西北農(nóng)村住宅建筑熱工性能及節(jié)能策略分析

馬 超，劉艷峰，王登甲，王瑩瑩

（西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，西安 710055）

我國西北大部分地區(qū)處于嚴(yán)寒和寒冷氣候區(qū)，冬季室外空氣溫度較低，采暖期較長，農(nóng)村地區(qū)受經(jīng)濟發(fā)展水平限制，且農(nóng)村住宅建筑節(jié)能設(shè)計缺少相關(guān)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)做指導(dǎo)，農(nóng)村住宅建筑熱工性能較差，導(dǎo)致住宅建筑室內(nèi)熱環(huán)境差，建筑能耗大[1-2]．農(nóng)村建筑面積大，隨著經(jīng)濟的發(fā)展，人們對室內(nèi)熱環(huán)境要求的提高，建筑能耗所占比例越來越大，農(nóng)村建筑節(jié)能越來越受到重視，然而，西北地區(qū)太陽能資源豐富，農(nóng)村住宅建筑的節(jié)能潛力較大．

文獻(xiàn)[2-4]通過對西北地區(qū)鄉(xiāng)村建筑室內(nèi)熱環(huán)境的調(diào)查分析，發(fā)現(xiàn)住宅建筑冬季室內(nèi)溫度低、熱舒適性差且采暖能耗高．研究指出在西北地區(qū)采用被動式太陽能采暖技術(shù)可有效改善室內(nèi)熱環(huán)境[4-5]．對于農(nóng)村建筑可通過提高建筑圍護結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性能、門窗的密閉性能、充分利用太陽能等措施來降低建筑能耗[6-7]．然而目前尚未形成對西北農(nóng)村住宅建筑熱工現(xiàn)狀的典型描述，仍缺少開展農(nóng)村住宅建筑節(jié)能技術(shù)的熱工基礎(chǔ)．

西北地區(qū)地域跨度大，各地農(nóng)村住宅建筑形式和圍護結(jié)構(gòu)構(gòu)造形式等有其地域性特點，然而同類型建筑，如磚瓦建筑，其圍護結(jié)構(gòu)材料相差不大，且建筑能耗評價的方法和參數(shù)一致．因此，可以西北地區(qū)農(nóng)村住宅熱工參數(shù)和能耗分析統(tǒng)一歸納處理．本文以問卷調(diào)查的方法對西北地區(qū)農(nóng)村住宅建筑形態(tài)、圍護結(jié)構(gòu)構(gòu)造形式及材料進行調(diào)查統(tǒng)計，并對建筑體形系數(shù)、窗墻比、外圍護結(jié)構(gòu)熱工性能和建筑能耗進行分析，提出適宜于西北農(nóng)村住宅建筑建筑節(jié)能和采暖策略，同時也為西北農(nóng)村建筑具體節(jié)能技術(shù)實施提供基礎(chǔ)熱工參數(shù)．

1 調(diào)查統(tǒng)計

于2011年12月至2012年3月以及2012年11月至2013年3月，通過問卷調(diào)查的方式對西北農(nóng)村住宅建筑形態(tài)、圍護結(jié)構(gòu)構(gòu)造形式、建筑熱工條件等進行問卷調(diào)查．調(diào)查共收回有效問卷360份，調(diào)查地區(qū)涵蓋陜西、甘肅、寧夏、青海和新疆西北五省農(nóng)村地區(qū)．

問卷具體調(diào)查內(nèi)容包括建筑形態(tài)、建筑朝向，建筑外墻、屋頂、外窗、外門、地面等圍護結(jié)構(gòu)構(gòu)造形式、尺寸、材料、厚度等．通過對問卷統(tǒng)計分析，獲得建筑體形系數(shù)、窗墻比、圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)等熱工性能等．

