居现有围护结构的基础上，对外墙和屋顶加设保温层，更改外窗材料，通过软件计算不同方案节能率，结合方案经济效益和环境效益确定最佳方案，并模拟最佳方案下建筑室内外温度，与民居实测温度进行对比，直观反映民居节能效果。
2.1 基本信息
徽派民居布局一般为“凹”形、“回”型和“H”型等形式，本文选取位于歙县古城一栋典型的“回”字型天井传统民居进行建模分析。民居共两层，坐北朝南，总面积360 m2，平面图如图1所示。民居一层高为3.6 m，二层层高2.7 m，一层仅在卫生间开窗，二层南向房间、北向厢房和卫生间均开外窗，东西方向外墙均未开窗，卫生间窗户尺寸0.9 m×0.9 m，其他窗户尺寸均为1.5 m×1.5 m，屋顶为坡屋顶，建筑体型系数为0.432。楼梯间与起居室相连，按起居室处理，天井房间楼地面、内墙和天花板均设置为虚拟围护结构，天井向室内房间均设置通风。DeST模型如图2所示。
图1 传统民居层平面图(单位：mm)Fig.1 Floor plan of traditional residential buildings(unit：mm)
图2 DeST模型Fig.2 DeST model
2.2 参数选取
2.2.1围护结构
民居外墙为厚度350 mm的空斗墙，空斗墙砌法特殊，青砖中留有空气夹层以降低墙体传热系数，可有效隔绝夏季室外高温。司鹏飞等[15]通过数学公式推导计算空斗墙的传热系数，得到空斗墙平均传热系数公式为：
K=KkA+KsB
(1)
式中：K为墙体平均传热系数，W/(m2·K)；
Kk为空心墙体传热系数，W/(m2·K)；
Ks为搭接砖墙体传热系数，W/(m2·K)；
A为空心墙体占整面墙的比例；
B为搭接砖墙体占整面墙的比例。
将实测温度数据代入，计算得到民居外墙传热系数在0.7 W/(m2·K)左右。为了保证DeST模型的准确性，在外墙构造中加入空气层，并使得传热系数接近0.7 W/(m2·K)；
屋顶为建筑热损失第二的部位，该民居屋顶为传统的梁-椽-望板-柴泥-盖瓦结构，保温效果不佳；
民居门窗皆为木质，玻璃为普通6 mm单层玻璃。围护结构材料及热工参数如表1所示。
表1 围护结构材料及热工参数Tab.1 Enclosure materials and thermal parameters
2.2.2室内热扰
民居主要房间室内热扰情况见表2。
表2 室内热扰情况Tab.2 Indoor thermal disturbance
2.3 房间温度
民居冬季室内外实测温度与模拟温度见图3。分析测试结果发现，民居室外平均温度为3.5 ℃，温度波动较大，室内温度较低，厅堂和厢房是休息和活动的主要场所，平均温度为3.4 ℃、4.2 ℃，最高温度分别为3.8 ℃、5.5 ℃，温度波幅分别为0.4 ℃、1.3 ℃，远低于人体舒适温度16 ℃～25 ℃。民居室外与厅堂和厢房的温差最大值分别为4.3 ℃和3.5 ℃，围护结构保温效果不佳。通过DeST软件模拟民居房间在无主动采暖且门窗关闭状态下的室内温度，结果发现，软件模拟的室内温度与实测温度基本一致，因此可以使用DeST软件对节能改造后的民居室内温度进行模拟预测。
图3 民居室内外温度Fig.3 Indoor and outdoor temperature of residential buildings
3.1 围护结构节能方案
3.1.1外墙
研究发现，严寒、寒冷地区应用外墙外保温形式效果更佳，而夏热冬冷地区使用内外保温皆可。对徽派民居外墙加设保温层进行能耗模拟，分析内、外保温及保温层厚度对建筑能耗的降低效果。在符合《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》(JGJ 134—2010)[16]外墙参数要求的前提下，选择保温材料为聚苯乙烯板(EPS)、挤塑聚苯乙烯板(XPS)，厚度范围10～100 mm；
岩棉板厚度范围40～120 mm，能耗模拟结果如图4所示。
图4 建筑负荷与外墙保温层厚度变化关系Fig.4 Relationship between building load and thickness of external wall insulation layer
