京津冀地区农村装配式节能住宅建筑研究

王艳，张伟捷，李芳德，李争争

（1.河北工程大学 能源与环境工程学院，河北 邯郸 056038；2.华阳国际设计集团上海分公司，上海 201101）

0 引言

京津冀地区农村对各类化石能源的大量消耗，是造成当地空气污染的重要原因之一。化石能源的大量消耗主要分布在取暖、炊事、空调三方面，其中取暖部分占53%[1]。相关部门发布《北方地区冬季清洁取暖规划（2017～2021年）》[2]以来，京津冀地区农村已禁止燃烧散煤，大力推行“煤改气”“煤改电”工程，有大量清洁能源在农村应用，但仍然存在能源利用率低、室内舒适度差等问题，还造成了用电、用气紧张的现象。除了能源结构不合理外，农村住宅建筑本体的建造水平低、不符合节能设计标准、围护结构保温性能差等也是能耗居高不下、舒适度难以提高的重要因素。不同于城市地区的集中管理，农村居住建筑分散，节能工作起步晚、节能标准推行进度慢，迫切需要一种新的建造方式对房屋进行节能改造和升级。装配式建造方式作为建筑工业化的表达方式，将其应用到地理位置优越、经济相对发达的京津冀地区可以解决以上问题。

对于同一个住宅建筑来说，采用不同的节能设计标准，建筑的节能性和经济性无法通过实测或理论分析得出，模拟研究通常是最佳选择[3]。本文使用DeST-h住宅建筑全年动态模拟软件，对典型住宅建筑能耗进行动态模拟，依据节能标准对外墙、门窗、屋顶、窗墙比的不同要求分别选取符合节能标准（50%、65%、75%）的围护结构构造和参数，并进行装配式建筑模块化拆分，对京津冀地区农村节能住宅建筑进行节能性、经济性和环境效益分析，为京津冀地区农村装配式住宅建筑提供基于节能标准的节能设计方案。

1 京津冀地区农村建筑现状

1.1 建筑节能现状

调研测试数据[4-8]显示，京津冀地区农村无集中供暖，主要以分散型采暖为主，住宅建筑单位面积耗热量31～120 W/m2，耗标准煤量14～50 kg/m2，室内平均采暖温度5.0～17.1℃，外墙的传热系数为1.5～2.2 W/（m2·K），门的传热系数为2.7～3.2 W/（m2·K），窗的传热系数为4.7～5.0 W/（m2·K），屋顶的传热系数为2.00～3.59 W/（m2·K）。其中只有极少部分达到节能50%设计标准要求。表1为我国不同建筑节能设计标准的要求，参考标准分别为JGJ 26—95《民用建筑节能设计标准（采暖居住建筑部分）》（节能50%设计标准）、JGJ 26—2010《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》（节能65%设计标准）、DBJ 01-602—2004《北京市居住建筑节能设计标准》（节能65%设计标准）、DBJ 11-891—2012《北京市居住建筑节能设计标准》（节能75%设计标准）。

表1 居住建筑节能设计标准

1.2 建造方式现状

根据京津冀地区三农普查数据[9-11]，农村住宅建筑以砖混结构最多，占60.4%，其次是砖木（石）结构占30.6%。京津冀地区的建造模式有2种：第1种是户主自己组织瓦匠建房，第2种是施工队承包建房，2种方式的建筑材料均由户主自行购买，建房过程中户主对建筑材料的使用带有主观的判断。这种建造模式自主进行，但也会带来建房不安全、材料浪费等问题。近年来，农村建筑建造方式已经逐渐由图1（a）所示的传统建造方式进展到图1（b）所示的框架房屋建造方式，这种方式建房速度快，结构安全。随着装配式建筑政策的发布，装配式建造方式进入到农宅建筑领域，施工现场相对干净、建筑垃圾少。装配式建造方式作为建筑工业化的表达方式，在京津冀地区农村地区实行装配式节能建筑有其可行性和必要性。

