蒙西地區(qū)住宅冬季室內(nèi)熱環(huán)境優(yōu)化對比分析

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)土木工程學(xué)院 內(nèi)蒙古 包頭 014000)

蒙西地區(qū)住宅冬季室內(nèi)熱環(huán)境優(yōu)化對比分析

金國輝王波張東杰

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)土木工程學(xué)院內(nèi)蒙古包頭014000)

為提升內(nèi)蒙古西部農(nóng)牧區(qū)住宅的室內(nèi)熱環(huán)境和降低采暖能耗，選取具有代表性的住宅進(jìn)行調(diào)研，對室內(nèi)外的空氣溫度、相對濕度等參數(shù)做的測試。通過分析數(shù)據(jù)得出?？蛷d與主次臥室的平均溫度分別為12.9、11.6、12.1℃。低于國家標(biāo)準(zhǔn)中冬季采暖18℃的規(guī)定和ASHRAE55中推薦的60%人體熱舒適相對濕度。然后選擇三個(gè)優(yōu)化方案，計(jì)算出優(yōu)選方案，研究結(jié)果為方案一、二、三與基礎(chǔ)模型相比能耗分別減少3806.28kW·h、2036.96kW·h、4290.40kW·h，采暖季熱負(fù)荷指標(biāo)比基礎(chǔ)模型相比分別減少13.83W/m2、7.40W/m2、15.59W/m2，為內(nèi)蒙古西部農(nóng)牧區(qū)住宅冬季室內(nèi)熱環(huán)境的改善提供的依據(jù)。

農(nóng)牧區(qū)住宅；室內(nèi)熱環(huán)境；采暖能耗；附加陽光間；數(shù)值模擬

一、引言

隨著農(nóng)牧區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的不斷提高，人們對住宅的室內(nèi)熱環(huán)境和舒適度要求也越來越高，但由于內(nèi)蒙古西部農(nóng)牧住宅的構(gòu)造簡單，圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能較差，使得農(nóng)牧區(qū)住宅的冬季采暖能耗也越來越高，到目前有很多學(xué)者對村鎮(zhèn)住宅的冬季室內(nèi)熱環(huán)境做了研究[1-3]?？傮w而言，對北方村鎮(zhèn)住宅室內(nèi)熱環(huán)境的研究主要在東北地區(qū)和陜西地區(qū)，加入被動(dòng)式設(shè)計(jì)住宅研究主要在西藏拉薩地區(qū)，而內(nèi)蒙古西部農(nóng)牧住宅室內(nèi)熱環(huán)境的研究較少。本研究以內(nèi)蒙古西部典型農(nóng)牧住宅為研究對象，對其圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能進(jìn)行優(yōu)化，并加入被動(dòng)式設(shè)計(jì)因素。對比分析優(yōu)化前后室內(nèi)熱環(huán)境和采暖能耗。對改善內(nèi)蒙古西部農(nóng)牧區(qū)住宅冬季室內(nèi)熱環(huán)境，減少采暖能耗具有重要意義。

二、典型住宅概況

農(nóng)牧區(qū)典型住宅平面為長方形，單層磚混結(jié)構(gòu)，方向南偏東。共有7間房屋，起居室尺寸3.6×6.6m，客廳尺寸3.6×3.6m，臥室尺寸3.6×3.0m。外墻墻體為370mm實(shí)心黏土磚加聚苯板保溫層，墻體水泥砂漿抹面加白色粉刷。內(nèi)墻為240mm黏土磚砌體，水泥砂漿抹面。室內(nèi)地面鋪設(shè)地板磚，屋面為150mm預(yù)制樓板平屋頂，設(shè)有聚苯板保溫，室內(nèi)采用煤爐取暖，能耗水平基本能代表農(nóng)牧區(qū)住宅的能耗狀況。