结果显示，随着保温板材厚度的增加，建筑全年累计负荷有很大程度的降低，外墙改造对建筑的保温作用十分明显。这是由于外墙传热系数降低，蓄热能力提高，可以降低建筑在极端温度时的空调和采暖能耗。建筑热负荷降低较冷负荷更快，这是由于徽派民居的防热设计使得民居夏季对空调依赖较少，反而冬季采暖需求更大，因此节能改造对热负荷影响更明显。三种保温板材均有较好的节能效果，其中EPS、XPS板外保温节能效果最佳，每增加保温厚度10 mm，最大节能效率分别提升4.4%和6.0%，岩棉板节能效果最差。但EPS、XPS板材在外保温厚度达到70 mm后，能耗曲线趋于平缓，节能效果有限。由于两种板材价格都相对较低，因此选取厚度为70 mm的EPS、XPS板为外墙节能较优方案。
3.1.2屋顶
民居屋顶长期受到风雨侵蚀，使得瓦片、木板风化严重，单薄的屋顶很难起到建筑保温作用。因此对民居屋顶加设保温层，并进行建筑负荷计算。方案共选取三种保温材料，分别为聚苯乙烯板、挤塑聚苯乙烯板和泡沫玻璃板，厚度范围10～100 mm，模拟结果见图5。
图5 建筑负荷与屋顶保温层厚度变化关系Fig.5 Relationship between building load and thickness of roof insulation layer
由图5可见，随着保温板材厚度的增加，全年累计负荷明显降低，说明屋顶是建筑保温中极其重要的构件。XPS保温板节能效果最佳，保温厚度每增加10 mm，最大节能效率提升12.9%，其次为EPS板，保温厚度每增加10 mm，最大节能效率提升10.5%，泡沫玻璃板节能效果最差。XPS板在厚度达到70 mm后，能耗曲线趋于平缓，节能率很低，EPS板在厚度达到80、90 mm后节能效果有限，又因为XPS板硬度大，适宜做屋顶保温材料，且两种板材价格低廉，因此选取厚70 mm的XPS板和厚80 mm、90 mm的EPS板为屋顶节能较优方案。
3.1.3外窗
民居外窗为木质窗框加单层6 mm玻璃，一层仅在卫生间有一小窗，二层开有大窗，民居一层通风较差，窗框风化严重，与墙体之间空隙较大，单层玻璃难以隔绝室外极端温度。因此，为民居选取不同类型玻璃材料，对每一种窗户类型进行能耗计算，并分析其节能效率，不同玻璃材料对建筑能耗的影响如表3所示。
Low-e玻璃可以高度过滤中远红外线，并对可见光具有高度透过性，使得建筑在保证采光效果的同时，能减少室内外热交换。由表3可知，Low-e玻璃窗节能效果较好，其中，使用低透型镀Low-e膜玻璃窗和加惰性气体的镀Low-e膜玻璃外窗建筑能耗最低，节能率均为6.5%，其次为高透型镀Low-e膜玻璃窗，节能率6.4%。由于民居开窗较少，外窗材料对能耗影响小，且民居地处农村地区，因此应优先考虑方案的经济性，结合民居采光的高需求，选择高透型镀Low-e膜玻璃窗和6 mm+12 mm 空气+6 mm玻璃窗为外窗节能最优方案。
表3 窗户类型对建筑能耗的影响Tab.3 Influence of window type on building energy consumption
3.2 能耗模拟正交试验
为了验证不同结构节能方案之间的相互影响，对外墙、外窗和屋顶的较优节能方案进行能耗模拟正交试验，围护结构较优方案见表4，正交试验见表5。计算表5中12种方案的建筑能耗，结果见表6。由表6可知，通过为外墙、屋顶增设保温层、改变窗户材料，提升了建筑整体的保温性能，使得建筑全年累计能耗明显降低；
不同组合节能方案的全年累计负荷的节能率在62.8%～68.8%之间，其中方案6节能效果最佳，节能率高达68.8%。
表4 围护结构较优节能方案Tab.4 Superior energy-saving scheme of enclosure structure
表5 正交实验表Tab.5 Orthogonal test table
表5(续)
表6 正交模拟结果Tab.6 Orthogonal simulation results
3.3 经济性分析
根据《民用建筑设计通则》(GB 50352—2005)[17]，古徽州地区属于夏热冬冷地区，是国家非采暖地区，因此民居冷热源均为空调，运行费用主要为电费，使用净现值法比较节能方案的经济性。经市场调研，设折现率为4.35%，歙县当地电费标准0.5元/(kW·h)，EPS、XPS保温板价格分别为410元/m3、460元/m3，高透型Low-e玻璃、普通中空玻璃(12 mm)价格分别为120元/m2、80元/m2，使用年限为20年，根据净现值公式：
