山西農(nóng)村住宅建筑能耗分析及節(jié)能改造策略

張興惠，馬質(zhì)聰，高晨暉，李 曌

(太原理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，山西 太原 030024)

隨著全球能耗的增加，我國建設(shè)部對建筑能耗更是提出節(jié)能65%的要求[1]．農(nóng)村住宅建筑作為建筑領(lǐng)域的一部分，其相關(guān)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)較少，燃料使用原始，環(huán)境污染及耗能嚴(yán)重．尤其在我國北方，采暖期時(shí)間較長，農(nóng)村建筑能耗占整個(gè)建筑能耗的60%以上[2-3]．但與城市相比，農(nóng)村建筑節(jié)能并未列入國家節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)制管理范圍[4]，在農(nóng)村推廣建筑節(jié)能仍是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)．

全國各地學(xué)者針對不同的地區(qū)農(nóng)村建筑，都進(jìn)行了相關(guān)調(diào)研活動，并提出了各種節(jié)能措施．其中，夏曉東等人[5]針對遼寧省的農(nóng)村住宅進(jìn)行了調(diào)研,并進(jìn)行能耗結(jié)構(gòu)的研究，提出了適合當(dāng)?shù)氐墓?jié)能措施．張威等人[6]對嚴(yán)寒地區(qū)21個(gè)村鎮(zhèn)農(nóng)村住宅情況進(jìn)行調(diào)研，總結(jié)未來農(nóng)宅的發(fā)展趨勢及室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度推薦值等．張曉丹[7]對陜西地區(qū)農(nóng)村住宅進(jìn)行實(shí)際調(diào)研，結(jié)合外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫措施，對墻體保溫結(jié)構(gòu)進(jìn)行傳熱計(jì)算，從而提出適合山西地區(qū)農(nóng)村住宅的墻體保溫結(jié)構(gòu)．

通過對農(nóng)村住宅建筑的調(diào)研活動，也衍生出許多研究方法．符佩佩[8]采用逐步法，對長江流域農(nóng)村地區(qū)建立起人均建筑能耗的回歸模型．周春艷等人[9]以全生命周期為研究范圍，利用層次分析法與模糊評價(jià)法相結(jié)合，通過線性加權(quán)法對農(nóng)村圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合評價(jià)．張素娟等人[10]通過SPSS軟件中的方差分析，將調(diào)查問卷的匯總數(shù)據(jù)進(jìn)行量化處理，分析其節(jié)能潛力．張兵兵[11]以節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性為雙重目標(biāo),分析比較對各圍護(hù)結(jié)構(gòu)采取保溫措施后的初投資和投資回收期，提出綜合的節(jié)能策略．結(jié)合以上，目前建筑能耗的研究多數(shù)基于數(shù)據(jù)挖掘，研究方法單一，不具有實(shí)際的物理含義．關(guān)于能耗模擬，也存在缺乏代表性與針對性的問題．

清華大學(xué)曾組織了全國性的農(nóng)村用能調(diào)研活動，在總能耗采暖方面，山西省占比較高[12]．且山西屬于寒冷地區(qū)，農(nóng)村面積較大，在農(nóng)村建筑節(jié)能方面具有很大的發(fā)展空間．目前，山西省在農(nóng)村建筑節(jié)能領(lǐng)域的研究工作較少，并且對于未來農(nóng)村建筑節(jié)能工作也缺乏相應(yīng)的科學(xué)系統(tǒng)指導(dǎo)[13]．因此，全面開展關(guān)于山西地區(qū)農(nóng)村住宅建筑的調(diào)研工作勢在必行．

基于山西農(nóng)村住宅建筑氣密性的影響因素較多，本文將以外圍護(hù)結(jié)構(gòu)為主要研究內(nèi)容，對山西農(nóng)村地區(qū)農(nóng)戶自行建設(shè)的住宅建筑展開調(diào)研．以問卷調(diào)查為基礎(chǔ)，以數(shù)理統(tǒng)計(jì)中的聚類分析為典型建筑選取依據(jù)，通過DeET能耗模擬軟件、ADIAN有限元分析軟件相結(jié)合的方法，進(jìn)而分析建筑能耗及圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱等相關(guān)問題．農(nóng)村建筑的節(jié)能措施，綜合舒適性、節(jié)能性及經(jīng)濟(jì)性來分析，使建筑節(jié)能策略更易推廣．

