京北浅山区乡村住宅外围护体系减碳技术浅析——以北京市昌平区十三陵镇大岭沟村为例

王紫茜 徐宗武

(1.河北建筑工程学院，河北 张家口 075000；
2.北京建筑大学 北京 100000)

为实现我国绿色可持续发展，为全球节能减排事业贡献力量，我国于2021年初提出“2030年实现碳达峰，2060年实现碳中和”的目标.积极承担大国责任，推动我国生态文明建设.2020年11月，中国建筑节能协会发布《中国建筑能耗研究报告(2020)》，指出2018年全国建筑全过程碳排放总量为49.3亿吨，占全国碳排放比重的51.3%.建筑领域的减碳行动，已成为我国实现“碳达峰”、“碳中和”目标的关键一环.

我国乡村人口大约8亿，乡村民用建筑面积大约为240m2，占全国房屋建筑面积的60%以上.乡村建筑绿色低碳化提升在我国建筑节能减碳事业中占有重要地位.我国于2022年6月3日出台《城乡建设领域碳达峰实施方案》.方案强调在打造绿色低碳乡村方面，要通过推进绿色低碳农房建设，提升农房绿色低碳设计建造水平，提高农房能效水平等工作，全面促进乡村节能降碳.随着乡村经济的发展和农民生活水平的提高，乡村住宅建造质量、舒适度重视程度越来越高，进行乡村住房节能改造，为农民营造一个温馨舒适的居住环境，是亟待解决的问题.

《北京市乡村振兴战略规划(2018—2022年)》提出：建设美丽宜居乡村.规划引领，典型示范，打造集中连片、点线面结合的美丽乡村风景线.由于多方面原因，京北浅山区乡村住宅在建设成本、节能减排性能均较平原地区更有待改善，但国内外对于针对京北山区地区的山地乡村住宅研究起步晚、类型少、关注度不高、研究成果少，亟待补充.

建筑外围护体系是建筑整体重要的组成部分.建筑外围护体系主要由外墙、门窗、屋面等部分组成.相关研究表明，建筑外围护体系综合性能是影响建筑碳排放的重要因素.建筑外围护体系减碳技术主要是对建筑我外围护体系通过更换材料、加保温层等手段提升建筑整体性能，达到运行阶段减少碳排放的目的，从而促进建筑整体的节能减碳.国内从20世纪80年代中期开始研究建筑外围护体系，并将研究技术广泛应用于建筑领域.但目前国内的建筑节能水平还远低于发达国家，建筑单位面积能耗仍是气候相近发达国家的3～5倍.因此，为促进乡村住宅减碳设计发展，需要在降低建筑整体碳排放量设计过程中，积极合理提升外围护体系综合性能.

本文针对京北浅山区的实际情况，经过多层次的模拟检验，开展乡村住宅外围护结构减碳技术研究，最终得出外围护结构减碳技术策略，为当地的乡村住宅提升设计提供借鉴依据.

本文根据实地调研、问卷调查等方法建立计算模型，采用斯维尔能耗BESI软件对北京市昌平区十三陵镇大岭沟村住宅运行过程中的空调及通风系数、人员活动等影响参数进行设定，从而对采暖、照明等能耗进行模拟.模拟后代入《建筑碳排放计算标准》中的公式，得出相对应的碳排放量.

通过逐步增加对单一变量的控制，分层次地进行外围护体系的设计模拟计算，最终总结出适用于该气候类型北方浅山区的外围护体系减碳技术措施.

图1 斯维尔能耗BESI软件模拟计算界面 图2 工程设定界面

3.1 当地住宅外围护体系概况

通过实地调研、问卷调查等方式，对大岭沟村主要住宅外围护体系类型情况统计得表1.

表1 当地主要住宅外围护体系主要情况统计

根据表1总结可以得出，当地主要住宅外围护体系组合类型多种多样，但由于大岭沟村近些年发展较为缓慢，“毛石砖墙+粘土瓦屋面+石灰地面+木门窗”这种较为原始的体系类型所占比重最大，占当地住宅的49.2%.下文以此种类型中的代表住宅进行建筑碳排放模拟计算，并进行外围护体系减碳策略研究.

