菏澤地區(qū)新農(nóng)宅冬季室內(nèi)熱環(huán)境的優(yōu)化研究

趙西平，葛碧秋，閆海燕

（1.西安建筑科技大學(xué) 建筑學(xué)院，陜西 西安 710055；2.河南理工大學(xué) 建筑與藝術(shù)學(xué)院，河南 焦作 454000）

0 引言

自新農(nóng)村建設(shè)以來，農(nóng)村住宅不斷建造，其數(shù)量大、范圍廣。與此同時(shí)，新建的現(xiàn)代農(nóng)宅缺乏對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的基本關(guān)注，簡(jiǎn)單的構(gòu)造致使現(xiàn)代農(nóng)宅熱工性能很差，北方農(nóng)戶冬季室內(nèi)溫度過低、南方農(nóng)宅夏季室內(nèi)悶熱潮濕[1]。許多新農(nóng)宅仍以自建房為主，缺乏科學(xué)的指導(dǎo)，在GB/T 50824—2013《農(nóng)村居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》實(shí)施之前建造的新農(nóng)村住宅并沒有考慮到節(jié)能和室內(nèi)熱舒適性，故新農(nóng)宅存在著能耗大、室內(nèi)熱環(huán)境差的問題。

菏澤市位于山東省西南部，地處黃河下游，屬于溫帶季風(fēng)氣候，且具有大陸性的特征，四季相當(dāng)分明。根據(jù)GB 50176—93《民用建筑熱工設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，菏澤地區(qū)屬于建筑熱工設(shè)計(jì)分區(qū)中的寒冷地區(qū)，必須滿足冬季保溫要求，但農(nóng)村地區(qū)非集中供暖，而是采用部分采暖，導(dǎo)致能源利用率較低、室內(nèi)熱環(huán)境分布不均勻。為降低建筑能耗、提高室內(nèi)熱環(huán)境質(zhì)量，本文對(duì)菏澤地區(qū)新農(nóng)宅冬季室內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行了測(cè)試，針對(duì)存在的室內(nèi)熱環(huán)境較差、建筑能耗較大的問題進(jìn)行原因分析，并采用計(jì)算機(jī)模擬方法對(duì)提出的改善措施進(jìn)行模擬分析，確定其可行性。

1 測(cè)試情況

1.1 測(cè)試對(duì)象

選取菏澤地區(qū)傅小廟的一所典型新農(nóng)宅，其平面布局如圖1所示，該新農(nóng)宅（包括院落）南北長(zhǎng)為18 m，東西寬為11 m，正房為兩層，南向的配房和門房均為一層，屋頂設(shè)置可上人露臺(tái)。墻體材料采用最普遍的240 mm的實(shí)心黏土磚，窗戶采用單層鋁合金窗，屋頂為坡屋頂，與平屋頂形成空氣隔層，地面為水泥地面上貼地磚。冬季室內(nèi)以普通火爐及空調(diào)取暖。

1.2 測(cè)試方案

測(cè)試儀器采用溫濕度自動(dòng)記錄儀，對(duì)典型新農(nóng)宅室內(nèi)外溫濕度進(jìn)行記錄。測(cè)試時(shí)間為2015年2月1～3日，設(shè)置溫度自記儀每60 min記錄1次數(shù)據(jù)。測(cè)試期間該農(nóng)宅各空間正常使用。新農(nóng)宅的測(cè)點(diǎn)布置見圖1，測(cè)試點(diǎn)A設(shè)置在院落內(nèi)，測(cè)試室外溫濕度，測(cè)試點(diǎn)B和E設(shè)置在無采暖設(shè)施的客廳，測(cè)試點(diǎn)C設(shè)置在一層有普通火爐采暖的南向主臥室，測(cè)試點(diǎn)D設(shè)置在二層有空調(diào)采暖的南向主臥室，各測(cè)點(diǎn)均設(shè)在距地面1.5 m處。

圖1 荷澤某新農(nóng)宅溫濕度測(cè)點(diǎn)布置

1.3 測(cè)試結(jié)果分析

1.3.1 空氣溫度

新農(nóng)宅冬季室內(nèi)外溫度變化曲線見圖2。在測(cè)試時(shí)間段內(nèi)，室外平均溫度為-1.6℃；室外最高溫度出現(xiàn)在一天中的中午11：00-12：00間，最高溫度為4.8℃；室外最低溫度出現(xiàn)在一天中的早上06：00-07：00間，最低溫度為-6.5℃。

