冀東沿海穿堂式農(nóng)宅冬季室內(nèi)熱濕環(huán)境實(shí)測(cè)及節(jié)能改造分析

張 峰 趙金玲 朱禹昊 韓 雪

（大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部 大連 116024）

0 引言

根據(jù)國(guó)家發(fā)改委等十部委聯(lián)合發(fā)布的《北方地區(qū)冬季清潔取暖規(guī)劃（2017-2021年）》，北方地區(qū)農(nóng)村供熱平均綜合能耗為27kgce/m2，約為城鎮(zhèn)建筑的1.4 倍[1]?！扒鍧嵐⒐?jié)約用”是農(nóng)村清潔取暖的基本路徑。盡管我國(guó)已經(jīng)于2013年發(fā)布《農(nóng)村居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[2]，但是由于各地農(nóng)宅的營(yíng)造模式、建筑材料和施工水平差異較大，既有農(nóng)宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能差仍是取暖能耗大的主要原因，從需求側(cè)上提高農(nóng)宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能、降低取暖能耗是農(nóng)村地區(qū)清潔取暖的重要前提。

京津冀地區(qū)人口密集，常住1 億人口的四成以上是農(nóng)村人口，因此，京津冀地區(qū)的農(nóng)村建筑節(jié)能是重中之重。河北省東部的唐山、秦皇島等地區(qū)瀕臨渤海，當(dāng)?shù)剞r(nóng)宅的營(yíng)造模式與內(nèi)陸地區(qū)有所差別。王斐[3]對(duì)冀東濱海鄉(xiāng)村住居形態(tài)的調(diào)查研究表明：穿堂式三開(kāi)間農(nóng)宅是唐山、滄州及秦皇島等地區(qū)農(nóng)宅的主要形式。穿堂式農(nóng)宅設(shè)計(jì)不僅方便居民通行，還能夠強(qiáng)化自然通風(fēng)，在湖南、安徽等南方潮濕炎熱地區(qū)也有較多應(yīng)用[4]。對(duì)于冀東沿海地區(qū)農(nóng)宅，岳麗芳[5]基于DeST 軟件分析唐山市農(nóng)宅本體節(jié)能改造的節(jié)能潛力，發(fā)現(xiàn)墻體保溫改造的節(jié)能率可達(dá)33%，屋面保溫改造的節(jié)能率可達(dá)12%；嚴(yán)龍山[6]對(duì)秦皇島市農(nóng)村進(jìn)行了風(fēng)光互補(bǔ)供暖系統(tǒng)研究，經(jīng)濟(jì)性分析表明該系統(tǒng)壽命周期在20年以上時(shí)，每年可平均節(jié)省采暖費(fèi)用400 余元；薛會(huì)文[7]設(shè)計(jì)了適宜河北省的太陽(yáng)能生物質(zhì)能互補(bǔ)采暖房，改造后室內(nèi)溫度可達(dá)14℃以上。對(duì)于冀東附近地區(qū)農(nóng)宅的研究，陳夢(mèng)源[8]以天津市農(nóng)宅為例，基于PHPP 和Matlab 軟件對(duì)節(jié)能改造方案進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性分析，以降低門(mén)窗傳熱系數(shù)、提高太陽(yáng)得熱系數(shù)為主的節(jié)能改造方案?？傮w上看，關(guān)于冀東沿海地區(qū)農(nóng)宅節(jié)能的研究多聚焦于清潔能源互補(bǔ)采暖系統(tǒng)的研發(fā)，針對(duì)冀東沿海農(nóng)宅建筑構(gòu)造特點(diǎn)的節(jié)能改造研究有待深入。

為分析冀東沿海農(nóng)宅室內(nèi)環(huán)境現(xiàn)狀及主要成因、制定因地制宜的農(nóng)宅節(jié)能改造方案，本文對(duì)唐山地區(qū)沿海農(nóng)宅進(jìn)行實(shí)測(cè)研究，分析地域氣候及圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工水平對(duì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)宅室內(nèi)環(huán)境的影響，提出以熱緩沖空間為主的節(jié)能改造方案，并通過(guò)數(shù)值模擬預(yù)測(cè)改造后室內(nèi)熱環(huán)境，為當(dāng)?shù)剞r(nóng)宅節(jié)能改造技術(shù)提供理論依據(jù)。