3.2 代表住宅主要制冷供暖系统类型概况

通过实地走访、调查，统计“毛石砖墙+粘土瓦屋面+石灰地面+木门窗”类型的代表住宅主要制冷供暖系统类型，统计结果如下表2.

表2 代表住宅主要制冷供暖系统类型

由于地理位置及建造年代的原因，当地的制冷供暖系统较为原始，如表2所示，当地代表住宅主要制冷供暖系统类型为“自然通风+火炕”.

4.1 原始状态下代表住宅能耗及碳排放量模拟计算

运用斯维尔能耗BESI软件对上述住宅类型进行能耗模拟计算，得出代表住宅每年运行能耗如表3所示.

表3 代表住宅每年能耗模拟计算结果

将能耗数据代入公式，求得原始状态下代表住宅建筑年限30年内总碳排放量：

CYX=[30×{112×(0.208-0)×1000+0.69×(1158+1751-0)}-8100](kgCO2)=516096.3(kgCO2)=516.0963(tCO2)

(1)

(注：木材碳排放因子选自《碳排放计算标准》(GBT51366—2019)为112(tCO2/TJ),电力碳排放因子为中国2007-2011年电力碳排放因子平均值0.69(kgCO2/kW·h))

4.2 外保温材料优化设计检验

在斯维尔能耗BESI软件中建立代表住宅整体模型.控制好其他变量，在同等条件时，夏季室温维持在26℃、冬季室温达到18℃的前提下，将同等厚度的几种常见的保温材料分别加入至模型中，得到5个不同外保温材料的计算模型.分别计算每年建筑能耗及碳排放量，并与原始状态数据对比，得到图3.

图3 加入外保温材料前后代表住宅每年能耗及碳排放量对比

与原始状态相比，外墙加入外保温后，能耗及碳排放量大幅度降低，外墙外保温对降低建筑能耗总量有重要作用.

在同等条件、同等厚度、达到同等效果的前提下，多种外保温材料中，硬质聚氨酯(PU)降低能耗及碳排放量最多，效果最为显著.其次为挤塑聚苯板(XPS)和硬质酚醛(PF).

针对各外保温材料主要性能，结合当地的实际情况，对各保温材料进行综合性能分析，得到表4.

表4 常用保温材料主要性能对比

由表4分析可得：

(1)从燃烧性能上看，除模塑聚苯板(EPS)外，其他保温材料燃烧性能均为B1及以上.由于当地植被茂密，是易发生火灾的山区，模塑聚苯板(EPS)易燃烧，不适宜作为当地住宅外保温材料；

(2)由于当地属于山区，且附近有山泉，与城市相比湿度较大，外保温材料吸水率也是一个重要考量因素.模塑聚苯板(EPS)与岩棉板吸水率都较大，易受潮；
且二者抗压强度与其他保温材料相比偏低，施工难度大，不建议作为外保温材料.

(3)从施工难度上来看，硬质聚氨酯(PU)、硬质酚醛(PF)施工难度比其他三者小，且较为安全.使用寿命也较其他三种保温材料长.其他各方面性能较为优越.

(4)从价格上比较，硬质酚醛(PF)、硬质聚氨酯(PU)二者价格较高，且硬质酚醛(PF)比硬质聚氨酯(PU)价格高许多，但在吸水率及寿命方面不及硬质聚氨酯(PU).

4.3 外保温厚度设计检验

选取硬质聚氨酯(PU)(ρ=30)为例，改变外保温厚度，以10mm为梯度递增，计算传热系数.并根据《建筑节能与可再生能源利用通用规范》(GB 55015-2021)规定，寒冷B区居住建筑外墙传热系数不得高于0.60(W/m2·K).得到符合规定的不同厚度的硬质聚氨酯(PU)的传热系数如表5.