图1 京津冀地区农村住宅建筑建造方式

2 能耗模拟

2.1 模拟方案

根据数据调研和现场测试结果，对实际建筑进行模型建立和能耗模拟，并在此模型上根据节能设计标准对节能50%建筑、节能65%建筑、节能75%建筑增加围护结构节能技术，4种模拟方案见表2，验证采用不同节能标准的围护结构节能技术对建筑本体的节能效果。

表2 建筑本体各方案节能技术

2.2 模型建立

选取北京市郊区某典型农村住宅建筑为模拟研究对象（[图2（a）]。该建筑共1层，总建筑面积82.14 m2，建筑高度3.5 m、长7.4 m、宽11.1 m，屋顶为坡屋顶，建筑体形系数为0.736。主要功能房间为客厅、主卧、次卧、杂物储物间、粮食储物间等，卫生间在院落中设置。使用DeST-h住宅建筑全年动态模拟软件对建筑能耗进行动态模拟，建模时需要根据每个建筑的实际情况对模型做出简化，院落是暴露在室外的开放环境，建模时设置为室外，根据平面图在软件中建立4个模型，既有建筑模型如图2（b）所示。

图2 既有建筑模型

2.3 建筑围护结构参数设置

既有建筑围护结构传热系数见表3，体形系数保持0.736不变，当体形系数较大时，按照不同节能设计标准建议的围护结构的限值设置其他3个模型的围护结构参数见表4，窗墙比见表5，表4的围护结构传热系数模拟参数中除节能50%建筑屋顶未严格按照设计标准选取参数外，其他参数均在标准限值内。

表3 既有建筑各围护结构传热系数[12]

表4 不同建筑节能设计标准围护结构传热系数W/（m2·K）

表5 不同建筑节能设计标准窗墙比

2.4 围护结构构造形式

外墙保温的主要形式分为内保温、外保温和夹芯保温。针对节能设计，首选外保温，外保温相对内保温和夹芯保温，具有以下优势[13]：（1）外保温可有效消除“热桥”影响；（2）外保温层对主体建筑起到保护层的作用，避免外界环境对结构的破坏，降低外墙内外表面温差，保温效果好；（3）外保温层的厚度不受室内面积的影响，不会缩减用户的居住面积。

外墙、屋顶、门窗构造如图3～图5所示。外墙保温采用了膨胀聚苯板（30、80 mm厚）、挤塑聚苯板（70 mm厚）等材料，通过改变保温层的厚度、砖的种类及厚度对外墙参数进行设置。屋顶保温采用了膨胀聚苯板、EPDM薄膜材料，通过改变保温层的厚度、混凝土的种类及厚度对屋顶参数进行设置。外窗窗框采用通体铝合金、断桥铝合金材料，玻璃分别采用3.25+15A+5、2.65+15A+5、6+12A+6组合。外门的材料设置同外窗一致。

图3 节能50%围护结构构造示意

图4 节能65%设计标准围护结构构造示意

图5 节能75%设计标准围护结构构造示意

2.5 热源及室内温度设置

2017年以来，北京市郊区农村已经禁止燃烧散煤，采用燃气供暖、电暖气供暖代替燃煤供暖。其中卧室、厨房和客厅采用暖气片末端装置供暖，储物间不供暖，采暖形式为壁挂式分户燃气炉供暖，热源设置为天然气。

根据GB 50736—2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》规定，室内空调设定最高温度26℃，最低温度18℃，最高相对湿度80%，最低相对湿度20%，容忍温度上限29℃，容忍温度下限16℃。