2 調(diào)查結(jié)果分析

西北農(nóng)村住宅建筑主要分為磚瓦建筑、生土建筑和窯洞建筑．西北地區(qū)農(nóng)村住宅建筑中磚瓦建筑所比例最大，約為67.4%，生土建筑和窯洞建筑分別約為24.8%和7.8%．由于窯洞建筑具有明顯的地區(qū)性，建筑圍護結(jié)構(gòu)形式和熱工性能與其他住宅建筑不同，其節(jié)能技術(shù)措施有別于其他建筑類型，因此，研究對象主要為磚瓦建筑和生土建筑，不包括窯洞建筑．

2.1 建筑體形系數(shù)

根據(jù)調(diào)查分析，西北農(nóng)村住宅建筑體形系數(shù)平均值約為0.9．體形系數(shù)大于0.9的建筑，所占比例約為45.5%．西北農(nóng)村建筑多為獨立式建筑，層數(shù)較少，多為一層，一般建筑有二面或三面外墻，因此體形系數(shù)較大．

2.2 窗墻比

西北農(nóng)村住宅建筑大多是正面開窗．南、東、西和北向窗墻比平均值分別約為 0.17、0.14、0.14和0.12．可見西北農(nóng)村建筑窗墻比相對較?。谖鞅碧柲苜Y源豐富地區(qū)及較豐富地區(qū)，冬季窗戶太陽輻射得熱量和窗戶與室外空氣傳熱失熱量之差隨窗墻比變大而變大[8]．因此，增大南向窗墻比，同時增強夜間外窗保溫，有利于建筑被動太陽能利用以及降低建筑能耗．

2.3 建筑圍護結(jié)構(gòu)熱工性能分析

統(tǒng)計分析獲得外墻、屋面、外窗、地面和外門類型及傳熱系數(shù)，其傳熱系數(shù)值根據(jù)文獻(xiàn)[9-10]取值或計算而得．

2.3.1 建筑外墻熱工性能

在西北地區(qū)農(nóng)村住宅建筑中，外墻類型主要有實心磚、生土、石材、混凝土、空心磚、多孔磚墻等，外墻內(nèi)壁面多進行水泥砂漿或草泥漿抹灰，基本未進行保溫．如圖1，外墻中實心磚墻所占比例最高，約53.8%，其次為生土墻，所占約為28.5%．實心磚墻中，240墻和370墻所占比例較大，分別約為68.6%和20.0%．生土墻厚度主要在300～600 mm之間，且主要以400 mm為主，所占生土墻比例約51.4%．空心磚和多孔磚墻所占比例較少約為4.6%．可見外墻多為厚重型墻體，墻體材料蓄熱性能好．

圖1 外墻類型Fig.1 The types of exterior wall

在農(nóng)村住宅建筑中，由于外墻類型較多，且以磚墻居多，為對比外墻的熱工性能，根據(jù)磚墻傳熱系數(shù)大小對外墻進行分類，如表1．由表1可知，外墻類型一所占比例最大，約為52.3%，且傳熱系數(shù)大于等于2.15 W/(m2·K)，其次為類型三，所占比例為23.1%，所占比例最小為類型四，約為5.4%．由于外墻基本未進行保溫，外墻熱工性能整體較差，外墻傳熱系數(shù)平均值約為1.98 W/(m2·K)，平均熱惰性指標(biāo)為4.14．

表1 外墻類型及熱工參數(shù)Tab.1 The types and thermal parameter of external walls

2.3.2 建筑屋頂熱工性能

在西北地區(qū)，建筑屋頂?shù)男问街饕衅挛蓓敽推轿蓓敚挛蓓斔急壤^多，約為59.7%，坡屋頂結(jié)構(gòu)主要為小青瓦/紅機瓦+草泥漿+木板，并多以木構(gòu)架作為屋頂骨架，坡屋頂厚度主要為 120 mm左右．平屋頂約占比例為40.3%，平屋頂結(jié)構(gòu)主要以澆筑混凝土和樓板為主，其中樓板使用率較高，約占平屋頂 58.3%，平屋頂厚度主要在 150～200 mm之間．

