冀南農(nóng)村地區(qū)冬季采暖的墻體優(yōu)化設(shè)計

李 政 暴 磊 陳國臣

(1.河北工程大學(xué)建筑與藝術(shù)學(xué)院，河北 邯鄲 056038； 2.邯鄲職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 邯鄲 056001； 3.山東省建筑設(shè)計院泰安設(shè)計所，山東 泰安 271000)

0 引言

冀南區(qū)域冬季霧霾影響大，而冬季采暖作為霧霾形成的主要原因，受城市管理者重視。近年農(nóng)村單體住宅面積驟增，人們對室內(nèi)舒適度要求逐漸提高[1]，而現(xiàn)有采暖配套設(shè)施能源利用效率低，導(dǎo)致地區(qū)住宅冬季采暖能耗大，效果差。為提高農(nóng)村住宅對能源的使用效率，降低采暖對霧霾影響，本文從增加農(nóng)村住宅墻體熱工性能出發(fā)，量化保溫材料的能耗影響，為農(nóng)村住宅節(jié)能設(shè)計提供數(shù)據(jù)支撐。

1 理論研究基礎(chǔ)

以涵蓋冀南地區(qū)氣候特征為主要理論研究基礎(chǔ)，了解宅院形式及其相應(yīng)墻體結(jié)構(gòu)的技術(shù)演變。通過實(shí)地調(diào)研，梳理出冀南地區(qū)范圍內(nèi)農(nóng)村住宅墻體技藝的歷史演化過程。

1.1 冀南地區(qū)氣候特征

冀南地區(qū)冬季氣候特點(diǎn)為寒冷干燥，一年中氣溫最低的月份為1月[2]，月均溫度為-2.5 ℃，極端低溫可達(dá)-20 ℃，每年無霜期約200 d，日照約2 557 h/年。該地區(qū)主要囊括了邯鄲、邢臺兩地，兩市區(qū)位相近，氣候近似，所需氣象數(shù)據(jù)來源于邢臺53798氣象觀測站。

1.2 宅院形式

冀南地區(qū)農(nóng)村宅院80%以上為“兩甩袖”形式[3]。農(nóng)村中宅院平面的布局基本統(tǒng)一，院落占地南北長在14 m～16 m之間，東西寬為15 m～18 m之間。受當(dāng)?shù)仫L(fēng)水相關(guān)文化影響，一般情況下，宅院中北屋常為上房(特殊情況下以西屋為上房)，上房左右兩側(cè)屬廂房，東廂房通常較西廂房略高，廚房位置僅次于東廂房，街門的相對角落為廁所位置，整體以院墻圍合形成院落。

1.3 墻體構(gòu)造技術(shù)演變

二十世紀(jì)六七十年代土坯房為冀南地區(qū)農(nóng)村住宅的基本類型，是以用泥土為墻體的主砌材[4]，砌筑方法有兩種，一種是先筑墻腳(通常為石材墻角)，后于墻角之上支模(常為木質(zhì)模具)，最后分段分層加入泥土夯實(shí)成墻。另一種是將未經(jīng)燒制的黏土制成土磚，后壘砌成墻。80年代初，用黃泥燒制成的紅磚逐漸替換掉以土坯與石頭為主的建材，成為農(nóng)村墻體最常見的材料。2000年以后，出現(xiàn)了以空心磚、節(jié)能磚、混凝土等材料為主的墻體。近年，伴隨霧霾加重，農(nóng)村住宅建造中運(yùn)用節(jié)能保溫材料的比例在上升。

2 典型模型建立

基于冀南地區(qū)，以邯鄲、邢臺兩市轄區(qū)為范圍的10個鄉(xiāng)村開展實(shí)地調(diào)研，構(gòu)建以“兩甩袖”為典型模型的冀南地區(qū)宅院布局模式(見圖1)，然后錄入典型圍護(hù)結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)造數(shù)據(jù)。

2.1 典型住宅空間參數(shù)

宅院東西長17 m，南北寬14 m，上房位于北側(cè)中央位，主要用途為客廳或主臥，東西兩側(cè)為次臥或廚房，西南方向設(shè)置廁所及儲藏室，大門通常位于宅院東側(cè)[5]。正房一般高4 m,側(cè)房一般高3.8 m，外墻厚370 mm。冬季受西伯利亞寒流南下的影響，多為西北風(fēng)，所以北側(cè)墻體通常不開窗，客廳立面建筑表皮的窗墻比為0.4，東臥室西立面的窗墻比為0.31，建筑整體的體形系數(shù)為0.658。

2.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)典型構(gòu)造及參數(shù)

經(jīng)觀測調(diào)研，冀南地區(qū)農(nóng)村住宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)典型構(gòu)造和熱工參數(shù)為：外墻使用20厚的水泥砂漿抹面+370厚的粘土紅磚+20厚的水泥砂漿抹面，熱工參數(shù)為1.267 W/(m2·℃)；隔墻使用20厚的水泥砂漿抹面+240厚的粘土紅磚+20厚的水泥砂漿抹面，熱工參數(shù)為1.774 W/(m2·℃)；屋頂使用120 mm結(jié)構(gòu)層混凝土+150 mm聚苯板保溫層+找平層碎石+材料找坡層，熱工參數(shù)為2.004 W/(m2·℃)；地面使用25厚的瓷磚+20厚的水泥砂漿找平層+100厚的混凝土墊層+500厚的素土夯實(shí)層，熱工參數(shù)為0.929 W/(m2·℃)。