2.6 结果验证

4个模型的节能效果对比见图6。

图6 节能效果对比

由图6可见，对比4个模型在1月19日的房间室内自然室温显示，节能50%、65%、75%建筑模型分别比既有建筑模型自然室温提高3.8～5.3℃、6.2～11℃、10.2～17.9℃。节能50%、65%、75%建筑模型的热负荷分别比既有建筑模型降低6.28、4.43、2.45 kW，4个模型的单位面积耗热量分别为54.42、29.18、16.39、7.11 W/m2，单位面积耗标准煤分别为31.8、11.6、6.5、2.85 kg/m2。

在DeST-h围护结构设置中，4个模型的围护结构参数中体形系数和地面传热系数不满足节能设计标准的建议值，此外节能50%建筑屋顶的传热系数不满足建议值[建议值为0.600 W/（m2·K）]，模拟中设置的传热系数为0.639 W/（m2·K），相差0.039 W/（m2·K），模拟结果耗煤量在标准范围内。可以看出，在设计标准中，并不是所有围护结构均满足设计标准才能达到节能要求，满足节能要求相对重要的因素是门窗、外墙、屋顶的参数设置。依据节能设计标准来设计，建筑本体的能耗严格控制在节能范围内。

3 农村装配式节能建筑

基于前述的验证分析，农村住宅建筑依照节能设计标准建造房屋具有可观的节能效果，随着农村经济条件和居民生活水平的提高，京津冀地区农村装配式房屋市场需求量呈增加趋势，要想真正实现农村装配式建筑的节能，需要严格依照节能设计标准选取围护结构的参数。因此建议装配式节能住宅建筑按照节能标准设计房屋。对前述的3种方案（节能50%建筑、节能65%建筑、节能75%建筑）进行装配式建筑设计。

3.1 主体结构体系

目前，我国装配式建筑以钢筋混凝土结构为主，钢结构次之，木结构与竹结构较少。但从农村建筑节能推广的角度考虑，宜首选轻钢结构[14]。轻钢结构的使用年限为50年，并且系统中采用的镀锌彩钢围护在15～20年内无需大范围的维护保养，而传统砖混结构5～7年就需要粉刷等保养工作。低层住宅（1~6层）适合使用轻钢龙骨体系、纯框架体系、钢框架-支撑体系[15]。

轻钢结构的优点[16]：（1）相比于混凝土结构的推倒重建，钢结构有利于农村危房改造，可直接在既有混凝土房屋上直接改造，对新建建筑来说结构稳定性更好；（2）抗震性能强，质量轻，装配式轻钢结构施工材料较轻；（3）装配率高，在轻钢结构装配式建筑中，基本不需要现浇部分；（4）绿色环保，轻钢结构建筑部件在工厂制作，在现场完成部品构件的连接即可，施工过程多为干式作业，减轻现场的建筑垃圾处理，不仅降低施工现场的粉尘污染和噪声污染，也方便后期维修。

建筑的平面和立面如图7所示，建筑的模块化拆分如图8（b）所示，分为部件1、部件2、部件3。部件1由2面预制外墙和1面预制内墙组成，包括杂物储物间和主卧室；部件2由2面预制外墙和3面预制内墙组成，包括厨房和客厅；部件3由3面预制外墙和1面预制内墙组成，包括粮食储物间和次卧室。

图7 建筑平面和立面示意

图8 建筑框架和部件示意

3.2 外围护系统

装配式钢结构建筑外围护系统包括外墙体、屋顶、门窗3个主要部分[17]。预制外墙板材料见表6，主要为碳酸钙板、泡沫混凝土，保温材料为石墨聚苯板（70 mm厚）。预制屋顶材料见表7，主要为多孔混凝土、钢筋混凝土，保温材料为膨胀聚苯板（50、70 mm厚）。预制外窗材料见表8，窗框为通体铝合金，门框为通体铝合金和断桥铝合金。