從調(diào)查中可知，屋頂大多未不進行保溫，因此傳熱系數(shù)相對較大，坡屋頂和平屋頂?shù)膫鳠嵯禂?shù)約2.27 W/(m2·K)和 3.05 W/(m2·K)．屋頂平均傳熱系數(shù)約為2.52 W/(m2·K)，平均熱惰性指標(biāo)為3.87．住宅建筑中，有吊頂?shù)奈蓓斀ㄖs占51%，吊頂?shù)牟牧鲜且允喟搴湍景鍨橹鳎蹴數(shù)脑O(shè)置增強了屋頂隔熱性能．

表2 主要屋頂類型及熱工參數(shù)Tab.2 The main types and thermal parameter of roofs

2.3.3 建筑外窗熱工性能

1）外窗熱工性能

住宅建筑外窗窗框材料主要有木質(zhì)、塑料、鋁合金和鐵質(zhì)窗框等，其中木質(zhì)框利用率最高，約為68.0%，其次為鐵質(zhì)和鋁合金框，約為27.8%．外窗層數(shù)主要為單層和雙層，其中單層窗使用率最高，約為79.9%．

由表3可知，外窗整體熱工性能較差，外窗傳熱系數(shù)平均值為4.74 W/(m2·K)．

表3 外窗類型及熱工性能Tab.3 Types and thermal parameter of external windows

2）外窗內(nèi)置窗簾的類型

住戶建筑中，外窗設(shè)置窗簾建筑所占比例約81.2%；外窗無窗簾的建筑所占比例約18.7%．內(nèi)置窗簾主要有布簾、棉簾和紗簾，其中以布窗簾為主，所占比例約75.0%，棉簾和紗簾所占比例分別約為14.3%和11.6%．

在冬天夜間，外窗設(shè)置窗簾更能有效的減少冷風(fēng)滲透和冷風(fēng)侵入耗熱量，內(nèi)置窗簾使窗戶內(nèi)側(cè)與窗簾之間形成空氣層，從而增大了外窗熱阻，文獻(xiàn)[11]顯示外窗內(nèi)置窗簾后，對于單層窗，設(shè)置棉簾、布簾和紗簾，其附加熱阻值分別大約0.22，0.19和0.18 m2·K/W，外窗總傳熱系數(shù)分別可減小約55%，54%和50%；對于雙層窗，其附加熱阻值分別可增大約0.21，0.17和0.16 m2·K/W，外窗總傳熱系數(shù)分別減小約40%，32%和30%．可見外窗夜間設(shè)置窗簾可有效增強外窗熱工性能．

2.3.4 建筑外門熱工性能

住宅建筑的外門主要以木門為主，所占比例為71.0%，鐵門和鋁合金門所占比例分別為 26.1%和2.9%木質(zhì)外門傳熱系數(shù)在4.65 m2·K/W左右，鐵門和鋁合金門傳熱系數(shù)一般要大于木質(zhì)外門．可見住宅建筑外門熱工性能較差．在冬季，約55.1%的住戶外門設(shè)置保溫棉簾，保溫門簾設(shè)置可有效減少外門傳熱損失．

2.3.5 建筑地面熱工性能

在西北農(nóng)村住宅建筑中，地面結(jié)構(gòu)從上到下主要是面層、結(jié)合層、墊層和地基．地面按面層材料分主要有生土地面、實心磚地面、瓷磚地面、水泥地面和水磨石地面等．生土和實心磚地面墊層主要為生土，墊層厚度約300 mm；瓷磚、水泥、水磨石地面墊層主要為碎石混凝土，墊層厚度約 100 mm．建筑主要以磚和生土地面為主，所占比例的約52.3%，瓷磚、水泥和水磨石地面，占總比例約37.7%．地面均未進行保溫，根據(jù)文獻(xiàn)[12]可得周邊地面和非周邊地面?zhèn)鳠嵯禂?shù)分別約為 0.34和 0.08 W/(m2·K)．