(2)
式中：NPV为净现值，元；
CI为年节约费用，元；
CO为初始投资费用，元；
i为折现率，%；
t为使用年限，年。
计算得到各方案净现值，如图6所示。由图6可见，12种节能方案的净现值均大于零，方案均可行。其中，方案3、6、12净现值较大，运用动态及静态回收期计算公式，对方案3、6、12的改造费用和每年收益情况进行分析，结果见表7。静态投资不考虑时间对资金的影响，动态回收期考虑时间、折现率的影响，动态回收期从改造第2年开始产生折现率，R=1/(1+i)n。
图6 围护结构改造方案净现值Fig.6 Net present value of enclosure reconstruction scheme
由表7可知，净现值较高的三种方案中，方案12经济效益最高，虽然净现值略低于方案6，但该方案投资回收期最短，初期投资最低，当地居民更容易接受，综合考虑节能和经济性，选择方案12作为民居最优围护结构节能方案，方案节能率为66.4%，静、动态投资回收期分别为8.15年、10.32年，节能率满足要求，经济效益高，因此认为该方案在节能改造中可行。
表7 不同节能方案经济性对比Tab.7 Economic comparison of different energy-saving schemes
3.4 节能效果分析
通过分析民居室内热环境来验证节能改造方案的实际效果。由图3可知，DeST软件对建筑室内温度的模拟接近实测值，因此，可按照方案12模拟改造后民居的室内温度，并与实测温度进行对比，以验证节能改造对室内温度的提升效果，如图7所示。结果显示，改造后民居冬季室内温度有明显提升，厢房平均温度由4.5 ℃提升至8.6 ℃，厅堂平均温度由3.2 ℃提升至9.4 ℃，且室内温度更稳定，温差很小，节能改造大大提升了民居室内热舒适性。
图7 节能改造前后民居室内温度Fig.7 Indoor temperature of residential buildings before and after energy-saving transformation
1) 经调研发现，传统徽派民居建造时间久远，构件老旧，围护结构风化严重，建筑能耗偏高，有较大节能改造空间，根据规范对民居围护结构加以改造，会带来可观的经济和环境效益。
2) 分析民居室内外实测温度：厅堂和厢房平均温度分别为3.4 ℃、4.2 ℃，最高温度分别为3.8 ℃、5.5 ℃，远低于人体舒适温度16 ℃～25 ℃，室内物理环境差，舒适度低。模拟民居模型的室内温度与实测温度相似度较高，可以使用模拟温度预测节能后民居的室内温度。
3) 使用DeST软件计算不同节能方案下民居的冷、热负荷，对比各方案节能效率和经济收益，最终选择节能方案为：外墙采用70 mm EPS外保温；
屋顶采用70 mm XPS保温板；
外窗玻璃采用6 mm+12 mm 空气+6 mm。该方案节能率为66.4%，寿命期内净现值为13 433.97元。
4) 模拟最佳方案下民居室内温度：厢房平均温度由4.5 ℃提升至8.6 ℃，厅堂平均温度由3.2 ℃提升至9.4 ℃，且室内温度更稳定，节能方案对民居室内舒适度有很大提升。
本文的节能设计可有效提升皖南传统民居的室内舒适度，并降低建筑能耗，为民居的节能改造提供了理论依据。但由于受到能耗模拟中气象参数及建筑模型的限制，本研究结果仅适用于歙县周边地区及相似气候条件下的双层天井民居，对于气候差异和平面布局差距较大的民居节能设计，仍需要进行针对性的研究。
猜你喜欢外窗围护结构民居民居摄影中华民居(2022年1期)2022-04-12民居书画中华民居(2022年1期)2022-04-12浅谈深基坑咬合桩围护结构的施工技术建材发展导向(2021年19期)2021-12-06从地产公司角度加强外窗施工管理质量门窗(2021年1期)2021-12-05重力式门架围护结构在软土深基坑支护中的应用建材发展导向(2021年15期)2021-11-05民居智库中华民居(2021年2期)2021-05-24民居摄影中华民居(2021年6期)2021-02-14地铁基坑围护结构插入比优化研究城市建筑空间(2018年12期)2018-08-26绿色节能铝合金建筑外窗系统的研发环球市场(2017年15期)2017-03-09试论建筑外窗节能改造效果分析中国房地产业(2015年24期)2015-06-01