表6 装配式节能建筑方案外墙热工参数

表7 装配式节能建筑方案屋顶热工参数

表8 装配式节能建筑方案外窗热工参数

按照不同的节能设计标准，选择不同的建筑材料制作构件，各构件需要在工厂完成预制，部件及构件拆分如图9所示。在Revit软件中建立构件库并编号[18]。工厂预制阶段包括构件拆分、部品采购、构件加工、构件分级装配等程序。以部件1为例进行构件拆分示意，如图10所示，主要围护结构装配工作包括外墙板、维护面板、轻钢龙骨、内饰面、地板、楼板、找平层、内部机电管线、预留预装设备层等。

图9 部件及构件示意

图10 部件1部分围护结构安装分解轴测示意

3.3 装配式建筑施工

将钢结构框架、预制构件运输到现场，在现场按部件顺序组装完成，各个构件出厂有二维码和安装说明，现场需要4～5名装配式建筑安装工人根据施工说明进行安装。农村住宅建筑面积小，需要1辆吊装车、1辆施工车，钢结构不需要现场浇筑，现场施工示意如图11所示。

图11 装配式节能建筑现场施工示意

4 经济效益分析

从农村建筑节能推广的角度，分别对节能50%、65%、75%建筑就传统建造方式和装配式建造方式进行建造阶段经济性分析和环境效益分析。

传统建筑建造阶段成本主要包括人工费、材料费、机械费[19]。相关材料厂家的报价见表9。计算得出既有建筑需花费材料费253元/m2，节能50%建筑需花费材料费335元/m2，节能65%建筑需花费材料费623元/m2，节能75%建筑需花费材料费1266元/m2。机械费用200元/m2，人工费用400元/m2。

表9 建筑材料单价

装配式住宅在建造阶段的成本主要包括工厂预制费，构配件运输费，现场施工安装费用。其中轻钢结构住宅的固定资产摊销费用约100元/m2，工厂预制人工费70元/m2，既有建筑材料费472元/m2，节能50%建筑材料费563元/m2，节能65%建筑材料费855元/m2，节能75%建筑材料费1480元/m2，运输费用约10元/m2。现场施工安装需要机械费约42元/m2，现场需要人工费324元/m2，轻钢骨架造价150元/m2。传统建造方式和装配式建造方式建造阶段成本见表10。

表10 建造阶段成本及采暖成本

由表10可见，装配式轻钢结构单价比砖混结构贵300元/m2左右，同时满足不同节能标准的建筑折合每年耗电分别为177.2、94.3、52.8、23.1 kW·h/m2，按照0.52元/（kW·h）电价计算，每年节省电费分别为43.20、64.70、80.20元/m2，从长期的消费来看，满足节能标准的装配式农村住宅不仅能节省能源，而且可以节省采暖费用。

由前述分析可知，既有建筑模型模拟结果不满足节能30%的要求，调研数据显示只有极少部分能达到节能50%的要求，这一现状距离北京市地区展开的第五步建筑节能要求（节能80%标准征求意见稿）较远。节能65%比既有建筑节能提高35%，价格提高300元/m2左右，节能75%比既有建筑节能提高55%，价格提高600元/m2左右，综合分析节能65%建筑的节能性和经济性，建议农村建筑最低应达到节能65%设计标准要求。涉及到具体的住户，可以根据住户经济能力和对节能的要求进行不同节能建筑方案（65%、75%、80%）的选择。

5 结语

（1）农村住宅建筑的节能潜力很大，不同经济条件的用户可以选择满足不同节能标准（50%、65%、75%）的节能方案，根据节能效果分析，建议农村住宅最低应达到节能65%的设计标准要求。

（2）满足节能指标并不是每一项围护结构的热工参数都必须达到要求，当体形系数和地面不满足要求时，外墙、屋顶、门窗按照节能设计标准设置可以达到节能指标。

（3）装配式建筑建造方式比传统现浇方式贵300元/m2左右，节能效益是每年节省20元/m2左右。从长远来看，农村装配式节能建筑具有良好的效果。

（4）装配式钢结构有利于农村节能方案的实施和推广，构件按照规范进行编号，在工厂预制完成，有利于节能材料的标准化选取。