3.黑社會組織。如前所述，目前我國大陸還不存在黑社會組織這種有組織犯罪的最高發(fā)展形態(tài)。從現(xiàn)階段的國情以及“打黑”形勢來看，在未來一段時間內(nèi)，我國大陸出現(xiàn)黑社會組織的可能性非常小。

3 建筑能耗分析

根據(jù)對西北農(nóng)村建筑形式和熱工現(xiàn)狀調(diào)查分析結(jié)果以及相關(guān)文獻(xiàn)[13-14]對西北農(nóng)村建筑形式描述，選擇典型住宅建筑，并確定其建筑體形系數(shù)、窗墻比和圍護結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)，對其進行能耗分析．典型建筑為平屋頂、三開間獨立式建筑．建筑長寬高分別為 12、4.5和 3.5 m．建筑體形系數(shù)為0.9，南向和北向窗墻比為分別為 0.17和 0.12．根據(jù)西北農(nóng)村住宅建筑圍護結(jié)構(gòu)熱工現(xiàn)狀，確定圍護結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)如表4．

表4 典型建筑圍護結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)Tab.4 Envelope thermal parameter of the typical building

為改善農(nóng)村住宅建筑室內(nèi)熱環(huán)境狀況，使室內(nèi)采暖設(shè)計達(dá)到城市住宅建筑水平，取建筑室內(nèi)采暖設(shè)計溫度為18℃，根據(jù)文獻(xiàn)[12,15]建筑物耗熱量指標(biāo)和采暖耗煤量指標(biāo)計算方法，可得到西北主要城市農(nóng)村住宅建筑外圍護結(jié)構(gòu)耗熱量、建筑耗熱量和采暖耗煤量如表5．

由表5可知，西北農(nóng)村住宅建筑采暖能耗平均值約為150.1 W/m2，年均耗煤量約為97.4 kg/m2．其中外墻熱損失較大，約占建筑總耗熱量51.2%，其次為屋頂，約占32.8%，外窗熱損失相對較小，約占7.9%．我國20世紀(jì)80年代初居住建筑通用設(shè)計采暖能耗為年采暖耗煤量為25 kg/m2．可見西北農(nóng)村住宅建筑達(dá)到城市建筑采暖設(shè)計水平時，農(nóng)村住宅建筑能耗比80年代城市居住建筑能耗高3倍，農(nóng)村建筑熱工設(shè)計遠(yuǎn)未達(dá)到城市建筑沒進行節(jié)能設(shè)計前水平．

表5 外圍護結(jié)構(gòu)及建筑耗熱量(W/m2)Tab.5 The external envelope and heat consumption of the building

4 建筑節(jié)能策略建議

通過對西北農(nóng)村住宅建筑熱工性能和能耗分析，可知建筑體形系數(shù)較大、圍護結(jié)構(gòu)熱工性能較差，建筑能耗大，單純使用某項建筑節(jié)能和采暖措施很難達(dá)到住宅室內(nèi)熱舒適需求．因此，可采用多項節(jié)能和采暖技術(shù)相結(jié)合方式．

1) 外圍護結(jié)構(gòu)保溫

良好的圍護結(jié)構(gòu)熱工性能是建筑節(jié)能的前提，西北地區(qū)建筑節(jié)能措施首先應(yīng)以改善外圍護結(jié)構(gòu)熱工性能為主，且重點為提高外墻和屋頂保溫性能．然而，農(nóng)村住宅建筑體形系數(shù)及圍護結(jié)構(gòu)熱工性能與城市住宅建筑均有較大差異，以當(dāng)前節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[12]中圍護結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)限值來要求農(nóng)村住宅建筑圍護結(jié)構(gòu)熱工性能，并不合理，且難以實現(xiàn)．我國建筑節(jié)能措施主要通過采用增強建筑圍護結(jié)構(gòu)保溫隔熱性能和提高采暖、空調(diào)系統(tǒng)能效等方法，其中圍護結(jié)構(gòu)承擔(dān)份額大于等于50%．借鑒城市建筑節(jié)能思路，對于農(nóng)村住宅建筑通過改善外圍護結(jié)構(gòu)保溫隔熱性能，可使其承擔(dān)50%～55%左右能耗，建筑剩余能耗以其他節(jié)能技術(shù)措施或采暖系統(tǒng)承擔(dān)．由于外圍護結(jié)構(gòu)中主要失熱部件是外墻和屋頂，因此，應(yīng)主要加強其保溫性能．