三、實(shí)測結(jié)果分析

對典型住宅做了冬季室內(nèi)熱環(huán)境實(shí)測可得，客廳與主次臥室的平均溫度分別為12.9、11.6、12.1℃，相對濕度均值分別為33.8%、32.5%和31.1%。低于國家標(biāo)準(zhǔn)中冬季采暖18℃的規(guī)定和ASHRAE55中推薦的60%人體熱舒適相對濕度。采用《民用建筑室內(nèi)濕熱環(huán)境評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》的人工冷熱源建筑的PMV三級評價(jià)來衡量室內(nèi)熱舒適狀況，典型住宅在白天時(shí)段熱環(huán)境相對較好，達(dá)到Ⅱ級濕熱環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)(-1≤PMV<-0.5)，即人群中75%的感覺滿意的濕熱環(huán)境，宅夜間稍冷，為Ⅲ級濕熱環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)。

(一)優(yōu)化方案

針對實(shí)測數(shù)據(jù)分析結(jié)果中出現(xiàn)的問題，采用三種方案對典型住宅進(jìn)行優(yōu)化。方案一：對典型住宅的維護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能進(jìn)行優(yōu)化，基于筆者前期研究結(jié)果[10]，選取對影響被動(dòng)式住宅能耗影響較大7個(gè)因素進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，每個(gè)因素選取能耗值較小3個(gè)指標(biāo)，用L18(37)型的正交試驗(yàn)表來進(jìn)行分析得出優(yōu)選方案為住宅朝向南偏東30°、南向窗墻比為0.4、北向窗墻比為0.0、東向窗墻比為0.2、圍護(hù)結(jié)構(gòu)外窗采用真空玻璃(K=3.0W/(m2·K))、100mm厚的聚苯乙烯保溫板(K=0.042W/(m2·K))、圍護(hù)結(jié)構(gòu)墻體材質(zhì)為粉煤灰砌塊(K=0.39W/(m2·K))，在優(yōu)化基礎(chǔ)上形成直接受益式被動(dòng)式住宅。方案二：在典型住宅的南向加建進(jìn)深為1.8m的附加陽光間，其他結(jié)構(gòu)不變。方案三：方案一、二結(jié)合形成直接受益加附加陽光間式住宅。

四、計(jì)算結(jié)果與分析

為了排除其他內(nèi)擾因素對能耗模擬結(jié)果的干擾，因此在模擬過程在暫時(shí)不考慮火炕、煤爐和土暖氣等采暖設(shè)備和廚房做飯時(shí)產(chǎn)生的熱擾，根據(jù)當(dāng)?shù)啬羺^(qū)生活習(xí)慣，客廳、主次臥模擬計(jì)算參數(shù)設(shè)置為：人員熱擾為2人，發(fā)熱量53W，作息時(shí)間為采暖期的8～11；燈光熱擾為40W，發(fā)熱系數(shù)0.9；作息時(shí)間18～22點(diǎn)為1，其余是0；設(shè)備熱擾為40W，作息時(shí)間為19～23點(diǎn)是1，其余0。

通過軟計(jì)算分析，得到逐時(shí)室內(nèi)溫度，整理各方案相同房間在同一采暖期內(nèi)溫度數(shù)值，四種模式下的客廳空氣溫度均值分別為4.11、9.96、6.54、9.95℃，波幅為6.97、13.56、3.43、4.25℃；主臥室的空氣溫度均值為2.40、7.32、4.63、7.94℃，波幅為3.94、7.68、1.89、2.49℃；次臥室的空氣溫度均值為3.19、7.11、3.72、6.40℃，波幅為1.77、2.05、1.78、1.94℃。

比較四種模式下各室內(nèi)溫度可知，三種優(yōu)化模式下的各房間溫度均值都高于基礎(chǔ)模型下的各房間溫度，由高到低順序?yàn)椋悍桨溉?方案一>方案二>基礎(chǔ)模型。四種模型下的客廳均溫高于主次臥室，客廳有其他房間環(huán)繞散熱較慢，但溫度波幅不如主次臥室穩(wěn)定，因?yàn)榘滋斐鋈胧覂?nèi)開關(guān)客廳門比主次臥室次數(shù)多造成的。次臥均溫最低，因?yàn)榇闻P在客廳北面且四周封閉無開窗，室內(nèi)無太陽輻射所造成，從而也說明對室內(nèi)太陽輻射得熱量對溫度變化會(huì)產(chǎn)生影響。優(yōu)化方案一、方案二、方案三的各房間室內(nèi)溫度波峰出現(xiàn)在16:00～17:00，比室外溫度波峰延遲1～2h，一方面是因?yàn)閷o(hù)結(jié)構(gòu)墻體做了優(yōu)化選用的粉煤灰砌塊，為多孔材料導(dǎo)熱系數(shù)小熱穩(wěn)定性較好，另一方面是因?yàn)楦郊雨柟忾g對室內(nèi)的緩慢傳熱，從而室內(nèi)最高溫度有延遲。