1 實(shí)測(cè)農(nóng)宅概況

1.1 地理位置及氣候特點(diǎn)

冀東沿海地區(qū)（唐山、秦皇島等）屬暖溫帶濱海半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)型氣候，春季干燥多風(fēng)，夏季悶熱多雨，秋季晝暖夜寒，冬季寒冷少雪。最冷月平均氣溫-4.1～-7.7 ℃，最熱月平均氣溫24.9～26.6℃[10]；年平均日照時(shí)數(shù)2527.8h，年總太陽(yáng)輻照量5.0～5.3GJ/m2[11]。為了考察冀東沿海與京津冀內(nèi)陸地區(qū)氣候的差別，以唐山市樂(lè)亭縣作為冀東沿海地區(qū)代表，與同緯度的北京、保定兩市進(jìn)行氣候參數(shù)對(duì)比[12]，如圖1所示。冀東沿海地區(qū)的氣候特點(diǎn)表現(xiàn)在：受海洋蓄熱作用影響，春夏季溫度低于內(nèi)陸地區(qū)2～3℃；相對(duì)濕度明顯高于內(nèi)陸地區(qū)，冬季室外空氣相對(duì)濕度在55%以上；太陽(yáng)輻射水平與同緯度內(nèi)陸地區(qū)比較接近；春夏過(guò)渡季室外風(fēng)速最大可近3.5m/s，同期高于內(nèi)陸地區(qū)0.5m/s。

圖1 冀東沿海與同緯度內(nèi)陸地區(qū)氣候參數(shù)對(duì)比Fig.1 Comparison of Climate Parameters between Eastern Hebei Coast and Inland Areas at the Same Latitude

1.2 穿堂式農(nóng)宅建筑布局

冀東沿海農(nóng)宅的院落布局一般呈矩形。主房位于院落中間，坐北朝南，南北有院，各農(nóng)戶(hù)之間的主房東西向聯(lián)排呈“一字型”。主房的典型構(gòu)造為穿堂式三開(kāi)間，如圖2所示。堂屋設(shè)置在中間，南北均設(shè)置外門(mén)，連通南北院子，便于居民進(jìn)出。廚房位于堂屋南門(mén)進(jìn)口處，臥室位于堂屋的東西兩側(cè)。

圖2 冀東沿海地區(qū)典型穿堂式農(nóng)宅平面示意圖Fig.2 Layout of Typical Coastal Through-hall Rural House in Eastern Hebei

1.3 實(shí)測(cè)農(nóng)宅基本信息

本研究以唐山市樂(lè)亭縣的農(nóng)宅為對(duì)象開(kāi)展實(shí)測(cè)研究。樂(lè)亭縣（東經(jīng)39°，北緯119°）海岸線(xiàn)長(zhǎng)達(dá)100 多公里，有河北省沿海第一縣之稱(chēng)，緊鄰京唐港、曹妃甸港兩大港區(qū)，交通便利，經(jīng)濟(jì)發(fā)展良好，當(dāng)?shù)鼐用裢饬魃?，?duì)該地區(qū)農(nóng)宅進(jìn)行節(jié)能改造具有較大實(shí)用價(jià)值。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)考察，當(dāng)?shù)氐牡湫娃r(nóng)宅采用穿堂式三開(kāi)間布局，約占農(nóng)宅總數(shù)的90%以上。典型農(nóng)宅一般于2010年前建成，采用磚木結(jié)構(gòu)，屋頂使用葦簾作為防潮層，采暖設(shè)備以火炕和土暖氣為主。另外，當(dāng)?shù)剡€有少量新型農(nóng)宅，多為近10年內(nèi)新建的農(nóng)宅，布局上保留了穿堂式構(gòu)造，采用磚混結(jié)構(gòu)，使用以爐灶為熱源的地板采暖系統(tǒng)，房間布局多樣化，于南北側(cè)增加了南向陽(yáng)光間和北向熱緩沖空間。本研究在當(dāng)?shù)氐湫娃r(nóng)宅和新型農(nóng)宅中各選取一戶(hù)作為實(shí)測(cè)對(duì)象，實(shí)測(cè)農(nóng)宅的平面圖如圖3所示，建筑熱工基本信息列于表1。