圖2 新農(nóng)宅冬季室內(nèi)外溫度變化曲線

由圖2可知，室內(nèi)溫度普遍偏低。由于無采暖設(shè)備且人員活動(dòng)較為密集，門扇頻繁開啟，使得一樓客廳空氣溫度維持在較低水平，平均溫度為1.1℃。一樓臥室平均溫度為3.6℃，一天內(nèi)溫度變化較為平緩，但始終高于一樓客廳，這是由于臥室采用了火爐采暖。二樓客廳溫度高于一樓客廳，原因是二樓人員活動(dòng)較少。二樓臥室平均溫度為7.0℃，最高溫度達(dá)到19.1℃，峰值出現(xiàn)在19：00-22：00時(shí)間段內(nèi)，晚飯后到入睡前，主要在臥室活動(dòng)，該臥室在此時(shí)間段使用了空調(diào)采暖。除二樓臥室空調(diào)采暖時(shí)間段內(nèi)，該新農(nóng)宅各房間平均溫度均低于14℃，不符合GB/T 50824—2013中的規(guī)定。

1.3.2 空氣濕度

新農(nóng)宅冬季室內(nèi)外濕度變化曲線見圖3。由圖3可見，室外相對(duì)濕度范圍處于42.7%～69.1%，平均值為56.5%。由于農(nóng)村住宅密閉性不好，特別是客廳的門經(jīng)常處于開啟狀態(tài)，所以農(nóng)宅的室內(nèi)濕度基本和室外的相對(duì)濕度保持一致狀態(tài)。依據(jù)GB 50736—2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)舒適性空氣調(diào)節(jié)室內(nèi)計(jì)算溫度應(yīng)符合冬季溫度18～24℃，相對(duì)濕度30%～60%。

圖3 新農(nóng)宅冬季室內(nèi)外濕度變化曲線

從溫濕度測(cè)試結(jié)果可以看出：

（1）菏澤地區(qū)冬季室內(nèi)相對(duì)濕度處于GB 50736—2012要求范圍內(nèi)。但是詢問當(dāng)?shù)鼐用?，大多感覺冬季待在室內(nèi)還是感覺比較干燥，這是由于北方地區(qū)冬季干冷的氣候狀態(tài)導(dǎo)致的。

（2）菏澤地區(qū)新農(nóng)宅冬季室內(nèi)溫度偏低，遠(yuǎn)不能滿足居民的正常生活，更不符合GB/T 50824—2013規(guī)定的農(nóng)村住宅室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度應(yīng)≥14℃的標(biāo)準(zhǔn)，人們只有通過火爐采暖和空調(diào)采暖來獲取熱量，除火爐自身熱效率低外，更重要的是由于新農(nóng)宅在建造過程中缺乏技術(shù)指導(dǎo)，工藝簡(jiǎn)單，導(dǎo)致建筑熱負(fù)荷增大，能耗加劇。熱負(fù)荷受以下2個(gè)方面因素的影響：（1）圍護(hù)結(jié)構(gòu)與空氣滲透的熱損失是熱負(fù)荷增長(zhǎng)的因素；（2）采集太陽(yáng)輻射熱是熱負(fù)荷減少的因素[2]。本文主要探討第（1）種影響因素。通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱量可表示為式（1）：

式中：Q——通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱量，W/m2；

△t——室內(nèi)外溫差，K；

F——圍護(hù)結(jié)構(gòu)的面積，m2；

K——圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)，W/（m2·K）。

由式（1）可知，要想降低通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱量以達(dá)到室內(nèi)熱舒適、減少建筑熱負(fù)荷的目的，需降低室內(nèi)外溫差、圍護(hù)結(jié)構(gòu)的面積或圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)，又因?yàn)槭覂?nèi)外溫差是無法改變的，因此還需要對(duì)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以提高建筑的熱工性能，保障建筑室內(nèi)的熱舒適。