表5 硬质聚氨酯(PU)不同厚度性能对比

在同等条件、达到同等效果的前提下，控制其他变量，在斯维尔BESI能耗软件中只改变模型外保温厚度，得到同条件下、不同厚度的外保温为硬质聚氨酯(PU)(ρ=30)的计算模型，并分别进行建筑能耗及碳排放量模拟计算，得到图4.

图4 不同厚度外保温代表住宅每年能耗及碳排放量对比

由图4可得，在同等条件、达到同等效果的前提下，建筑供暖及制冷能耗及碳排放量随保温层厚度增加而减小，但减小趋势在逐渐放缓，在保温层厚度达到110mm后尤为明显.可见保温层厚度的改变带来的能耗及碳排放量减小效应在达到110mm后逐渐降低.

由于当地属于浅山区，施工难度、运输成本等均应作为外保温厚度的考量因素.综合各种因素，得到不同厚度保温层主要性能对比如表6.

表6 不同厚度保温层主要性能对比

综合表6的统计结果，为有效降低建筑能耗及碳排放量，结合价格、施工难度、运输成本等各种因素，大岭沟村选用硬质聚氨酯(PU)(ρ=30)作为外墙外保温时，保温层厚度最适宜在80～110mm.

4.4 门窗提升设计检验

外门窗是建筑外围护结构中传热系数最高的一部分，是影响建筑能耗及碳排放的重要部分.

在同等条件、外保温均为100mm厚硬质聚氨酯(PU)(ρ=30)、且达到同等效果的前提下，控制其他变量，在模型中只改变门的类型，得到几组只有门的类型不同的计算模型.通过斯维尔能耗BESI软件进行能耗及碳排放量模拟，并与原始状态能耗及碳排放量对比，得到图5.

图5 不同门类型代表住宅每年能耗及碳排放量对比

由图5可知，同等条件、达到同一效果的前提下，将外门更换为双层木制实体门能耗及碳排放量较原始状态降低量最多，环保度最高.其次为铝合金双层玻璃门.

由于当地属于浅山区，价格成本、使用寿命等均应作为考量因素.综合各种因素，得到不同类型门的主要性能对比如表7.

表7 不同门类型主要性能对比

经过综合性性能对比，铝合金双层玻璃门在价格方面比较适中，且使用寿命较长.能耗降低度及减碳效果均为第二位，是比较适宜当地的门的类型.

在同等外部条件、外保温均为100mm厚硬质聚氨酯(PU)(ρ=30)、门选用铝合金双层玻璃门、室内温度及采光等方面达到同等效果的前提下，控制其他变量，在模型中只改变窗的类型，得到几组只有窗的类型不同的计算模型.通过斯维尔能耗BESI软件进行能耗及碳排放量模拟，并与原始状态能耗及碳排放量对比得到图6.

图6 不同窗类型的代表住宅能耗及总碳排放量对比

由图6可见，同等条件、达到同一效果的前提下，将窗更换为木制单框低辐射双玻窗能耗及碳排放量降低量最多，环保度最高.其次为铝合金单框低辐射双玻窗.

根据当地实际情况，价格成本、使用寿命等均应作为考量因素.综合各种因素，得到不同类型窗的主要性能对比如表8.

表8 不同窗类型主要性能对比

由表8可知，虽然木制单框低辐射双玻窗能耗及碳排放量最低，但是当地属于浅山区，对窗的性能要求较高.木制低辐射双玻窗的使用寿命较低，易磨损，不适宜作为当地窗选用的类型.铝合金单框低辐射双玻窗价格虽然较高，但是性能优越，使用寿命长，不易磨损.

4.5 窗墙比设计检验

在之前部分设计研究的基础上，进行建筑窗墙比设计检验.在斯维尔能耗软件中设定好人员数量、照明参数等条件，外墙保温层为100mm硬质聚氨酯(PU)(ρ=30)、门选用铝合金双层玻璃门、窗选用铝合金单框低辐射双玻窗、室内温度及采光等方面达到同等效果的前提下，控制其他变量，在模型中只改变建筑窗墙比，得到8组只有建筑窗墙比不同的计算模型.通过斯维尔能耗BESI软件进行能耗模拟，得到其能耗及碳排放量如图7.

