夏熱冬冷地區(qū)農(nóng)村建筑冬季熱環(huán)境測試與改善

王金莉 鄒鉞

東華大學環(huán)境科學與工程學院

0 引言

隨著農(nóng)村經(jīng)濟的快速發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，農(nóng)村居民對居住環(huán)境的要求也越來越高。據(jù)統(tǒng)計我國民用建筑面積約為400億m2，其中農(nóng)村建筑面積約為240億m2，占總建筑面積的60%[1]。目前我國正在大力開展新農(nóng)村建設，而新農(nóng)村建設的重要組成部分中就包含了為改善農(nóng)民居住環(huán)境進行的農(nóng)村居住建筑建設。所以了解農(nóng)村現(xiàn)有居住建筑室內熱環(huán)境狀況和人們所處的熱舒適性水平以及相應的需求很有必要。

目前不少學者對我國部分地區(qū)居住建筑的室內熱環(huán)境進行了測試分析，對居民的熱舒適水平進行了調查研究[2-4]。但對于夏熱冬冷地區(qū)農(nóng)村居住建筑冬季室內熱環(huán)境的研究還比較少。本文主要以浙江省紹興市為例，對夏熱冬冷地區(qū)農(nóng)村居住建筑冬季室內熱環(huán)境進行了測試和分析，并在此基礎上設計出基于當?shù)貧夂蛱攸c的圍護結構優(yōu)化方案，為該地區(qū)農(nóng)村新建居住建筑的節(jié)能設計及改善農(nóng)村居民的居住條件提供參考依據(jù)。

1 當?shù)亟ㄖ攸c及熱環(huán)境測試現(xiàn)狀

浙江屬于典型的夏熱冬冷地區(qū)，夏季炎熱高溫，冬季潮濕陰冷，四季分明。當?shù)厝杂腥司幼〉淖越ǚ慷鄶?shù)建于20世紀80、90年代，根據(jù)走訪調查當?shù)氐慕ㄖL俗習慣，農(nóng)村房與城市居住房比較具有以下幾個不同的特點：

1）面積大。城市中一般人均居住面積為25～35 m2左右，而農(nóng)村自建房由于居住人數(shù)少，人均居住面積大約在30～60 m2之間。

2）層高高。經(jīng)調查，浙江城市民用住宅的層高一般為2.8～3 m之間，農(nóng)村由于風俗習慣，喜歡高堂，也沒有復雜的吊頂，一般一樓的層高在3.3～3.5 m之間，樓上作為主要的臥室休息區(qū)，層高會稍微低一些，但也在3～3.3 m之間，仍然明顯高出城市住宅層高。

3）房子四周通透。由于農(nóng)村沒有形成統(tǒng)一的規(guī)劃，房子戶與戶之間一般都會留有小巷子方便人或小車通過，這就形成了房子四周通透的特點。再加上丘陵地區(qū)有山谷聚風的影響，導致室外溫度較低。

4）房間利用度不高。經(jīng)統(tǒng)計，非假期農(nóng)村自建房平常居住的人數(shù)并不多，但逢年過節(jié)的居住人數(shù)便會大大增加。因此平常時間里房間的利用度并不高，但特定的日期又會有較大的需求。

1.1 測試建筑和記錄儀器簡介

根據(jù)以上特點，本文選取了一棟代表性建筑進行室內熱環(huán)境測試。測試建筑外墻均是240 mm的磚墻，內側水泥砂漿抹灰，外側貼有白色瓷磚。測試房間1為一層堂屋，北外墻，東、西內墻均為240 mm的磚墻，樓板是100 mm的混凝土樓板，水泥地面，房間面積約為 23 m2，長、寬、高分別為 6.25 m×3.7 m×3.5 m。測試房間2為二樓東面臥室，墻體均為240 mm磚墻，內側進行了水泥砂漿抹灰，地面為水泥地板，貼有白色地磚，樓板為100 mm混凝土樓板，石灰粉刷，房間面積約為16.4 m2，尺寸為4.75 m×3.75 m×3.3 m。測試房間3為二樓陽臺，與一直二樓樓梯連通，東面和南面均有玻璃窗圍護。

建筑平面圖如圖1所示，測試點選擇為一樓堂屋，二樓主臥和陽臺，共三個測點。

溫度記錄儀選用精創(chuàng)公司的RC-4型溫濕度記錄儀，室外溫度探頭置于室外不受陽光直射處，室內溫度探頭高度為離地1.1 m。

圖1 建筑平面圖

1.2 測試結果及分析

測試期間無輔助內熱源采暖，測試時間為2017年1月20日至2017年1月26日。分析這幾天的溫度變化情況與當?shù)貧庀缶謿v年統(tǒng)計記錄的氣溫數(shù)據(jù)對比，選取2017年1月21日作為典型日進行數(shù)據(jù)分析，溫度測試記錄結果見圖2。

圖2 溫度測試記錄結果

從圖2可見，室內溫度基本按照室外溫度變化規(guī)律而變化。由于該地人的生活習慣，早晨6:00～7:00左右起床之后會打開堂屋的大門，因此6:00左右室內溫度有個急降的過程。二樓臥室和陽臺溫度高于一樓堂屋。當天室外平均溫度為1.5℃，堂屋平均溫度為5.2℃，二樓臥室平均溫度為7.4℃，陽臺平均溫度為6.7℃。堂屋由于當?shù)仫L俗，通透且采光不足，導致其平均溫度明顯低于臥室和陽臺。

