夏熱冬冷地區(qū)農(nóng)村裝配式鋼結(jié)構(gòu)節(jié)能建筑研究

李芳德，張偉捷，王艷，吳金順

（1.河北工程大學(xué) 能源與環(huán)境工程學(xué)院，河北 邯鄲056038；2.華北科技學(xué)院 河北省可再生能源冷暖聯(lián)供國(guó)際聯(lián)合研究中心，河北 廊坊065201）

0 引言

據(jù)相關(guān)研究報(bào)告表明[1]，農(nóng)民生活水平得到明顯改善的同時(shí)，對(duì)新建住宅的需求和室內(nèi)舒適性要求也不斷提高，導(dǎo)致了農(nóng)村建筑能耗及其相關(guān)的碳排放量持續(xù)上升。目前，夏熱冬冷地區(qū)農(nóng)村大部分既有住宅建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)（如實(shí)心黏土磚墻、單層鋁合金玻璃窗等）的熱工性能較差，不能再用于新建建筑上；傳統(tǒng)建造方式存在施工周期長(zhǎng)、現(xiàn)場(chǎng)施工污染環(huán)境及難以保障節(jié)能建材得到有效應(yīng)用等不足，不符合新農(nóng)村生態(tài)建設(shè)理念，迫切需要進(jìn)行節(jié)能改造，并引入生態(tài)環(huán)保的建造方式。

在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能改造方面，相關(guān)學(xué)者針對(duì)夏熱冬冷地區(qū)的氣候特征進(jìn)行了具體的研究。如黃鶯和王昭俊[2]采用正交試驗(yàn)法，運(yùn)用DeST軟件分析各圍護(hù)結(jié)構(gòu)因素對(duì)建筑能耗的影響效果。倉(cāng)盛[3]以既有居住建筑為研究對(duì)象，分析了外窗、屋面及外墻節(jié)能改造的關(guān)鍵技術(shù)，明確了外墻是建筑節(jié)能改造的重點(diǎn)。Diao等[4]針對(duì)農(nóng)村建筑墻體材料耗能大和熱工性能差的現(xiàn)狀，對(duì)7種不同墻體的傳熱系數(shù)進(jìn)行了理論計(jì)算與實(shí)測(cè)，研究發(fā)現(xiàn)，矩形多孔砌塊、復(fù)合陶瓷混凝土砌塊及蒸汽壓砂混凝土砌塊墻體的傳熱系數(shù)均達(dá)到建筑節(jié)能50%的要求。在建造方面，裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑作為我國(guó)建筑行業(yè)的重點(diǎn)發(fā)展方向，已在北京、上海、深圳等多個(gè)重點(diǎn)城市建立示范基地。然而，裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑尚未能在農(nóng)村地區(qū)得到有效應(yīng)用，JGJ/T 398—2017《裝配式住宅建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中雖然提到建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計(jì)應(yīng)符合國(guó)家現(xiàn)行的節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的要求，但未說明具體的做法[5]；當(dāng)前裝配式建筑廠家生產(chǎn)的預(yù)制構(gòu)件質(zhì)量良莠不齊，其裝配而成的建筑難以保證均能達(dá)到節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的要求；相關(guān)研究也主要針對(duì)裝配式建筑在農(nóng)村地區(qū)的應(yīng)用前景與可行性進(jìn)行探討，缺乏對(duì)其節(jié)能性進(jìn)行深入地研究分析[6－7]。

本文以長(zhǎng)沙市典型農(nóng)村住宅為例，采用單因素試驗(yàn)法與正交試驗(yàn)法，運(yùn)用DeST軟件分析適用于該地區(qū)氣候條件的被動(dòng)式節(jié)能改造技術(shù)，結(jié)合裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的結(jié)構(gòu)特性與預(yù)制節(jié)能圍護(hù)結(jié)構(gòu)（外墻、外墻、屋頂）構(gòu)件的研究，提出農(nóng)村裝配式輕、重鋼結(jié)構(gòu)節(jié)能建筑方案，并進(jìn)行能耗模擬分析和生態(tài)性與經(jīng)濟(jì)性分析，以促進(jìn)節(jié)能50%、65%的裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑在夏熱冬冷地區(qū)農(nóng)村建筑上的推廣與應(yīng)用。

