北方農(nóng)村住宅供熱能耗實(shí)測(cè)與分析

于克成， 譚羽非， 李佳楠

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 建筑學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱 150006； 2.寒地城鄉(xiāng)人居環(huán)境科學(xué)與技術(shù)工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 黑龍江 哈爾濱 150090)

1 概述

我國(guó)農(nóng)村地區(qū)人口眾多，建筑面積龐大，農(nóng)村建筑基本是自建[1]。農(nóng)村用能主要以村鎮(zhèn)建筑炊事、供暖、熱水、照明和家電等生活用能為主[2]。根據(jù)《中國(guó)能源統(tǒng)計(jì)年鑒2017》，目前農(nóng)村地區(qū)生活消費(fèi)用能已占全國(guó)商品能源消費(fèi)總量的15.6%[3]。地處嚴(yán)寒地區(qū)的北方各省，冬季供暖耗能更占到農(nóng)村地區(qū)生活消費(fèi)用能的80%以上[4]。

近年來(lái)很多學(xué)者對(duì)既有建筑的能耗測(cè)量進(jìn)行了研究。鄧琴琴等人[5]對(duì)4種不同的圍護(hù)結(jié)構(gòu)建筑進(jìn)行了能耗測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明外保溫結(jié)構(gòu)能有效削弱建筑的熱橋效應(yīng)，減少熱量流失。秦力等人[6]對(duì)學(xué)生公寓的建筑能耗進(jìn)行了測(cè)試，發(fā)現(xiàn)圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)超標(biāo)同時(shí)室內(nèi)溫度過(guò)熱，存在著設(shè)計(jì)不合理等問(wèn)題。馬鵬飛等人[7]對(duì)既有建筑的能耗進(jìn)行了測(cè)試分析，并分析了建筑朝向及位置對(duì)建筑能耗的影響。根據(jù)檢索的資料可知，目前對(duì)東北不同類型農(nóng)宅的供熱能耗，還沒(méi)有系統(tǒng)全面的比較測(cè)試。

本文選取了吉林省榆樹(shù)縣于家鎮(zhèn)五家村3棟農(nóng)宅作為測(cè)試對(duì)象，連續(xù)測(cè)試了冬季室內(nèi)外溫度變化以及維持室內(nèi)溫度的耗電量，計(jì)算分析能耗狀況，為北方農(nóng)宅的建筑節(jié)能提供理論依據(jù)。

2 被測(cè)農(nóng)宅建筑概況

1號(hào)農(nóng)宅為新型節(jié)能型住宅，農(nóng)宅的東西向尺寸為12 m，南北向尺寸為8 m，高4 m。外墻厚度為500 mm，外墻為240 mm厚非粘土實(shí)心磚墻+100 mm厚EPS苯板與120 mm厚非粘土實(shí)心磚墻+內(nèi)、外抹灰。外窗為雙層玻璃窗，長(zhǎng)2.7 m，高1.8 m，南北各3個(gè)，尺寸相同。外門1個(gè)，寬0.9 m，高2.4 m。地面采取了相關(guān)的保溫措施(50 mm厚的EPS苯板+50 mm厚混凝土+面層等，共厚110 mm)，第一地帶面積80 m2，第二地帶面積32 m2。屋面也采取了保溫措施(100 mm厚的EPS苯板+石膏板+水泥砂漿+油毛氈)。

2號(hào)農(nóng)宅的東西向尺寸為14 m，南北向尺寸為8.5 m，高3 m。外墻結(jié)構(gòu)與1號(hào)農(nóng)宅相同，外窗和外門類型、尺寸、數(shù)量也均與1號(hào)農(nóng)宅相同。屋面、地面未采取保溫措施，地面第一地帶面積90 m2，第二地帶面積42 m2，第三地帶面積3 m2。

3號(hào)農(nóng)宅的東西向尺寸為11.5 m，南北向尺寸為8 m，高2.8 m。外墻為370 mm普通磚墻。玻璃窗為單層塑鋼窗，南北各2個(gè)，尺寸相同，長(zhǎng)1.5 m，高1.5 m。外門1個(gè)，寬0.9 m，高2.2 m，外門兩側(cè)的小窗已被封死。屋面、地面均未采取保溫措施，地面第一地帶面積78 m2，第二地帶面積30 m2。3棟被測(cè)農(nóng)宅建筑的外觀分別見(jiàn)圖1～3。