圖3 實(shí)測(cè)農(nóng)宅建筑平面圖Fig.3 Layout of Measured Rural House

表1 實(shí)測(cè)農(nóng)宅基本信息Table 1 Basic Information of the Measured Rural Houses

續(xù)表1 實(shí)測(cè)農(nóng)宅基本信息

1.4 測(cè)試方法

于2019年1月11日至1月15日對(duì)典型農(nóng)宅和新型農(nóng)宅同時(shí)進(jìn)行連續(xù)5 天的實(shí)測(cè)，對(duì)兩戶(hù)農(nóng)宅主要房間溫度、相對(duì)濕度及室內(nèi)風(fēng)速、風(fēng)溫進(jìn)行測(cè)試。測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。溫濕度自記儀（型號(hào)：Testo 175-H1；測(cè)試精度：0.1℃）測(cè)點(diǎn)布置于房間中心區(qū)域附近，遠(yuǎn)離采暖設(shè)備，另外為防止太陽(yáng)輻射對(duì)實(shí)測(cè)結(jié)果產(chǎn)生影響使用錫箔紙包裹儀器探頭；風(fēng)速儀（型號(hào)：WFWZY-1；測(cè)試精度：0.1m/s、0.1℃）布置于堂屋門(mén)口附近。

2 典型農(nóng)宅和新型農(nóng)宅室內(nèi)熱濕環(huán)境參數(shù)分析

2.1 農(nóng)宅室內(nèi)溫度的變化及分布

測(cè)試期間，典型農(nóng)宅和新型農(nóng)宅室內(nèi)外逐時(shí)溫度變化曲線(xiàn)如圖4所示，各房間溫度分布如圖5所示。結(jié)合圖4 與圖5 可見(jiàn)，典型農(nóng)宅東、西臥室的室內(nèi)溫度70%以上時(shí)間高于12℃，廚房溫度高于12℃的時(shí)間不足20%，北向房間日最高溫度低于10℃。采暖與非采暖房間之間溫度差距較大，日平均溫度相差近8℃。新型農(nóng)宅東、西臥室的室內(nèi)溫度近70%以上時(shí)間高于14℃，北臥室也有60%的時(shí)間高于12℃，各房間日平均溫度相差低于5℃。

圖4 農(nóng)宅各房間逐時(shí)溫度變化Fig.4 Temperature Change in Each Room of the Rural Houses

圖5 農(nóng)宅各房間溫度分布Fig.5 Temperature Distribution in Every Room of the Rural Houses

由于靠近經(jīng)常開(kāi)啟的南外門(mén)，圖4 中典型農(nóng)宅的廚房溫度日較差為10℃，新型農(nóng)宅的客廳溫度日較差為6～7℃，是溫度波動(dòng)最劇烈的房間，也是造成建筑熱損失的關(guān)鍵區(qū)域。由于沒(méi)有南向熱緩沖空間，典型農(nóng)宅廚房溫度日較差比新型農(nóng)宅客廳高50%以上。

《農(nóng)村居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[2]規(guī)定，寒冷地區(qū)農(nóng)宅室內(nèi)計(jì)算溫度應(yīng)取14℃，其條文說(shuō)明指出：80%的農(nóng)戶(hù)認(rèn)為13～16℃是冬季較為舒適的采暖室內(nèi)溫度。因此，本研究取室內(nèi)溫度在14±2℃時(shí)較為適宜。由此，典型農(nóng)宅僅有南向臥室的室內(nèi)溫度70%以上的時(shí)間處于舒適區(qū)，廚房?jī)H有20%的時(shí)間溫度高于12℃，北向房間日最高溫度不足10℃。而新型農(nóng)宅全部房間60%以上的時(shí)間處于舒適區(qū)。

2.2 農(nóng)宅相對(duì)濕度

受海洋氣候影響，冀東沿海農(nóng)宅冬季室內(nèi)濕環(huán)境較為適宜。如圖6所示，實(shí)測(cè)期間室外平均相對(duì)濕度約為65%；新型農(nóng)宅相對(duì)濕度水平略低于典型農(nóng)宅，典型農(nóng)宅室內(nèi)平均相對(duì)濕度約為45%，新型農(nóng)宅室內(nèi)平均相對(duì)濕度在35%～40%之間。