1 調(diào)查統(tǒng)計(jì)

1.1 調(diào)查方法及內(nèi)容

本次調(diào)查，采用非概率抽樣中的配額抽樣方式[14]，對山西省11個(gè)城市的30多個(gè)村莊進(jìn)行了問卷調(diào)查和實(shí)地走訪．調(diào)查采用非概率抽樣中的配額抽樣方式，樣本數(shù)量根據(jù)山西省各市區(qū)2014年國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)以及各地市鄉(xiāng)村人口的比重，進(jìn)行樣本分配，確定在山西各地區(qū)分發(fā)問卷調(diào)查約2 000份，最終收回有效問卷1 640份．其中，山西中北部忻州原平以及大同地區(qū)有較多數(shù)量村民居住窯洞，傳熱系數(shù)低，氣溫恒定，保溫性能好，數(shù)據(jù)分析中將剔除窯洞相關(guān)數(shù)據(jù)，最終有效數(shù)據(jù)為1 520份．

為掌握農(nóng)村房屋建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，問卷以農(nóng)村建筑的居住情況及建筑布局、農(nóng)村建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料等為主．具體包括農(nóng)村建建筑形式、建筑面積、建筑層數(shù)、建筑朝向、室內(nèi)溫度，以及農(nóng)村建筑的外門、外窗、屋頂、外墻等圍護(hù)結(jié)構(gòu)的類型材料等進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查．

1.2 統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析

調(diào)查顯示，有近一半農(nóng)村居民的居住面積在50～100 m2范圍內(nèi)，27%農(nóng)村居民的居住面積在100～150 m2范圍內(nèi)，人均面積為20～40 m2,農(nóng)村居住供暖面積較大．在山西省農(nóng)村地區(qū)眾多房屋建筑形式中，其體形系數(shù)均值約為0.8．

(1)建筑外門主要采用木門，鐵門占到了26%，烤漆門和鋁合金門均為8%．西農(nóng)村房屋建筑外窗使用中，木窗的比例占到63%，使用鋁合金窗比例占到28%，且多為單層窗．木床木門易出現(xiàn)變形開裂現(xiàn)象，冷風(fēng)滲透較為嚴(yán)重，保溫效果差．

(2)山西地區(qū)大部分還是使用木屋架瓦屋頂，如圖1所示．屋頂保溫材料的選取往往受山西地域特點(diǎn)的影響，多為秸稈、粘土等較為廉價(jià)且易得的材料．受地區(qū)氣候影響，屋頂常采用架空通風(fēng)進(jìn)行隔熱保溫處理，如圖2．

圖1 屋頂類型Fig.1 The roof types

圖2 屋頂保溫隔熱措施Fig.2 The insulation measures of roof insulation

(3)墻體作為建筑物隔熱保溫的主體，是節(jié)約能源、改善居住環(huán)境的重要部分．如圖3所示，墻體材料中，普通燒結(jié)實(shí)心磚占總體的70%，為絕大多數(shù)居民所采用．受經(jīng)濟(jì)及保溫意識不強(qiáng)的制約，68%的村民保留了清水墻而沒有做任何隔熱措施．采取保溫措施的住宅中，87.5%的住宅僅在外墻刷涂水泥砂漿．

圖3 墻體材料Fig.3 The wall material

2 基于SPSS軟件的聚類分析

調(diào)查問卷數(shù)據(jù)的頻數(shù)分析，只能反映較為直觀的問題，而對于農(nóng)村建筑的改造，更需要結(jié)合科學(xué)的理論分析及當(dāng)?shù)卮迕竦慕?jīng)濟(jì)狀況．首先，需要對山西農(nóng)村地區(qū)的住宅建筑進(jìn)行能耗分析，而面對建筑形式多樣，問卷調(diào)查數(shù)量大，難以對每個(gè)調(diào)查建筑進(jìn)行建模并進(jìn)行能耗分析，因此利用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)學(xué)中的聚類分析對問卷調(diào)查中的農(nóng)村住宅建筑進(jìn)行歸類．聚類分析[15](Cluster Analysis)是一種建立分類的多元統(tǒng)計(jì)方法[16]，使類內(nèi)對象的同質(zhì)性最大化，類與類間對象的異質(zhì)性最大化．