附加陽光間作為與主要功能房間的南向緩沖區(qū)，起到一定的溫濕調(diào)節(jié)的作用，陽光間在12月30日16:00溫度達(dá)到最高值17.83℃和23.88℃。說明附加陽光間在冬季陽冬季陽光較為充足的中午時(shí)段為室內(nèi)提供熱能輔助采暖，從而能降低住宅冬季采暖能耗。在1月2日8:00陽光間溫度達(dá)到最低值-4.00℃，與同時(shí)段的室外室溫度-13.21℃相比,陽光間室內(nèi)溫度比室外溫度高9.21℃，其原因一方面是圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱阻較大使散熱速度較慢，另一方面是夜間主次臥室溫度較高通過南向窗戶向陽光間傳熱導(dǎo)致。

四種模型的累計(jì)熱負(fù)荷和各房間采暖能耗如圖1所示，由圖可知，基礎(chǔ)模型的采暖能耗最高，方案三圍護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化加附加陽光間的采暖能耗最低，能耗最高值是最低值的2.75倍。方案一至三與基礎(chǔ)模型相比能耗分別減少3806.28、2036.96、4290.40kW·h，采暖季熱負(fù)荷指標(biāo)比基礎(chǔ)模型相比分別減少13.83、7.40、15.59W/m2。圍護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和加陽光間后，其采暖耗熱量符合《內(nèi)蒙古居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的16.80W/m2。

由此可看出，改善圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的內(nèi)蒙古西部農(nóng)牧住宅能有效的增強(qiáng)住宅的保溫性能，減少冬季采暖能耗，單純增加南向附加陽光間的節(jié)能效果沒有對圍護(hù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化的節(jié)能效果明顯。因此，綜合來看選擇優(yōu)化方案三較好，即對典型住宅的圍護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，然后加建南向附加陽光間。

圖1 熱負(fù)荷對比曲線

五、結(jié)論

(1)典型住宅客廳與主次臥室的平均溫度分別為12.9、11.6、12.1℃，相對濕度均值分別為33.8%、32.5%和31.1%。在白天時(shí)段熱環(huán)境相對較好，達(dá)到Ⅱ級濕熱環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)，人群中75%的感覺滿意的濕熱環(huán)境，宅夜間稍冷為Ⅲ級濕熱環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)。

(2)方案二、三的附加陽光間最高溫度為17.83℃和23.88℃，最低溫度為-4.00℃和0.79℃，其溫度波動(dòng)較大。

(3)計(jì)算四種模型的累計(jì)熱負(fù)荷和各房間采暖能耗方案一、二、三與基礎(chǔ)模型相比能耗分別減少3806.28、2036.96、4290.40kW·h，采暖季熱負(fù)荷指標(biāo)比基礎(chǔ)模型相比分別減少13.83、7.40、15.59W/m2。

[1]賴艷萍，張志剛，魏璠，等.北方農(nóng)村典型住宅的能耗比較分析[J]農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，27(增刊1)：12-16

[2]金虹，邵騰.嚴(yán)寒地區(qū)鄉(xiāng)村民居節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[J].建筑學(xué)報(bào)，2015(s1)：218-220

[3]金虹，邵騰，金雨蒙，等.被動(dòng)式技術(shù)在嚴(yán)寒地區(qū)農(nóng)村住宅中的應(yīng)用研究[J].西部人居環(huán)境學(xué)刊，2016，(01)：115-118

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51668051)，內(nèi)蒙古自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2016MS0516、2017MS(LH)0535)

金國輝(1965-)，碩士，教授。研究方向建筑節(jié)能。