由图7数据可知，外围护体系减碳设计中不同窗墙比的能耗及碳排放量均小于原始状态.且在人员数量、照明参数等条件一致，外墙保温层为100mm硬质聚氨酯(PU)(ρ=30)、门选用铝合金双层玻璃门、窗选用铝合金单框低辐射双玻窗，室内温度及采光等方面达到同等效果的前提下，外墙窗墙比在小于0.35时，能耗及碳排放量随窗墙比的增加而降低.但在窗墙比大于0.35之后，能耗及碳排放量反而增加.

图7 不同窗墙比的代表住宅每年能耗及总碳排放量对比

4.6 减碳技术提升总节能减碳量及效益估算

经过3.2、3.3、3.4、3.5四节对代表住宅的多项提升后，最终设计的的住宅能耗及减碳量与原始状态对比如下表9.

表9 当地代表住宅技术提升前后性能对比

本次外围护体系减碳技术提升在30年建筑寿命内，与原始状态对比，节能率、减碳率均高达70%以上.

本文对北京市昌平区十三陵镇大岭沟村共63户乡村住宅进行实地调研，针对住宅外围护体系进行类型分析，根据数量占比确定研究类型.基于斯维尔能耗BESI软件，逐步进行多层次外围护体系提升方案模拟对比试验，结合当地的多元素目标优化需求，总结出当地适用性外围护体系减碳技术措施，构建当地代表住宅外围护体系多层次、多角度的减碳设计参考模式.主要结论如下：

(1)对于本文选取的代表住宅外保温材质方面，在同等条件、同等厚度、达到同等效果的前提下，外墙外保温采用硬质聚氨酯(PU)(ρ=30)碳排放量最低，节能率达到49.4%，减碳率达到66.9%.其次为挤塑聚苯板(XPS)和硬质酚醛(PF).综合燃烧等级、吸水率等因素，结合当地浅山区的地理位置与气候特征，硬质聚氨酯(PU)(ρ=30)在性能及价格等方面均较其他材料优秀，当地外保温材料宜选用硬质聚氨酯(PU)(ρ=30).

(2)经过对多种厚度的硬质聚氨酯(PU)(ρ=30)进行模拟对比计算，当厚度在小于110mm时，建筑能耗及碳排放量随着厚度增加而减小.但减小趋势在逐渐放缓，且在110mm后趋于平缓.同时，结合浅山区的施工难度、运输成本等因素综合考量，最终得出最适宜外保温厚度为80～110mm.

(3)门窗选型方面，木制门窗节能率与减碳率最高.但根据当地的实际情况，综合考虑原材成本、运输成本、使用寿命等多重因素，当地代表住宅门窗提升为“铝合金双层玻璃门+铝合金单框低辐射双玻窗”时，最符合当地现状及各方面的要求，且减碳率只较木制门窗低0.1%.

(4)窗墙比设计方面，通过斯维尔能耗BESI软件根据实际情况的模拟计算，当地代表住宅窗墙比采用0.3及以上时减碳效果最显著，减碳率达到73.4%以上.在窗墙比大于0.35之后，能耗及碳排放量反而增加.因此，大岭沟村住宅外围护体系设计时，不能一味地追求减少窗墙比.考虑到当地属于山地地形，冬季西北风强度较平原地区更大，在室内同一温度的前提下应考虑减小通风量，建议采用该范围的最小值0.3窗墙比作为改造后的窗墙比.

(5)本次设计最终具体参数如表10所示.

表10 当地代表住宅减碳技术提升性能参数指标

本研究最终方案与原始状态相比，节能率达到70.84%，减碳率达到95.92%.本次外围护体系减碳技术提升可为建筑节约约5万kW·h，换算后约为15t标准煤，减少碳排放495.0624吨，节省开支约2万元.本次设计较大程度上提升了当地外围护体系的保温及环保性能.

本研究于2020年开始进行，并于当地进行落地实践，为该气候类型的北方浅山区乡村住宅外围护体系减碳提升的发展提供理论依据和技术参考，且得到实施.