3 既有農(nóng)村住宅能耗模擬分析

基于Designbuilder，對農(nóng)村住宅冬季能耗情況進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。根據(jù)能源消耗、溫度控制、材料選擇相關(guān)數(shù)據(jù)，模擬出住宅冬季穩(wěn)定傳熱狀態(tài)下的建筑能耗，從而為農(nóng)村住宅墻體優(yōu)化提供可行合理的節(jié)能方案。

3.1 農(nóng)村住宅建筑分區(qū)

參照GB/T 50824—2013農(nóng)村居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，對不同使用功能下的房間參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。臥室、客廳等功能性房間的冬季采暖基礎(chǔ)溫度設(shè)定為16 ℃，依照中國氣象局提供的相關(guān)氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬。

3.2 模擬結(jié)果分析

模擬結(jié)果表明，當(dāng)農(nóng)村住宅室內(nèi)采暖溫度達(dá)到16 ℃時，其屋頂熱損為2.33 kW、外墻損耗9.42 kW、窗戶熱損為2.59 kW、圍護(hù)結(jié)構(gòu)的外墻熱損為9.42 kW，較屋頂及窗戶偏高。

11月～次年3月之間，房屋采暖供熱量走勢為先增加后降低的趨勢，總體上呈拋物線狀， 11月與次年3月2個月份的供熱量較低，原因是該月份采暖時間短，且此期間房屋熱負(fù)荷較低。1月份的采暖供熱量屬最高，較12月提高近16%，較2月提高約30%?；诠絈=qfF中，Q為區(qū)域的熱負(fù)荷;qf為建筑的耗熱量指標(biāo),W/m2;F為建筑的面積，m2[6]，結(jié)合所有房間單位建筑面積熱指標(biāo)如表1所示，經(jīng)計算得出建筑總熱負(fù)荷為4.22 kW。

表1 熱負(fù)荷模擬結(jié)果

4 墻體優(yōu)化方案的對比分析

選取常見的保溫材料，如XPS，EPS，巖棉等，構(gòu)成復(fù)合墻體的構(gòu)造圖(見圖2)，進(jìn)行保溫模擬，因在同一溫波作用下材料的不同或材料厚度差異對溫波的衰減能力不同，遂對各房間使用不同厚度的各種材料進(jìn)行建筑耗熱量指標(biāo)對比分析。

4.1 保溫材料的選擇

在既有農(nóng)村建筑的改造中，外墻的保溫相較于夾心保溫，其造價較低，施工工藝較簡單，經(jīng)濟(jì)性及實(shí)用性更好[7]，因此使用GB/T 50824—2013中推薦的保溫外墻構(gòu)造。保溫材料則分別選擇EPS泡沫板(聚苯乙烯泡沫板)、XPS泡沫板(阻燃型擠塑聚苯乙烯泡沫保溫板)、巖棉三種[8]。

表2 使用EPS，XPS，巖棉材料的室內(nèi)耗熱量指標(biāo)

EPS泡沫板以在C8H8中加入發(fā)泡劑等于模具中加熱成型，緩沖性較好。其內(nèi)部具有閉孔結(jié)構(gòu)，因而易成型、密度小、抗潮。XPS泡沫板是一種絕熱擠塑型聚苯乙烯泡沫塑料，以聚苯乙烯樹脂為原料輔之以其他類聚合物，通過特殊工藝擠壓成型的硬質(zhì)型塑料泡沫板，其導(dǎo)熱系數(shù)低、抗潮濕性好、強(qiáng)度較高[9]。巖棉板又稱巖棉保溫裝飾板，以玄武巖為主材，經(jīng)高溫加工而成的無機(jī)纖維板[10]，耐高溫、機(jī)械強(qiáng)度高、抗腐蝕性佳，并且價格相對低廉。

4.2 不同厚度保溫材料的空間熱負(fù)荷

通過Designbuilder分別對以EPS泡沫板、XPS泡沫板、巖棉板作為保溫墻體的材料，進(jìn)行住宅模型模擬，保溫材料厚度以20 mm,40 mm,60 mm,80 mm,100 mm為基準(zhǔn)，對建筑耗熱指標(biāo)進(jìn)行分析(見表2)。

4.3 建筑熱負(fù)荷分析

對住宅使用不同厚度保溫材料的采暖效果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析(見表3)，并擬合函數(shù)關(guān)系，分別得出三種材料的單位面積熱指標(biāo)與保溫材料厚度的數(shù)學(xué)方程。

表3 熱負(fù)荷 kW

5 結(jié)語

冀南地區(qū)既有典型住宅的保溫墻體及屋頂，在冬季采暖熱負(fù)荷為4.22 kW，對使用XPS，EPS，巖棉三種保溫材料進(jìn)行模擬分析，結(jié)果表明當(dāng)保溫材料由20 mm增大至100 mm的過程中建筑熱負(fù)荷逐漸減小，并呈現(xiàn)出對數(shù)函數(shù)的關(guān)系：

EPS：y=-0.315ln(x)+4.838 4；

XPS：y=-0.308ln(x)+4.774 5；

巖棉：y=-0.309 ln(x)+4.803。

使用XPS保溫材料的建筑熱負(fù)荷最小，較與未使用保溫材料的典型模型，其熱負(fù)荷降低了20.6%，就使用最薄厚度的EPS和巖棉，也可分別降低8.0%和8.3%的建筑熱負(fù)荷，所以在冀南地區(qū)農(nóng)村住宅新建和改造項(xiàng)目中應(yīng)對其墻體進(jìn)行必要的優(yōu)化設(shè)計。