1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能改造技術(shù)研究

被動(dòng)式生態(tài)節(jié)能改造技術(shù)旨在針對(duì)夏熱冬冷地區(qū)的氣候環(huán)境因素，通過控制建筑窗墻比和圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工特性，達(dá)到降低建筑室內(nèi)夏季空調(diào)與冬季采暖能耗的目的。以長(zhǎng)沙市農(nóng)村住宅為例，運(yùn)用DeST軟件建立了農(nóng)村典型住宅模型（見圖1），模型的圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)按20世紀(jì)80年代初的基準(zhǔn)建筑模型設(shè)定[8]。

圖1 農(nóng)村典型住宅三層平面

1.1 單因素試驗(yàn)分析

表1～表4為建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)建筑能耗影響的模擬結(jié)果。

表1 窗墻比模擬

表4 屋頂模擬

從表1可以看出，窗墻比與建筑能耗呈線性負(fù)相關(guān)關(guān)系，控制窗墻比為0.2對(duì)于降低建筑能耗大有裨益。

從表2可以看出，隨著外窗傳熱系數(shù)的減小，建筑能耗持續(xù)下降；隨著外窗綜合遮陽(yáng)系數(shù)減小至0.4后，對(duì)建筑能耗的影響較小，原因在于外窗是室內(nèi)重要的得熱部件，適當(dāng)?shù)亟档推渚C合遮陽(yáng)系數(shù)可以有效阻擋太陽(yáng)輻射和降低室內(nèi)冷負(fù)荷，但其值過低時(shí)，不利于冬季太陽(yáng)輻射得熱和降低室內(nèi)熱負(fù)荷。

表2 外窗模擬

從表3、表4可以看出，隨著外墻和屋頂太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)的減小，建筑能耗下降趨勢(shì)較為平緩；而隨著外墻和屋頂傳熱系數(shù)的減小，建筑能耗明顯降低，但傳熱系數(shù)分別減小至0.4、0.5 W/（m2·K）后，其能耗曲線趨向于平緩。原因在于保溫效果良好的外墻和屋頂可以在冬季有效阻擋室內(nèi)熱量向室外傳遞及室外冷量向室內(nèi)傳遞，但在夏季與過渡季節(jié)，室內(nèi)溫度一般會(huì)高于室外溫度，此時(shí)不利于向室外散熱，導(dǎo)致室內(nèi)冷負(fù)荷有所增加。

表3 外墻模擬

1.2 正交試驗(yàn)分析

為了更進(jìn)一步分析各因素對(duì)建筑能耗影響的主次順序及它們之間的組合作用對(duì)建筑能耗的影響，需要對(duì)各因素的不同水平進(jìn)行全面組合。根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，分別對(duì)窗墻比（A）、外窗傳熱系數(shù)（B）、外窗綜合遮陽(yáng)系數(shù)（C）、外墻傳熱系數(shù)（D）、外墻太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)（E）、屋頂傳熱系數(shù)（F）及屋頂太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)（G）7個(gè)因素的3個(gè)水平進(jìn)行取值見表5。

表5 正交試驗(yàn)因素水平

通過分析現(xiàn)有正交試驗(yàn)表的情況，得出最適合本次試驗(yàn)的正交表為L(zhǎng)18（37）。將各組試驗(yàn)對(duì)建筑能耗的影響情況進(jìn)行模擬分析，其試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果見表6。各因素的平均值與極差的計(jì)算結(jié)果見表7。

表6 正交試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果

由表7可以看出：各個(gè)因素對(duì)建筑全年負(fù)荷的影響由大到小為：A>D>B>F>C>G>E，即影響建筑能耗最主要的因素為窗墻比，其次為外墻的傳熱系數(shù)，建筑能耗隨窗墻比和外墻傳熱系數(shù)的減小急劇下降；對(duì)建筑能耗影響最小的因素為外墻的太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)，隨著外墻太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)的減小，節(jié)能效果并不明顯；隨著外窗和屋頂傳熱系數(shù)的減小，建筑能耗呈線性降低的趨勢(shì)；當(dāng)屋頂太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)減小至0.5后，對(duì)建筑能耗的影響較小。