問卷中統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)，屬于多元統(tǒng)計(jì)分析中的定類變量．在聚類分析中需將有關(guān)選項(xiàng)進(jìn)行量化轉(zhuǎn)變?yōu)轶w形系數(shù)、傳熱系數(shù)、比值等數(shù)值．根據(jù)調(diào)查結(jié)果及圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料的傳熱系數(shù)[17]，建立起山西農(nóng)村各類建筑主要圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)，見表1．

將建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的影響因素分為五類，為墻體、屋頂、窗戶、門、及體型系數(shù)．本次使用K-均值聚類分析法，將聚類數(shù)量為10～15類的樣本利用SPSS軟件進(jìn)行方差分析，最終得出將樣本分成13類，最為合理，且F(方差值)對應(yīng)的sig值小于0.05，說明有顯著影響，見表2．因此，這13類將作為山西農(nóng)村典型建筑來分析，各典型建筑具體情況如表3．

表1 各類建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)

表2 樣本的方差分析

表3 各典型農(nóng)村建筑外圍結(jié)構(gòu)參數(shù)

續(xù)表3

3 典型農(nóng)村建筑能耗模擬

對以上13種典型建筑利用DeST進(jìn)行能耗模擬．對聚類后的不同農(nóng)村建筑進(jìn)行建模，其室外氣象參數(shù)、房間人員數(shù)、人員發(fā)熱量等根據(jù)所對應(yīng)的調(diào)查問卷數(shù)據(jù)分別進(jìn)行設(shè)置．按照城市采暖設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，農(nóng)村建筑室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度設(shè)為18℃．熱負(fù)荷模擬結(jié)果見表4．經(jīng)計(jì)算得山西農(nóng)村地區(qū)建筑耗熱量平均值約為105 W/m2．

表4 典型建筑耗熱量計(jì)算結(jié)果

對農(nóng)村典型建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)能耗進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，各圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱損失比如圖4所示，其中外墻熱損失最大，應(yīng)著重對外墻提出更加合理的保溫措施．

圖4 各外圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱損失比Fig.4 Heat loss ratio of each envelope

4 墻體保溫結(jié)構(gòu)對比分析

聚類后的典型建筑能耗模擬結(jié)果顯示，山西農(nóng)村建筑能耗普遍偏大，其中外墻能耗占比最大．山西農(nóng)村地區(qū)外墻傳熱系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了《農(nóng)村居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的限值[18]．受經(jīng)濟(jì)水平制約，農(nóng)村當(dāng)?shù)厝藗儾]有對外墻保溫的計(jì)劃．因此，提出一種保溫效果明顯，且節(jié)約成本、易施工的外墻保溫措施至關(guān)重要．

目前主要保溫措施有建筑內(nèi)墻保溫、外墻保溫及墻體夾心保溫．各項(xiàng)研究表明內(nèi)墻保溫的舒適性及節(jié)能性都是最差的，因此，此次墻體保溫結(jié)構(gòu)主要為外墻保溫及墻體夾心保溫．受施工及農(nóng)戶經(jīng)濟(jì)狀況的制約，此次保溫措施在原有墻體的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造．對于保溫材料的選取，一方面，采用由當(dāng)?shù)剞r(nóng)作物制成的草坂，其價(jià)格低，對環(huán)境污染較??；另一方面，選取流行的聚苯板，其保溫效果明顯，且耐腐蝕、防潮、高抗壓．通過組合，以山西農(nóng)村建筑常用的240墻體為例，主要形式有以下幾種結(jié)構(gòu),見表5所示．

利用ADIAN有限元分析軟件，對不同構(gòu)造的墻體進(jìn)行傳熱模塊的分析．室外計(jì)算溫度設(shè)為-10 ℃，室內(nèi)溫度設(shè)為18 ℃．以編號A的墻體為原始墻體，其余類型的墻體均與A做對比,結(jié)果如表6所示．