圖6 農(nóng)宅主臥相對(duì)濕度Fig.6 Relative Humidity of Bedrooms in Rural Houses

2.3 堂屋入口處風(fēng)速

典型農(nóng)宅和新型農(nóng)宅南向外門(mén)附近的室內(nèi)風(fēng)速及風(fēng)溫變化曲線(xiàn)如圖7所示。從風(fēng)速變化趨勢(shì)上看，兩戶(hù)農(nóng)宅日間風(fēng)速普遍高于夜間，最大相差近0.1m/s；對(duì)比兩戶(hù)農(nóng)宅的風(fēng)速，日間兩戶(hù)農(nóng)宅風(fēng)速水平比較接近，夜間新型農(nóng)宅風(fēng)速低于典型農(nóng)宅，最大相差0.5m/s。從測(cè)點(diǎn)處空氣溫度上看，新型農(nóng)宅堂屋入口處空氣溫度高于典型農(nóng)宅10℃以上，夜間兩者溫度相差不大。南向陽(yáng)光間對(duì)室內(nèi)風(fēng)速水平的影響不大，但是其日間堂屋入口處溫度水平有所提高，削弱冷風(fēng)侵入、冷風(fēng)滲透的傳熱損失。

圖7 農(nóng)宅室內(nèi)堂屋風(fēng)環(huán)境Fig.7 Wind Environment of the Hall of the Rural House

2.4 農(nóng)宅室內(nèi)環(huán)境影響因素分析

2.4.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工水平的影響

針對(duì)典型農(nóng)宅，由表1 可知，所測(cè)試的農(nóng)宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)普遍低于寒冷地區(qū)農(nóng)村建筑傳熱系數(shù)限值（門(mén)窗傳熱系數(shù)限值2.5W/(m2·K)；外墻傳熱系數(shù)限值0.65W/(m2·K)；屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)限值0.50W/(m2·K)；地面?zhèn)鳠嵯禂?shù)限值1.6W/(m2·K)）[12]，其中門(mén)窗與傳熱限值的差距最大，門(mén)窗當(dāng)前傳熱系數(shù)是傳熱系數(shù)限值的兩倍。

當(dāng)?shù)剞r(nóng)宅的施工比較粗糙，尤其是外門(mén)、外窗、墻角等節(jié)點(diǎn)處存在明顯的熱橋效應(yīng)。如圖8（a）所示，典型農(nóng)宅的外門(mén)邊框溫度比墻體高5.1℃。如圖8（b）和（c）所示，典型農(nóng)宅墻角處溫度比非缺陷處低5.3℃，新型農(nóng)宅的墻角處溫度也比非缺陷處低約3.4℃。

圖8 建筑熱工缺陷內(nèi)外表面紅外圖像Fig.8 Infrared Images of Internal and External Surfaces of Building Thermal Defects

另外，穿堂式的建筑布局使得門(mén)窗換熱面積增加、冷粉滲透也有所加劇，進(jìn)而導(dǎo)致傳熱熱損失增加、堂屋溫度日較差增大。

2.4.2 采暖系統(tǒng)和設(shè)備使用不當(dāng)?shù)挠绊?/p>

農(nóng)宅冬季室內(nèi)溫度水平及溫度分布受到采暖設(shè)備末端布置范圍和散熱能力的影響。如圖9所示，對(duì)于典型農(nóng)宅，在非做飯期間土暖氣的供水一般為40℃左右，散熱器表面與室內(nèi)空氣的溫差較低。此外，土暖氣只布置在南向臥室，造成南北向房間溫差較大。

圖9 采暖末端表面紅外圖像Fig.9 Infrared Images of Radiator Surfaces

對(duì)于新型農(nóng)宅，地板輻射采暖系統(tǒng)可明顯提高室內(nèi)舒適性。但是，由于設(shè)計(jì)和施工不規(guī)范，存在地下盤(pán)管間距過(guò)大問(wèn)題，造成局部空間溫度分布不均勻，地暖盤(pán)管處與非地暖盤(pán)管處溫差最大可達(dá)5.3℃。

3 典型農(nóng)宅的熱緩沖空間節(jié)能改造及效果分析

鑒于冀東沿海農(nóng)宅的冬季室內(nèi)環(huán)境特點(diǎn)及成因分析，本研究主要從圍護(hù)結(jié)構(gòu)角度針對(duì)典型農(nóng)宅進(jìn)行節(jié)能改造方案分析。