表7 試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果

因此，應(yīng)綜合考慮實(shí)際情況控制農(nóng)村建筑的窗墻比在0.2左右，并提高外墻、外窗、屋頂?shù)膫鳠嵯禂?shù)分別至0.4、3.0、0.5 W/（m2·K）左右。

2 預(yù)制節(jié)能圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件研究

裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑是指在工廠中生產(chǎn)鋼結(jié)構(gòu)部件和預(yù)制構(gòu)件，然后集中運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)，通過可靠的連接和吊裝工作將各部（構(gòu)）件裝配而成的建筑，按主體結(jié)構(gòu)用鋼量分為輕鋼結(jié)構(gòu)和重鋼結(jié)構(gòu)建筑[9]。根據(jù)裝配式輕、重鋼結(jié)構(gòu)建筑的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系特性，結(jié)合上述被動(dòng)式節(jié)能改造技術(shù)，研究適合夏熱冬冷地區(qū)的預(yù)制節(jié)能圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件，為相關(guān)的裝配式建筑生產(chǎn)廠家提供數(shù)據(jù)支持。

2.1 預(yù)制節(jié)能外窗構(gòu)件

在外窗構(gòu)件研究方面，在滿足室內(nèi)采光和通風(fēng)的要求下，應(yīng)盡可能地控制建筑的窗墻比在0.2左右。外窗的綜合遮陽(yáng)系數(shù)對(duì)建筑能耗的影響相對(duì)較小，通過增設(shè)活動(dòng)外遮陽(yáng)措施可以有效提高外窗的遮陽(yáng)性能。通過建材市場(chǎng)調(diào)研分析，外窗的傳熱系數(shù)對(duì)建筑能耗有重要的影響，對(duì)比5種常見外窗的熱工性能及其工程造價(jià)見表8。

表8 外窗熱工性能及造價(jià)

從表8可以看出，雖然斷橋鋁中空玻璃窗的熱工性能較好，但其造價(jià)過高，不適合在農(nóng)村地區(qū)進(jìn)行廣泛推廣與應(yīng)用；塑鋼中空玻璃窗的性價(jià)比相對(duì)較高，適用于農(nóng)村裝配式輕、重鋼結(jié)構(gòu)建筑外窗構(gòu)件。

2.2 預(yù)制節(jié)能外墻構(gòu)件

在外墻構(gòu)件研究方面，裝配式輕、重鋼結(jié)構(gòu)建筑的外墻構(gòu)造形式有所不同，輕鋼結(jié)構(gòu)外墻一般采用填充墻體，而重鋼結(jié)構(gòu)外墻通常采用復(fù)合墻體，其具體做法見圖2，需要根據(jù)其構(gòu)造形式，分別定制傳熱系數(shù)為0.4 W/（m2·K）左右的節(jié)能外墻。

圖2 預(yù)制外墻構(gòu)造

根據(jù)圖2中預(yù)制外墻構(gòu)造情況，對(duì)輕鋼外墻的保溫填充材料與重鋼外墻的保溫板分別在其不同厚度下外墻的傳熱系數(shù)進(jìn)行研究分析，結(jié)果見圖3。

圖3 預(yù)制外墻的傳熱系數(shù)

根據(jù)圖3中各外墻保溫材料的熱工特性研究，結(jié)合建材市場(chǎng)調(diào)研情況得知，用于輕鋼外墻填充材料的聚氨酯泡沫與聚苯乙烯泡沫的保溫性能優(yōu)越，但其造價(jià)過高（按厚度為80 mm計(jì)算，一般為10～12.9元/m2），不適合在農(nóng)村地區(qū)進(jìn)行廣泛應(yīng)用，而玻璃纖維棉的保溫性能良好且造價(jià)較低（按厚度為100 mm計(jì)算，一般為3.0～3.4元/m2），適用于農(nóng)村建筑；用于重鋼外墻保溫板的硬泡聚氨酯板的造價(jià)過高（一般為850～900元/m3），酚醛板、擠塑聚苯板及石墨聚苯板的造價(jià)基本持平（一般為290～310元/m3），但酚醛板的保溫性能相對(duì)較優(yōu)。因此，分別選用厚度為100 mm的玻璃纖維棉和40 mm的酚醛板作為輕鋼與重鋼外墻的保溫層。

