李宇航 郝学军

（北京建筑大学，北京 100044）

[摘  要] 随着能源形式的逐渐严峻，建筑节能成为了世界各国的关注重点，我国自推广建筑节能工作以来，已经在城市地区获得了许多成果，但是农村地区的低密度居住住宅的节能减排工作尚在起步阶段，本文将根据农村地区的居住建筑特点，结合“煤改电”工作，对京津冀农村地区的住宅建筑节能方案进行探究，探讨建筑外围护结构保温与二次能源的利用等节能方式的结合运用方式。 

[关键词] 建筑节能；外围护结构；热泵技术

Research on Energy Efficiency of Rural Buildings in Jing-Jin-Ji Region

 

LI Yuhang

(Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing 100044, China)

[Abstract] With the increasingly severe forms of energy, building energy conservation has become the focus of attention of all countries in the world. Since China has promoted building energy conservation, many achievements have been achieved in urban areas, but the energy saving and emission reduction of low-density residential houses in rural areas is still in progress. In the initial stage, this article will explore the energy conservation plan for residential buildings in rural areas of Beijing, Tianjin and Hebei according to the characteristics of residential buildings in rural areas and combine the work of “coal to electricity” to explore the energy conservation of external thermal insulation of buildings and the use of secondary energy sources. The combination of methods.

[Keywords] Building energy efficiency; External protective structure; Heat pump technology

引言

建筑节能是近年来世界建筑发展的一个基本趋向，也是当代建筑科学技术的一个新的生长点。我国人口密集，建筑面积巨大，过高的建筑能耗带来了经济与环境上的双重问题。因此，建筑的节能工作一直是国家建设的重中之重。

步入新时代以来，建设社会主义新农村成为了国家工作的重点，如何在农村改造工作的同时兼顾提升人民生活质量与落实建筑绿色节能改造，成为了建筑从业者们需要重点考虑的问题。在京津冀地区，随着农村经济实力的不断提升，人们的生活条件得到了明显的改善，但是绝大部分农村房屋均为村民自建，缺乏科学的设计以及合理的布局，存在着建造水平低、保温措施差、采暖设备简陋等问题，造成了大量的能源浪费。因此，面对严峻的能源形势，做好农村住宅节能工作的调研与改造工作，对我国坚持可持续发展战略，全面建成小康社会，解决发展不平衡不充分的问题，有着重要的意义。

1 低能耗建筑的一般标准和预期指标

1.1 国外建筑节能标准研究

自上个世纪六十年代起，随着科技和生活水平的发展，西方国家逐渐认识到建筑节能的重要性，纷纷开始建立建筑节能政策标准体系。经过几十年的发展，各国对于节能建筑的标准制定已经趋向成熟。并且根据地理环境、人口情况的不同，各个国家对于低能耗建筑的定义都有所不同，其中德国、美国、瑞典和芬兰的节能建筑体系最为完善。

美国能源部在《建筑技术项目2008-2012规划》中提出了在2025年以后可以达到商业化“零能耗建筑”（zero energy building），并且计划在2050年全面推行建筑节能比率达到70%以上，并且利用不产生温室气体的二次能源补充余下的30%能耗的“净零能耗公共建筑”（zero net energy commercial building）。 

德国将节能建筑分为三个阶段发展，即低能耗建筑（Low-Energy House）、三升油建筑（Three Liter House）和被动式超低能耗建筑（Passive and Ultra-Low-Energy House），每个阶段有着不同的采暖能耗限定，并且对于采光、通风等设施建造都有着严格的规定。

瑞典与芬兰也都根据自己国家的气候情况、技术条件，不同程度的借鉴了德国的被动房建筑标准，完善了本国的建筑节能体系。

表1不同类型节能建筑的能耗限定值

1.2 我国建筑节能标准的现状与展望

我国的建筑节能标准制定相较于西方国家起步较晚，第一部相关标准于20世纪80年代中期建立。在发展过程中，将建筑节能工作分为“三步走”，如表1-2所示，自1986年颁布的《民用建筑热工设计规程》规定了基准建筑开始，分别经历了节能30%、50%、65%三个阶段，现在我国的民用建筑已经普遍达到了节能65%的设计标准，并且有条件的地区已经制定了更高的标准，比如北京市的地方标准《居住建筑节能设计标准》DB11/891-2012要求建筑的节能比率达到75%。

  除此之外，对于居住建筑，我国还编制了由北向南而推行的各类建筑标准，例如2001年制定的《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》（JGJ34-2001）以及2003年的《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》（JGJ34-2001），确保我国各个气候区域都有相应的建筑设计标准。

表2 建筑三步节能相关法规

2 农村地区建筑保温技术

  随着我国建筑节能标准的不断改进，城市节能改造工作已经有了显著的成效，但是由于农村地区在生活习惯、经济条件等方面与城市有着很大的差异性，节能改造工作依然进展缓慢。城乡建筑节能工作近战的不均衡引起了相关政府部门的重点关注，随着新农村建设的大潮开始，更多的新政策开始颁布，新的研究也随之展开。2009年北方地区开始试运行《严寒和寒冷地区农村住宅节能技术的导则》，对农村地区民用建筑的结构、采暖通风、照明炊事等方面的节能工作都提出了具体的措施和建议。

2.2 外围护结构的节能规范

我国自开展建筑节能工作以来，已经颁布了多项建筑节能标准，如《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》等。为了结合农村地理、人文、经济条件进行更好的节能工作，2009年试运行了《严寒和寒冷地区农村住宅节能技术的导则》，对严寒和寒冷地区的农村住房围护结构传热系数给出了规定限值。2012年中华人民共和国住建部联合中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局共同发布了《农村居住建筑节能设计标准》，也对农村住宅围护结构的传热系数给出了明确的规范。