結(jié)合《被動(dòng)式太陽(yáng)能建筑技術(shù)規(guī)范》[13]及冀東沿海新型農(nóng)宅的熱緩沖空間營(yíng)造模式，提出對(duì)典型農(nóng)宅增設(shè)南向陽(yáng)光間的改造方案，其目標(biāo)功能是在較低圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造成本條件下削弱南向圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱橋的熱損失，并降低冷風(fēng)侵入和冷風(fēng)滲透熱損失。典型農(nóng)宅節(jié)能改造前后的示意圖如圖10所示。

圖10 典型農(nóng)宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能改造前后示意圖Fig.10 Layout of the Typical Rural House before and after Envelope Energy Saving Renovation

為了預(yù)測(cè)南向陽(yáng)光間的節(jié)能效果，本研究利用DesignBuilder 軟件進(jìn)行建模。陽(yáng)光間的設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)置為進(jìn)深2m、窗墻比80%，為了對(duì)比不同類(lèi)型門(mén)窗對(duì)陽(yáng)光間傳熱的影響，分別選取常用的塑鋼門(mén)窗（K=5.0W/(m2·K)）和斷橋鋁雙層玻璃門(mén)窗（K=2.5W/(m2·K)）進(jìn)行分析。選擇典型氣象年[12]冬至日12月23日至12月24日的氣象數(shù)據(jù)，對(duì)典型農(nóng)宅沒(méi)有山墻的東臥室進(jìn)行節(jié)能改造效果數(shù)值模擬分析。

典型農(nóng)宅增設(shè)陽(yáng)光間前后東臥室的溫度模擬結(jié)果如圖11所示。增設(shè)陽(yáng)光間后，東臥夜間最低溫度比改造前上升1.5～2.5℃；日較差從4.5℃下降至3℃。此外，改造后12:00～18:00 溫度變化幅度不足1℃，而改造前同期溫度變化幅度約為2℃。

圖11 陽(yáng)光間改造前后東臥溫度對(duì)比分析Fig.11 Comparison Analysis of the Temperature of the East Bedroom before and after the Sunspace Renovation

圖12（a）對(duì)比分析了陽(yáng)光間門(mén)窗保溫性能提高對(duì)陽(yáng)光間內(nèi)空氣溫度的影響，陽(yáng)光間門(mén)窗傳熱系數(shù)下降后，陽(yáng)光間12 點(diǎn)之后的溫度下降趨勢(shì)變緩，其夜間最低溫度提高了2～3℃。圖12（b）反映了陽(yáng)光間改造后對(duì)東臥室窗戶(hù)傳熱量的影響，該傳熱量主要包括窗戶(hù)日照得熱和傳熱損失，圖12（b）中傳熱量為正表示日照得熱大于傳熱損失，傳熱量為負(fù)表示夜間傳熱損失。可見(jiàn)陽(yáng)光間改造后雖然東臥窗戶(hù)日照得熱有所下降，但其全天總傳熱損失減小。

圖12 陽(yáng)光間改造對(duì)比分析Fig.12 Comparative Analysis of Sunsapce Renovation

4 結(jié)論

（1）據(jù)調(diào)研及實(shí)測(cè)結(jié)果，冀東沿海地區(qū)典型農(nóng)宅各房間中僅主臥溫度較為舒適，其他房間溫度較低。當(dāng)?shù)剞r(nóng)宅南側(cè)堂屋溫度日較差同比最大，是熱損失比較嚴(yán)重的區(qū)域。

（2）冀東沿海地區(qū)農(nóng)宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能不佳，其表現(xiàn)在圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)不滿(mǎn)足當(dāng)?shù)剞r(nóng)宅傳熱系數(shù)限值要求，建筑節(jié)點(diǎn)熱橋效應(yīng)明顯；在采暖設(shè)備上，存在散熱表面溫度不高、散熱末端布置不合理等問(wèn)題。此外，穿堂式設(shè)計(jì)加劇冷風(fēng)侵入現(xiàn)象，傳熱損失增加導(dǎo)致。

（3）實(shí)測(cè)表明熱緩沖空間可改善穿堂式設(shè)計(jì)對(duì)室內(nèi)環(huán)境的影響，因此通過(guò)能耗模擬分析陽(yáng)光間的改造效果。改造后夜間最低溫度上升2～3℃，主臥溫度日較差降低1.5℃，且提高門(mén)窗傳熱系數(shù)可進(jìn)一步提高陽(yáng)光間及臥室室內(nèi)溫度水平，降低傳熱損失。