2.3 預(yù)制節(jié)能屋頂構(gòu)件

同理，根據(jù)不同的屋頂結(jié)構(gòu)形式，分別定制傳熱系數(shù)為0.5 W/（m2·K）左右的預(yù)制輕鋼結(jié)構(gòu)與重鋼結(jié)構(gòu)屋頂構(gòu)件，其構(gòu)造形式見圖4。根據(jù)輕、重鋼結(jié)構(gòu)建筑的屋頂形式，分析不同保溫材料厚度下屋頂?shù)膫鳠嵯禂?shù)，結(jié)果見圖5。

圖4 預(yù)制屋頂構(gòu)造

圖5 預(yù)制屋頂?shù)膫鳠嵯禂?shù)

根據(jù)圖5中各屋頂保溫材料的熱工特性研究，結(jié)合建材市場(chǎng)調(diào)研情況進(jìn)行綜合分析，分別選用厚度為100 mm的玻璃纖維棉和40 mm的酚醛板作為輕鋼與重鋼屋頂?shù)谋貙印?/p>

3.1 模型建立

圖6為根據(jù)預(yù)制節(jié)能圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的研究，結(jié)合農(nóng)村地區(qū)的經(jīng)濟(jì)水平和發(fā)展建設(shè)要求，采用BIM軟件建立的裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑本體模型。

圖6 裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑本體模型

運(yùn)用DeST軟件對(duì)裝配式輕、重鋼結(jié)構(gòu)建筑方案及其基準(zhǔn)建筑方案進(jìn)行建模，模型的建筑朝向設(shè)定為正北方向，其圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能參數(shù)見表9?；鶞?zhǔn)建筑模型與輕、重鋼結(jié)構(gòu)建筑方案模型的平面布局和室內(nèi)參數(shù)設(shè)定一致，室內(nèi)空調(diào)房間為臥室、客廳、餐廳；空調(diào)室內(nèi)設(shè)定最高溫度為26℃、最低溫度為18℃；空調(diào)啟動(dòng)上限溫度為28℃、下限溫度為16℃；空調(diào)能效比設(shè)定為3.2；換氣次數(shù)設(shè)定為1.0次/h；臥室空調(diào)開啟時(shí)間為00：00～06：00、12：00～14:00、22：00～24：00；客廳空調(diào)開啟時(shí)間為08：00～21：00；餐廳空調(diào)開啟時(shí)間為07：00～09：00、12：00～14：00、18：00～20：00；室內(nèi)人員、燈光、設(shè)備作息表按農(nóng)戶實(shí)際使用情況設(shè)定。

表9 各建筑方案的圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能參數(shù)

3.2 能耗模擬驗(yàn)證分析

以長(zhǎng)沙農(nóng)村地區(qū)為例，運(yùn)用DeST－h(huán)能耗模擬軟件對(duì)輕、重鋼結(jié)構(gòu)建筑及其基準(zhǔn)建筑的全年能耗情況進(jìn)行模擬分析見表10。

表10 各建筑方案的全年累計(jì)負(fù)荷面積指標(biāo)（kW·h）/（m2·a）

從表10可以看出，采用被動(dòng)式節(jié)能改造技術(shù)優(yōu)化建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，在裝配式工廠中定制節(jié)能圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件，并在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行裝配而成的輕、重鋼結(jié)構(gòu)建筑的建筑節(jié)能率分別為56.93%和54.94%，均達(dá)到節(jié)能50%的要求（即在基準(zhǔn)建筑全年能耗的基礎(chǔ)上減少50%的能耗），每年分別能減少30.94（kW·h）/（m2·a）和28.28（kW·h）/（m2·a）的空調(diào)能耗。

同理，經(jīng)過進(jìn)一步提升建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能，可得到節(jié)能65%的裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑，其圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造見表11。

表11 節(jié)能65%的裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)