2）被動太陽能采暖

西北農(nóng)村地區(qū)經(jīng)濟條件相對較差，且該地區(qū)太陽能資源豐富，因此，可充分利用被動太陽能采暖技術(shù)減少建筑能耗，該措施是較為經(jīng)濟且節(jié)能效果較好．在西北地區(qū)，考慮到住宅建筑圍護結(jié)構(gòu)采用保溫技術(shù)之后，被動式采暖技術(shù)可使建筑能耗降低15%～30%[16-18]，建議取20%～25%．

3）主動太陽能采暖

由于西北地區(qū)多處于嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)，采用被動式采暖技術(shù)，通常很難到達(dá)采暖設(shè)計要求．因此，可以采用主動式太陽能采暖方式，其與被動式采暖相結(jié)合使用，可更好發(fā)揮太陽能采暖效率．根據(jù)文獻(xiàn)[19-20]太陽能采暖保證率可取50%～60%，主動式太陽能系統(tǒng)可承擔(dān)15%～20%左右建筑能耗，約20～30 W/m2，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[21-22]研究結(jié)果，西北地區(qū)太陽能資源及住宅建筑條件可滿足該要求．

4）輔助熱源

建筑剩余能耗相對較少，可用輔助熱源系統(tǒng)承擔(dān)，其約承擔(dān)10%～15%左右能耗．

西北農(nóng)村住宅建筑節(jié)能和采暖可使用外圍護結(jié)構(gòu)保溫（尤其以外墻和屋頂為主）、主被動太陽能和輔助熱源采暖相結(jié)合的策略．建議各部分承擔(dān)建筑能耗份額和能耗承擔(dān)量如表 6所示，然而西北地區(qū)區(qū)域較大，各地區(qū)氣象條件和建筑形式也有所不同，可根據(jù)各地區(qū)的特點對節(jié)能采暖策略進行調(diào)整．

表6 住宅建筑節(jié)能及采暖策略Tab.6 The residential building energy and heating strategies

5 結(jié)論

針對西北地區(qū)農(nóng)村住宅建筑，以問卷調(diào)查方法對其建筑尺寸、圍護結(jié)構(gòu)構(gòu)造形式進行調(diào)查分析，并對建筑體形系數(shù)、窗墻比、外圍護結(jié)構(gòu)熱工性能以及建筑能耗進行分析，提出了適宜的建筑節(jié)能和采暖策略建議，得到結(jié)論主要有：

(1) 住宅建筑平均體形系數(shù)約為0.9；南、東、西和北向窗墻比平均值約為0.17、0.14、0.14和0.12；外墻、屋頂、外窗、外門、周邊以及非周邊地面?zhèn)鳠嵯禂?shù)分別約為 1.98、2.52、4.74、4.65、0.34和0.08 W/m2．

(2) 住宅建筑外墻耗熱量較大，約占建筑總耗熱量51%，其次為屋頂，約占33%．

(3) 西北農(nóng)村住宅建筑節(jié)能和采暖可使用外圍護結(jié)構(gòu)保溫(尤其以外墻和屋頂為主)、被動式太陽能、主動太陽能和輔助熱源采暖相結(jié)合的策略，建議各項措施承擔(dān)的建筑能耗份額分別約為50%～55%、20%～25%，15%～20%和10%～15%．

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