表6 不同墻體結(jié)構(gòu)不同參數(shù)分析表

經(jīng)對比，F(xiàn)墻保溫材料價(jià)格高于D墻，保溫效果卻不及D墻，因此不考F墻的改造方案．E類墻體內(nèi)墻溫度最高，室內(nèi)熱舒適性較好，保溫效果最為顯著，墻體節(jié)能率可達(dá)到66.2%．受經(jīng)濟(jì)水平制約，村民們更愿意選取性價(jià)比較高的改造措施．為此將以熱負(fù)荷每降低1 w所需的費(fèi)用來衡量，經(jīng)計(jì)算得D類墻體性價(jià)比最高，可作為農(nóng)村節(jié)能改造的首選．

經(jīng)濟(jì)性分析時(shí)，初投資回收期也極為重要．此次，在建筑面積為90 m2、層高為3 m、體型系數(shù)為0.8，窗墻比為0.11的典型建筑下，進(jìn)行投資回收期計(jì)算．其中，山西省供暖季為120 d，每天的運(yùn)行時(shí)間為12 h．山西農(nóng)村地區(qū)多用煙煤，其熱值為25 080 kJ/kg，價(jià)格695元/t，據(jù)實(shí)際調(diào)查研究散煤爐具的熱效率平均不到40%[20]，這里采暖熱效率選取0.4，投資回收期如表7所示，可以得出，D類墻體的投資回收期是最短的．綜上所述經(jīng)濟(jì)水平一般的農(nóng)戶應(yīng)該選取20 mm保溫漿沙+5 mm網(wǎng)格布+50 mm聚苯板+240 mm實(shí)心磚墻的D類墻體．對與經(jīng)濟(jì)水平較高的農(nóng)戶，基于節(jié)能性角度分析，應(yīng)該選取保溫性能最好的墻體，即20 mm保溫漿沙+120 mm空心磚+50 mm聚苯板+240 mm實(shí)心磚墻的E類墻體．且在E類墻體下，內(nèi)表面溫度也能達(dá)到最高，具有較好的熱舒適效果．

表7 不同結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性分析表

5 結(jié)論

(1)由問卷調(diào)查數(shù)據(jù)的頻數(shù)分析可知，農(nóng)村地區(qū)建筑面積普遍較大，體形系數(shù)高，圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能差，冬季能耗嚴(yán)重，除此之外室內(nèi)溫度也達(dá)不到舒適性的要求，因此必須加強(qiáng)山西農(nóng)村地區(qū)建筑節(jié)能改造．

(2)結(jié)合統(tǒng)計(jì)分析及能耗模擬，首先，將1 000多份調(diào)查問卷進(jìn)行聚類，使類別之間變量差異性明顯，最終將問卷聚成13類；其次，對13類建筑進(jìn)行能耗模擬分析．分析后，山西農(nóng)村建筑采暖能耗平均值約為105 W/m2,遠(yuǎn)超過農(nóng)村建筑采暖能耗的設(shè)計(jì)規(guī)范要求，其中墻體耗能占比最高．

(3)基于以上，著重對墻體進(jìn)行節(jié)能性改造，并提出6種改造方案．綜合舒適性、節(jié)能性及經(jīng)濟(jì)性考慮，經(jīng)濟(jì)水平一般的農(nóng)戶宜選取20 mm保溫漿沙+5 mm網(wǎng)格布+50 mm聚苯板+240 mm實(shí)心磚墻的D類墻體，作為墻體的節(jié)能改造方案．經(jīng)濟(jì)水平較好的農(nóng)戶，應(yīng)該選取保溫性能最好的墻體，即20 mm保溫漿沙+120 mm空心磚+50 mm聚苯板+240 mm實(shí)心磚墻的E類墻體，且在E類墻體下，內(nèi)表面溫度也能達(dá)到最高，具有較好的熱舒適性．

(4)受農(nóng)村經(jīng)濟(jì)水平的制約，為加快農(nóng)村建筑節(jié)能改造工作的進(jìn)程，山西政府應(yīng)出臺相應(yīng)的扶持政策，對于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫材料采取優(yōu)惠政策．增加農(nóng)戶對住宅建筑的保溫意識，從而使農(nóng)村住宅建筑耗能得到改善．