2 外圍護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

在進(jìn)行外圍護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化之前，針對(duì)該農(nóng)宅外圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造進(jìn)行調(diào)研，并計(jì)算各圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)，見表1。農(nóng)宅的圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造層次單一，除了必要的保護(hù)層和少量面層，建筑材料多為直接裸露，易受外界環(huán)境影響且耐久性差，進(jìn)而導(dǎo)致室內(nèi)的溫度波動(dòng)幅度較大[3]。

表1 外圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造及傳熱系數(shù)

2.1 外墻優(yōu)化方案

農(nóng)村居民的經(jīng)濟(jì)條件相對(duì)落后，外墻大都使用實(shí)心黏土磚，未做任何保溫處理，熱工性能很差，其外墻傳熱系數(shù)較高，造成冬季室內(nèi)熱環(huán)境惡劣。外墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的主要組成部分，其核心改造思想是盡可能提高其熱工性能[4]。

現(xiàn)行的墻體保溫有3種類型：內(nèi)保溫、外保溫、夾芯保溫。外墻外保溫在節(jié)能方面表現(xiàn)比較突出，可以使外墻結(jié)構(gòu)部分受到保護(hù)，降低溫度應(yīng)力起伏，提高結(jié)構(gòu)耐久性[1]；承重層的熱容量一般都遠(yuǎn)大于保溫層，可以大量蓄熱，有利于結(jié)構(gòu)及房間的熱穩(wěn)定性；外保溫使熱橋處的熱損失減少，并能防止熱橋內(nèi)表面局部結(jié)露；外保溫在不影響住戶生活的情況下即可進(jìn)行施工，也不會(huì)占用室內(nèi)使用面積。因此，對(duì)于節(jié)能改造建筑，外保溫是優(yōu)先被選用的保溫形式。

保溫材料目前常見的有EPS板、XPS板、巖棉板、保溫砂漿等，綜合考慮該熱工性能及各方面條件，最終確定采用EPS板作為優(yōu)化后的保溫材料。

2.2 外窗優(yōu)化方案

窗戶是建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中輕質(zhì)透明的構(gòu)件，室內(nèi)采暖空調(diào)的能耗受窗戶的影響很大[5]。外窗有引進(jìn)太陽(yáng)輻射的有利方面，又有因傳熱損失和冷風(fēng)滲透的不利方面，是保溫性能較低的構(gòu)件。由表1可知，該農(nóng)宅選用單層鋁合金窗，傳熱系數(shù)較大，導(dǎo)致大量熱量散失，加之窗戶氣密性較差，造成冷風(fēng)滲透。

因此，必須選用保溫性能好的門窗，才能保證建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)該部分的保溫性能。目前改善玻璃保溫性能的方法有增加窗扇層數(shù)、使用普通中空玻璃或Low-E玻璃等、使用密封條密封膠等提高窗戶密閉性、減少冷風(fēng)滲透，綜合考慮各材料的熱工性能、光學(xué)性能及造價(jià)，最終選擇普通中空玻璃（空氣層12 mm）作為優(yōu)化后的外窗玻璃材料。

2.3 屋頂優(yōu)化方案

屋頂作為建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的重要組成部分，與外墻相似，未作任何保溫處理，會(huì)造成熱量大量損失。在該農(nóng)宅中，有平屋頂和坡屋頂2種類型，針對(duì)2種屋頂各自不同特點(diǎn)，分別采用不同的保溫措施。平屋頂優(yōu)化方案為：將保溫層設(shè)置在防水層上面，這樣不僅起到了保溫作用，有可能完全消除內(nèi)部結(jié)露，還防止防水層直接暴露在大氣中，受日曬和交替凍融等作用而老化或破壞，提高結(jié)構(gòu)的耐久性[6]。坡屋頂優(yōu)化方案為：?jiǎn)卧O(shè)保溫層，并設(shè)有吊頂空氣間層，利用空氣導(dǎo)熱系數(shù)小，具有良好的絕熱作用這一特點(diǎn)，進(jìn)一步加強(qiáng)坡屋頂?shù)谋匦Ч?。?為優(yōu)化后新農(nóng)宅外圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造及傳熱系數(shù)。

表2 優(yōu)化后新農(nóng)宅外圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造及傳熱系數(shù)