3.3 生態(tài)性與經(jīng)濟(jì)性分析

3.3.1 生態(tài)性分析

與農(nóng)村現(xiàn)澆式建筑相比，裝配式鋼結(jié)構(gòu)節(jié)能建筑在建材準(zhǔn)備階段集中生產(chǎn)預(yù)制節(jié)能構(gòu)件，對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響范圍較小；在建造階段現(xiàn)場(chǎng)施工量和污染物排放量小，能減少22.33%的垃圾排放和降低7.5%碳排放[10]，對(duì)環(huán)境的污染程度較低；在拆除回收階段，可回收大量拆除后的鋼材、墻板等材料，生態(tài)效益良好，故裝配式鋼結(jié)構(gòu)節(jié)能建筑的生態(tài)性在建筑全生命周期的各階段均優(yōu)于農(nóng)村現(xiàn)澆式建筑。此外，在建筑運(yùn)行階段每節(jié)省1 kW·h的能耗，相當(dāng)于降低0.997 kgCO2排放、0.03 kgSO2排放、0.015 kgNOx排放、0.272 kg碳粉塵排放及0.136 kg煙塵排放，其減排價(jià)值分別為160、20 000、631.6、275.2、275.2元/t[11]。結(jié)合表10和表11得到各節(jié)能建筑方案的減排量及生態(tài)效益見表12。

表12 各節(jié)能建筑方案的減排量及生態(tài)效益

3.3.2 經(jīng)濟(jì)性分析

通過咨詢夏熱冬冷地區(qū)農(nóng)村當(dāng)?shù)厥┕り?duì)與裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑廠家關(guān)于建筑主體造價(jià)的情況及農(nóng)村電價(jià)情況[0.5469元/（kW·h）]，結(jié)合裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑在建造和運(yùn)行階段的生態(tài)效益補(bǔ)償費(fèi)用，對(duì)各建筑方案的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析，結(jié)果見表13。

表13 各建筑方案的經(jīng)濟(jì)性分析

從表13可以看出，雖然裝配式鋼結(jié)構(gòu)節(jié)能建筑的造價(jià)比傳統(tǒng)建筑高210.72～375.72元/m2，但是從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，裝配式節(jié)能建筑作為國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展的方向，其構(gòu)件材料費(fèi)會(huì)隨著預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化和國(guó)家的大力支持而降低，且每年運(yùn)行階段的費(fèi)用比傳統(tǒng)建筑方案低40.42～51.31元/m2，在建筑運(yùn)行6～8年后，其總費(fèi)用將低于傳統(tǒng)建筑，有利于推動(dòng)節(jié)能50%、65%建筑在夏熱冬冷地區(qū)農(nóng)村的應(yīng)用。

4 結(jié)論

（1）通過單因素試驗(yàn)與正交試驗(yàn)分析得出夏熱冬冷地區(qū)農(nóng)村建筑的窗墻比應(yīng)控制在0.2左右，外墻、外窗、屋頂?shù)膫鳠嵯禂?shù)應(yīng)分別控制在0.4、3.0、0.5 W/（m2·K）左右。

（2）在定制裝配式輕、重鋼結(jié)構(gòu)建筑的預(yù)制構(gòu)件方面，選用塑鋼中空玻璃窗作為節(jié)能外窗構(gòu)件；采用100 mm玻璃纖維棉作為輕鋼結(jié)構(gòu)建筑外墻及屋頂?shù)谋靥畛洳牧?；采?0 mm酚醛板作為重鋼結(jié)構(gòu)建筑外墻及屋頂?shù)谋匕澹蛇_(dá)到建筑節(jié)能50%的要求。

（3）通過模擬驗(yàn)證和生態(tài)性與經(jīng)濟(jì)性分析得知，雖然節(jié)能50%、65%的裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的造價(jià)比傳統(tǒng)建筑高210.72～375.72元/m2，但是其空調(diào)運(yùn)行費(fèi)用低、生態(tài)效益顯著，在建筑運(yùn)行6～8年后，其總費(fèi)用將低于傳統(tǒng)建筑，適合在農(nóng)村地區(qū)進(jìn)行廣泛推廣和應(yīng)用，可為裝配式節(jié)能建筑的研究提供參考。