表3 严寒和寒冷地区农村住房维护结构传热系数限定值

3 热泵在农村地区的应用

热泵是利用电力驱动的可再生能源设施，可以通过少量的能源消耗将多达四到五倍的热量逆温差运输，可以兼顾冬季供暖与夏季制冷，是一种高效节能的产品，应用潜力巨大。

根据数据统计，随着热泵技术的不断成熟，加之政策的推动，在京津冀地区，2016年有超过18万农户完成了空气源热泵的供暖改造，2017年有超过45万农户完成了空气源热泵供暖改造，热泵成为了京津冀地区最理想的清洁供暖方式。

 

4 节能方式经济规律探讨 

在京津冀地区新农村建设与改造过程中，为了达到更好的节能环保效果，采取更经济的改造措施，应该充分发挥农村地区优势，将建筑结构改造与二次能源补充共同利用起来。如何因地制宜，找到最经济的方式，将各种节能措施统合利用起来，是未来农村新型节能建筑发展的重要课题。

4.1 农村基准建筑热负荷模型建立

选取北京地区某农村典型一层住宅作为模板，假设二人家庭居住，墙体采用370mm砖墙，利用Dest-h热负荷模拟软件进行模拟计算，选择北京的气象参数以及供暖规定，用Dest-h软件进行热负荷模拟，结果如下：

表4 建筑热负荷模拟结果

4.2 外围护结构改造经济性分析

    建筑节能的最基本方式就是外围护结构的保温性能改造，在京津冀地区，传统的370mm砖墙在冬季的室外气温下热量损耗极大，如果采用建筑岩棉作为保温层进行外围护结构内保温改造，同时更换门窗，进行经济性计算，并画出折线图如下表：

表5 建筑外围护结构改造费用曲线

可以看出，如果仅使用增加保温层、改装门窗的方式进行节能改造，改造费用几乎成指数曲线上涨，也就是说，仅仅依靠外围护结构改造的方式达到节能要求是不经济且不现实的。

4.3二次能源补充经济型分析

如果在建筑节能改造的过程中，采取二次清洁能源抵消传统能源的消耗，以空气源热泵为例，根据市场调查，假设初投资为4.5万元，供暖性能不限。北京地区在供暖期间采用的峰谷电价机制，晚上21：00至第二天6：00的电价为0.1元/（kW·h），其余时间的电价为0.4883元/（kW·h），加权平均电价为0.3589元/（kW·h），去0.1的维护费用系数，加入到总运行费用中，得出经济性曲线与围护结构改造如图所示：

从图中可以得出，空气源热泵作为二次能源的补充，其投资价格是呈线性上涨的，由于前期设备投入的问题，当节能百分比小于73%时，不能体现其经济性，但在高节能百分比的前提下，用二次能源补充建筑能耗就具有很好的经济优势。

4.4供暖方式经济效益对比

在北方地区，冬季供暖的主要改造形式包括电力供暖和天然气供暖两种，适合农村单户家庭使用的是空气源热泵与天然气壁挂炉两种方案，现以上文计算得出的热负荷模型为基准，在不考虑外围护结构节能的情况下对比两种改造方式的经济效益，首先基于等热值方法对天然气与热泵系统替代煤炭燃烧供暖的能源消耗量进行计算，公式如下：

式中:为供暖供热总量, MJ;LHV为低位发热量, MJ/kg或MJ/m3;η为供暖效率, %;M为燃煤量, kg;V代表天然气消耗量, m3;COP为热泵性能系数;为燃煤电站供电效率， 为输电效率  ；i代表煤炭燃烧锅炉供暖方式；j代表天然气壁挂炉供暖方式;t为电媒介空气源热泵供暖方式。 

根据煤炭供暖与天然气供暖技术、热泵技术现状，以及京津冀地区经济条件气候条件，调查得到计算所需的基本数据如下表：

表6 燃料效率计算数据

根据上述数值以及等热值法，可以计算得到采用燃煤供暖、天然气壁挂炉供暖和空气源热泵供暖的能源消耗分别为3888.49kg燃煤，2336.58m³天然气和2680.24kg燃煤。

总和考虑天然气壁挂炉供暖和热泵供暖的经济性，需要考虑供暖系统的初投资、年运行费用以及燃料价格和电价，综合评定供暖系统的年综合投资采用下式计算：

式中，f代表初投资，initial代表供暖系统全年消耗燃料或电费，O代表运行维护的费用，取系统初投资的10%，CRF代表成本回收系数，与供暖设备的寿命（i）以及折现率（k）相关，公式如下：

   

根据市场调查，取基本参数如下表：

表7 供暖方式市场数据

原燃煤供暖锅炉只需考虑其年燃料费用以及锅炉房的运行费用，煤炭价格取600元每吨。  

根据基本参数和公式，得出三种供暖情况的年总经济支出如下表：

表8 供暖方式年总支出

有表可见，采用空气源热泵系统的年综合费用要低于天然气壁挂炉供暖系统，虽然天然气壁挂炉供暖系统的初投资比空气源热泵供暖系统要低，但是热泵的年用电费用要远远低于使用天然气的年费用。

此外，根据调查资料显示，空气源热泵供暖系统产生的污染物，包括烟尘、二氧化硫、氮氧化物等，其减排成本为53.4元/kg,天然气壁挂炉供暖系统的减排成本为67.6元/kg。从环保效益来说，空气源热泵供暖系统也要优于天然气壁挂炉供暖系统。并且随着技术的进一步发展，热泵系统的初投资也会随之降低，优势会更进一步展现。

 

4 结论

京津冀农村地区若想实现高节能率，高经济性的节能目标，则要充分利用农村地区低建筑密度的优势，在围护结构改造的基础上，补充一定的二次能源。

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