圖1 1號(hào)農(nóng)宅外觀

圖2 2號(hào)農(nóng)宅外觀

圖3 3號(hào)農(nóng)宅外觀

3 測(cè)試原理與方案

3.1 建筑物室內(nèi)、外溫度測(cè)點(diǎn)布置及數(shù)據(jù)處理

建筑物內(nèi)每個(gè)臥室和客廳各布置一個(gè)室溫測(cè)點(diǎn)(共布置了3個(gè)室溫測(cè)點(diǎn))，建筑室外布置一個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)。采用溫度采集記錄器(見(jiàn)圖4)對(duì)室內(nèi)、外溫度同步測(cè)量，記錄時(shí)間間隔為5 min。后續(xù)進(jìn)行建筑耗熱量計(jì)算時(shí)的室內(nèi)外溫度取測(cè)試得到的室內(nèi)外平均溫度。

圖4 溫度采集記錄器

3.2 墻體傳熱系數(shù)測(cè)試

對(duì)農(nóng)宅外墻進(jìn)行了傳熱系數(shù)測(cè)量。在現(xiàn)場(chǎng)采用熱阻式熱流計(jì)(包含熱流傳感器、溫度傳感器)進(jìn)行測(cè)量。熱流傳感器采用粘貼式安裝，安裝在墻體的內(nèi)表面上，為避免形成空氣熱阻，采用凡士林粘貼。溫度傳感器安裝在被測(cè)墻體兩側(cè)表面，熱電偶與被測(cè)表面的接觸形式采用等溫線接觸。

墻體熱流密度及其內(nèi)、外表面溫度測(cè)量數(shù)據(jù)采用BES-G智能多路溫度、熱流檢測(cè)儀(見(jiàn)圖5)自動(dòng)儲(chǔ)存，記錄時(shí)間間隔為15 min。利用測(cè)量獲得的墻體內(nèi)外表面溫度差以及墻體熱流密度，即可求得墻體的熱阻，進(jìn)一步得到墻體的熱導(dǎo)率，然后結(jié)合對(duì)流傳熱系數(shù)得到總的傳熱系數(shù)。

圖5 BES-G智能多路溫度、熱流檢測(cè)儀

3.3 建筑物累計(jì)耗能量測(cè)試

被測(cè)農(nóng)宅采用電散熱器分時(shí)段間歇供暖(每天22：00至次日5：00 運(yùn)行)，采用三相電能表集中計(jì)量檢測(cè)持續(xù)時(shí)間內(nèi)電散熱器的累計(jì)耗電量。

3.4 測(cè)試方案及儀器

本次農(nóng)宅能耗測(cè)試的時(shí)間段為：2017年11月20日至2017年12月2日。測(cè)試期間通過(guò)在室內(nèi)布置電散熱器供暖以維持室內(nèi)溫度，采用電散熱器的總耗電量作為農(nóng)宅總能耗?？偤碾娏繙y(cè)量結(jié)束后，通過(guò)下式計(jì)算建筑物單位面積能耗：

(1)

式中Φ——建筑物單位面積能耗，W/m2

Q——檢測(cè)持續(xù)時(shí)間內(nèi)建筑物的累計(jì)耗電量，MJ

A——建筑物總建筑面積，m2

t——檢測(cè)持續(xù)時(shí)間，h

在測(cè)試過(guò)程中，由于室內(nèi)溫度存在波動(dòng)，不能保證不同農(nóng)宅的室內(nèi)外溫差相同，因此將能耗計(jì)算結(jié)果折算到標(biāo)準(zhǔn)氣象條件下，以進(jìn)行不同農(nóng)宅的能耗對(duì)比。計(jì)算方法如下：

(2)

式中Φb——折算到標(biāo)準(zhǔn)氣象條件下建筑物的單位面積供暖能耗,簡(jiǎn)稱折算單位面積供暖能耗,W/m2

θi——室內(nèi)計(jì)算溫度，℃，取18 ℃

θeh——供暖室外平均溫度，℃，查得榆樹(shù)縣供暖室外平均溫度為-9.5 ℃

θia、θea——檢測(cè)持續(xù)時(shí)間內(nèi)建筑物的平均室溫、室外平均溫度，℃

測(cè)試過(guò)程中所用儀器的型號(hào)、誤差范圍等基本信息見(jiàn)表1。

表1 測(cè)量?jī)x器基本信息

4 農(nóng)宅實(shí)測(cè)結(jié)果分析

4.1 室外溫度變化

測(cè)試期間室外溫度呈周期性變化，見(jiàn)圖6，室外平均溫度為-10.6 ℃，最高溫度為10.04 ℃，最低溫度為-21.02 ℃。

圖6 測(cè)試期間室外溫度變化曲線

4.2 室內(nèi)溫度變化

隨著室外氣溫的變化，室內(nèi)溫度也呈現(xiàn)出周期性變化，且變化趨勢(shì)與室外溫度大致相同，見(jiàn)圖7。前幾日室外溫度較高時(shí)，室內(nèi)溫度也相對(duì)較高，隨后溫度有所下降，且波動(dòng)趨于平穩(wěn)。測(cè)試1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)農(nóng)宅的室內(nèi)平均溫度分別為14.75 ℃、11.99 ℃、10.86 ℃，均低于民用建筑冬季供暖的室內(nèi)設(shè)計(jì)最低溫度16 ℃，說(shuō)明室內(nèi)熱舒適性存在提升的空間。