由表1、表2可見，優(yōu)化后的外墻、外窗、屋頂?shù)膫鳠嵯禂?shù)均小于優(yōu)化前的，且均符合GB/T 50824—2013的規(guī)定。相同室內(nèi)外溫度條件下，傳熱系數(shù)越小，通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳遞的熱量就越少，建筑物損失的熱量減少，從而降低了建筑能耗，這也初步驗(yàn)證了優(yōu)化方案的可行性。

3 優(yōu)化方案可行性驗(yàn)證

3.1 建立模型

為了進(jìn)一步驗(yàn)證優(yōu)化方案的可行性，依據(jù)GB/T 50824—2013，采用Design Builder軟件，建立三維建筑模型，對(duì)優(yōu)化后的新農(nóng)宅進(jìn)行室內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行模擬及分析。

3.2 模型參數(shù)及模擬時(shí)間的確定

以當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù)為建筑的外在環(huán)境條件模擬優(yōu)化方案在該地區(qū)的室內(nèi)熱環(huán)境狀況。

依據(jù)實(shí)測(cè)情況對(duì)模型進(jìn)行各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置。在臥室1設(shè)置火爐采暖，假設(shè)每個(gè)火爐每天消耗6 kg的生物質(zhì)燃料，熱效率為 40%，則火爐的功率為：P=15.55×106 J×6 kg×40%×（24×60×60）=431.9 W，因此每個(gè)火爐熱源的功率按431.9 W設(shè)定，臥室3用空調(diào)采暖，空調(diào)功率按600 W設(shè)定，其他房間無采暖設(shè)備；房間的氣密性按2次/h；窗玻璃選用3 mm厚無色透明玻璃；寒冷地區(qū)農(nóng)村居民冬季人體衣著量為1.98 clo；根據(jù)GB/T 50033—2013《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中有關(guān)居住建筑采光系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值要求，室內(nèi)采光照度按300 lx設(shè)定。

模擬時(shí)間選擇與測(cè)試時(shí)間一致，得出2月1～3日各房間逐時(shí)的溫度分布情況。

3.3 模擬結(jié)果及分析

3.3.1 室內(nèi)熱環(huán)境模擬

優(yōu)化后的新農(nóng)宅室內(nèi)各房間的逐時(shí)溫度變化見圖4。

圖4 優(yōu)化后新農(nóng)宅室外房間溫度變化曲線

從圖4可以看出：

（1）優(yōu)化后各房間溫度變化趨勢(shì)都較優(yōu)化前穩(wěn)定，隨室外溫度波動(dòng)幅度不大。

（2）一樓臥室最高溫度達(dá)到22.5℃，平均溫度為16.5℃；一樓客廳最高溫度為18.0℃，平均溫度為14.6℃，二者溫度變化曲線隨室外溫度變化趨勢(shì)是一致的，這是由于一樓臥室及客廳均為南向，受到太陽(yáng)輻射熱作用，而一樓臥室溫度始終高于一樓客廳，這是由于一樓客廳人員出入較為密集且無采暖設(shè)備，而一樓臥室采用火爐采暖。但由于火爐采暖效率不及空調(diào)采暖，故安裝了空調(diào)的二樓臥室最高溫度為26.3℃，平均溫度為23.3℃，均高于火爐采暖的一樓臥室。二樓客廳的最高溫度為24.3℃，平均溫度為20.7℃，均高于一樓客廳，這是因?yàn)槎径强蛷d環(huán)境較為密閉，門始終處于關(guān)閉狀態(tài)。

模擬結(jié)果顯示，進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化后的新農(nóng)宅室內(nèi)熱環(huán)境較優(yōu)化前有了較大的提升，且各房間室內(nèi)平均溫度均優(yōu)于GB/T 50824—2013規(guī)定的限值（≥14℃）。進(jìn)一步說明上述優(yōu)化方案的可行性。

3.3.2 能耗模擬

建筑節(jié)能也是解決我國(guó)今后能源緊缺問題的有效途徑之一[7]。在建立優(yōu)化前基礎(chǔ)模型的基礎(chǔ)上，分別針對(duì)該農(nóng)宅3種外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案進(jìn)行能耗模擬，得出各個(gè)房間的全年建筑能耗，提取前文測(cè)試中涉及的一樓臥室、一樓客廳、二樓臥室、二樓客廳4個(gè)房間的模擬數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5 外圍護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后新農(nóng)宅室內(nèi)各房間全年能耗