《采暖通風與空氣調節(jié)設計規(guī)范》（GB 50019-2003）中規(guī)定，冬季住宅臥室和起居室舒適性空調的室內溫度應為18～22℃，經(jīng)研究[5]，提出由于該地區(qū)冬季人體衣服熱阻的增加，冬季人體可接受的熱環(huán)境為室內空氣溫度偏低，在11.2～16.8℃之間?；谝?guī)范及之前學者的研究結果，比較所測得的數(shù)據(jù)，認為該地農(nóng)村自建房冬季熱舒適性很差，而且受當?shù)厣钏降南拗?，大多?shù)農(nóng)村家庭沒有空調或是因為空調使用費用過高而選擇不開啟空調，因此寒冷的冬季通常采用的是電烤火和木炭烤火這樣的局部供暖方式，只能滿足少數(shù)人體的局部熱需求，整體室內熱環(huán)境沒有得到明顯的改善。因此可以該地說冬季室內熱環(huán)境相當惡劣，人們感到非常寒冷和不舒適。如果能找到性價比較高的改善方法，將對該地冬季室內熱環(huán)境舒適度的提升有很好的指導意義。

2 建筑耗熱量分析

在當?shù)?，冬季人們最常用的房間是堂屋，客廳和臥室，故本文研究對象為三個房間，分別計算分析該三個房間的耗熱量。

2.1 圍護結構耗熱量

建筑圍護結構的耗熱量包括基本耗熱量和附加耗熱量兩部分組成。

本建筑中玻璃窗層數(shù)均為單層，建筑物的高度<4.5m，故選定滲透耗熱量占圍護結構總耗熱量的百分率為25%[6]。

2.3 建筑圍護結構總耗熱量及分析

根據(jù)上述計算方法，選定計算參數(shù)為：室外計算溫度-2℃，供暖室內計算溫度18℃，外墻、內墻、外窗、外門、內門、樓板、地面的傳熱系數(shù)分別為2.08、1.72、6.4、4.65、2.91、0.93、0.47 W/(m2·℃)。

筆者分別計算了三個房間的建筑耗熱量，各圍護結構的耗熱量及各部分耗熱量百分比如圖3所示：

圖3 建筑各圍護結構的耗熱量及其百分比

由圖3容易得出，該建筑各個房間的墻體，外窗及空氣滲透所占的耗熱量百分比超過了80%，其中墻體耗熱量占到40%，空氣滲透與外窗結構的氣密性有很大關系，因此，該建筑可以主要對墻體、外窗的傳熱系數(shù)進行分析，并對其構造形式進行優(yōu)化。由于夏熱冬冷地區(qū)外墻保溫性能優(yōu)化已有研究可以借鑒[7]，本文只討論外窗的優(yōu)化。

3 外窗的熱工參數(shù)分析與優(yōu)化

由上面計算結果已知，門窗的傳熱和空氣滲透耗熱量約占總耗熱量的40%，所以外窗的傳熱系數(shù)對建筑熱損失及室內溫度具有顯著影響。若能整體改善一下外窗的傳熱系數(shù)，并做好相應的氣密性措施，不僅能提高寒冷冬季的室內溫度，也能減小由于冷風滲透引起的室內局部冷風感，人體所感受到的室內環(huán)境舒適度便將大大提高。

測試建筑采用的外窗是老式的鋼材料—單框單層玻璃窗，沒有中空玻璃層，該種玻璃窗的傳熱系數(shù)高達6.4（W/m2K），而且由于老式的施工技術，該建筑窗戶與窗框、窗框與墻體之間連接部位已出現(xiàn)腐蝕風化，漏風比較嚴重。考慮到窗戶結構的牢固性，仍然選擇鋼、鋁窗框的玻璃窗，查閱常用外窗的傳熱系數(shù)[9]，綜合當?shù)亟?jīng)濟條件與材料資源狀況，選取傳熱系數(shù)為3.5 W/(m2·K)的雙層玻璃窗，進行分析。

經(jīng)計算，對該建筑進行外窗優(yōu)化后，各圍護結構耗熱量與改善前各圍護結構耗熱量比較如下，見圖4。

圖4 改善外窗前后耗熱量比較

由圖4可見，改善外窗后各個房間的空氣滲透和門窗耗熱量均能大幅減小，房間耗熱量指標由190 W/m2下降到約140 W/m2，降低了26.3%，節(jié)能效果顯著。

4 結論

1）根據(jù)測試所得數(shù)據(jù)，夏熱冬冷地區(qū)農(nóng)村建筑冬季室內熱環(huán)境并不理想，室內溫度偏低，平均溫度僅6.4℃，可采用改善建筑圍護結構熱工性能的方法來提高室內熱環(huán)境舒適度。

2）當室內外熱環(huán)境確定后，建筑耗熱量受外墻，外窗，屋頂，地面等維護邂逅的類型和傳熱系數(shù)的綜合影響。其中，外墻、門窗的熱工系數(shù)對建筑耗熱量的影響較大。

3）該地農(nóng)村自建房外窗多為單層玻璃窗，若將其改善成熱工性能較好的雙層玻璃窗，根據(jù)本文的計算參數(shù)，以該建筑為例，耗熱量指標從190 W/m2下降到約140 W/m2，降低了26.3%，節(jié)能效果顯著，可以在當?shù)剞r(nóng)村推廣。