圖7 測(cè)試期間室內(nèi)溫度變化曲線

4.3 農(nóng)宅能耗測(cè)試結(jié)果分析

測(cè)試期間1號(hào)農(nóng)宅電散熱器用電3 179.48 MJ，2號(hào)農(nóng)宅電散熱器用電5 592.6 MJ，3號(hào)農(nóng)宅電散熱器用電6 560.6 MJ，將實(shí)測(cè)得到的用電量代入公式(1)即可得到3棟農(nóng)宅的實(shí)測(cè)能耗。

能耗計(jì)算時(shí)，地面耗熱量采用地帶法計(jì)算(只需要考慮保溫層的厚度和傳熱系數(shù))，苯板的傳熱系數(shù)為0.042 W/(m2·K)；外墻耗熱量根據(jù)實(shí)測(cè)的墻體傳熱系數(shù)計(jì)算；屋面耗熱量計(jì)算時(shí)傳熱系數(shù)取0.41 W/(m2·K)；門窗耗熱量計(jì)算時(shí)傳熱系數(shù)取2.7 W/(m2·K)；總耗熱量為以上各項(xiàng)計(jì)算結(jié)果之和。3棟農(nóng)宅的實(shí)測(cè)能耗及分項(xiàng)耗熱量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 3棟農(nóng)宅的實(shí)測(cè)能耗及分項(xiàng)耗熱量計(jì)算結(jié)果 W/m2

計(jì)算總耗熱量與實(shí)測(cè)能耗之間存在差異的原因主要是在計(jì)算耗熱量時(shí)未考慮冷風(fēng)滲透耗熱量。表2中不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算耗熱量的對(duì)比結(jié)果顯示外墻耗熱量占總耗熱量的比例較高。對(duì)墻體傳熱系數(shù)的測(cè)量結(jié)果顯示，3號(hào)農(nóng)宅的墻體傳熱系數(shù)為1.07 W/(m2·K)，而1、2號(hào)農(nóng)宅的新型保溫墻體傳熱系數(shù)為0.38 W/(m2·K)，比3號(hào)農(nóng)宅減少了70%。體現(xiàn)在外墻耗熱量上是1、2號(hào)農(nóng)宅相對(duì)于3號(hào)農(nóng)宅分別減少了45.3%、64.0%，可見(jiàn)采用保溫墻體能有效降低通過(guò)外墻的耗熱量，從而降低能耗。

為修正不同室內(nèi)溫度對(duì)能耗的影響，將不同農(nóng)宅的實(shí)測(cè)能耗根據(jù)式(2)折算到標(biāo)準(zhǔn)氣象條件下，然后進(jìn)行對(duì)比。折算單位面積供暖能耗對(duì)比見(jiàn)圖8。

圖8 折算單位面積供暖能耗對(duì)比

由圖8可知，2號(hào)農(nóng)宅相較于3號(hào)農(nóng)宅，由于采用了保溫墻體，可以有效減少通過(guò)外墻的熱量損失，單位面積能耗降低了33.8%。1號(hào)農(nóng)宅相對(duì)于2號(hào)農(nóng)宅，由于對(duì)地面以及屋頂進(jìn)行了保溫處理，單位面積能耗降低了35.0%。相比于3號(hào)農(nóng)宅這種傳統(tǒng)民居，采用保溫墻體的2號(hào)農(nóng)宅以及采用保溫墻體和地面、屋頂保溫的1號(hào)農(nóng)宅能有效降低單位面積供暖能耗。因此對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行保溫處理可以有效降低建筑能耗，以達(dá)到節(jié)能減排的目標(biāo)。

5 結(jié)論

① 1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)農(nóng)宅的室內(nèi)平均溫度分別為14.75 ℃、11.99 ℃、10.86 ℃，可見(jiàn)通過(guò)改善圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫性能可以有效地改善室內(nèi)熱環(huán)境。

② 相比于3號(hào)農(nóng)宅無(wú)保溫的墻體，1、2號(hào)農(nóng)宅均采用保溫墻體，能有效降低墻體傳熱系數(shù)，減少通過(guò)外墻的熱量損失。

③ 1、2號(hào)農(nóng)宅與3號(hào)農(nóng)宅對(duì)比，折算單位面積供暖能耗分別降低56.9%、33.8%，證明傳統(tǒng)農(nóng)宅存在很大的節(jié)能潛力，對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行保溫能有效降低單位面積能耗，達(dá)到節(jié)能減排的目標(biāo)。