由圖5可以得出，對(duì)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化后，各房間的全年總能耗均小于優(yōu)化前的能耗，說明優(yōu)化方案有利于節(jié)約建筑能耗。由于一樓臥室采用普通火爐取暖，熱效率不高，故其能耗相比各房間是最高的，二樓臥室雖利用空調(diào)采暖，但空調(diào)也只在每晚19：00-22：00有人員活動(dòng)時(shí)運(yùn)行，所以能耗也不高。外墻優(yōu)化方案的全年能耗相比優(yōu)化前全年能耗有一定降低，但降低幅度不大。而屋頂、外窗的優(yōu)化方案能耗降低明顯，且降低幅度差不多。若僅采用單一圍護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，對(duì)于建筑能耗的降低不太理想，因此同時(shí)對(duì)該新農(nóng)宅的外墻、屋頂、外窗優(yōu)化方案進(jìn)行能耗模擬，得到外圍護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后新農(nóng)宅全年能耗如表3所示。

由表3可知，以優(yōu)化前基礎(chǔ)模型的全年能耗為基準(zhǔn)，該新農(nóng)宅外墻優(yōu)化方案的節(jié)能率為11.3%，外窗優(yōu)化方案的節(jié)能率為21.5%，平屋頂、坡屋頂?shù)膬?yōu)化方案節(jié)能率分別為25.9%、22.7%，與優(yōu)化前相比，優(yōu)化方案外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能率為36.2%。

表3 外圍護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后新農(nóng)宅全年能耗

4 結(jié)語(yǔ)

（1）測(cè)試數(shù)據(jù)表明菏澤地區(qū)新農(nóng)宅室內(nèi)溫度范圍為：0～10℃，室內(nèi)平均溫度偏低，遠(yuǎn)低于GB/T 50824—2013規(guī)定的農(nóng)村住宅室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度應(yīng)≥14℃的要求，室內(nèi)熱環(huán)境水平偏低。

（2）基于菏澤地區(qū)新農(nóng)宅的現(xiàn)狀，綜合考慮就近取材及當(dāng)?shù)鼐用窠?jīng)濟(jì)狀況，提出了針對(duì)建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案。新農(nóng)宅建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案為：采用外墻外保溫系統(tǒng)，EPS板作為其保溫材料；外窗使用具有良好密閉性能的普通中空玻璃；采用平屋頂?shù)怪檬轿菝?，利用空氣間層的低導(dǎo)熱系數(shù)來提高坡屋頂?shù)谋匦阅堋?/p>

（3）通過模擬優(yōu)化后的新住宅方案，結(jié)果表明，新農(nóng)宅的臥室、客廳等主要功能空間的室內(nèi)熱舒適性得到了大幅度的改善，同時(shí)也符合GB/T 50824—2013中農(nóng)村住宅室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度的要求。同時(shí)，外圍護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的新農(nóng)宅全年建筑能耗也明顯降低，外墻優(yōu)化后節(jié)能11.3%，外窗優(yōu)化后節(jié)能21.5%，平屋頂優(yōu)化后節(jié)能25.9%，坡屋頂優(yōu)化后節(jié)能22.7%。采用該優(yōu)化方案可節(jié)能36.2%。

[1] 金玲，趙立華，孟慶林，等.廣東地區(qū)農(nóng)村住宅室內(nèi)熱環(huán)境優(yōu)化研究[J].土木建筑與環(huán)境工程，2015（3）：116-126.

[2] 劉元.寒冷地區(qū)住宅適宜性節(jié)能構(gòu)造技術(shù)研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué)，2007.

[3] 劉晉.改善重慶農(nóng)村住宅室內(nèi)熱環(huán)境的設(shè)計(jì)研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2010.

[4] 尹西竹，劉亞蘭，王佳.圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性對(duì)寒冷地區(qū)建筑節(jié)能的影響分析[J].建筑節(jié)能，2016（9）：56-58.

[5] 田飛.青島地區(qū)新農(nóng)村住宅居住環(huán)境的節(jié)能設(shè)計(jì)研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué)，2012.

[6] 劉加平.建筑物理[M].4版.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2009.

[7] 江億.超低能耗建筑技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2005.