農(nóng)村住宅建筑熱負(fù)荷影響因素分析

畢海靜

（張家口飛揚(yáng)新能源科技有限公司 河北張家口 075000）

引言

農(nóng)村居民住宅面積隨著新農(nóng)村建設(shè)的不斷發(fā)展和人民生活水平的提高而迅速增加。農(nóng)村供熱需求不斷增加。56%以上的農(nóng)村能源消耗來自于北方，這其中有80%消耗在了供暖上。大多數(shù)農(nóng)村建筑沒有隔熱，且一般采用分布式供暖，供暖設(shè)施相對落后，地區(qū)供熱能耗高，污染嚴(yán)重[1]。以北京典型農(nóng)村建筑為例，通過計算不同室內(nèi)設(shè)計溫度和不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)下建筑物的熱負(fù)荷，研究影響建筑熱負(fù)荷的主要因素[2]。

1 農(nóng)村供暖的現(xiàn)狀

1.1 供暖能耗

在農(nóng)村居民的日常生活中，供熱能耗占比最大，占國內(nèi)能源消費的59%。北京農(nóng)村住宅單位面積熱能消耗為28.3km/m2。但在室內(nèi)溫度方面，農(nóng)村住房遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于城市建筑的供暖能耗14.6kg/m2。主要原因是，在北京80%以上的農(nóng)村住宅是體形因子為0.8 以上，超過城鎮(zhèn)住宅的2 倍以上。實心粘土磚是墻體材料的主流選擇，其隔熱和氣密性能極差，因此是減少農(nóng)村供暖能耗和改善農(nóng)村居住舒適度可以從隔熱性著手。在供暖所使用的能源種類方面，90%以上的農(nóng)村住戶選擇煤，剩余的10%則包含了木柴、天然氣和沼氣等。這種不合理能耗結(jié)構(gòu)，與國家節(jié)能減排的戰(zhàn)略方針相悖[3]。

1.2 設(shè)備使用情況

表1 顯示了2015 年至2018 年北京農(nóng)村居民使用的各種供暖設(shè)備的比例，其中的“其他供暖設(shè)備”主要包含加熱裝置包括電加熱器、燃?xì)獗跔t等。根據(jù)表1 中的數(shù)據(jù)，土暖氣是在當(dāng)下農(nóng)村住戶使用最廣泛的加熱設(shè)備；其次是火炕，由于歷史遺留的原因，使用量仍然較高，但在國家的倡導(dǎo)下土暖氣與火炕的使用比例總體呈逐年下降趨勢。熱泵空調(diào)等供暖設(shè)備比例的不斷提高，隨著當(dāng)?shù)厝嗣竦纳钏街鸩教岣?，人們對供暖質(zhì)量的要求越來越高，新供暖設(shè)備的使用也逐年增加。

表1 2015-2018 年北京農(nóng)村居民各種類型供暖設(shè)備的使用比例（百分比）

2 寒冷地區(qū)農(nóng)村主要的供暖方式

在寒冷地區(qū)，冬天室外溫度極低，且由于房屋建筑材料的隔熱性能差，房間內(nèi)的熱量損失過大，因此房間需要持續(xù)加熱，以滿足人體的熱舒適性需求。室內(nèi)加熱系統(tǒng)通過熱輻射提供較高的溫面，保持較高的平均室溫。在農(nóng)村地區(qū)住宅密度低，單戶和單院住宅是主流模式，如果采用集中供暖，在傳輸過程中的熱量損失顯著，因此并不適合城市地區(qū)的集中供熱，分布式的自供暖方式成為了必由之路。農(nóng)村住戶的分布式自供暖方式主要分為火炕、土暖氣和火爐三種形式[4]。

2.1 火炕采暖

在我國寒冷地區(qū)，火炕是最常見的農(nóng)村供暖方式。傳統(tǒng)的火炕主要是由磚形成，并且內(nèi)置炕洞、爐灶和煙道。通過燃燒秸稈等常見可燃物使得熱量沿著煙道實現(xiàn)對于炕板的加熱[5]。由于煙囪效應(yīng)，廚房空氣通過熱壓的作用進(jìn)入爐子，熱煙和空氣流通過煙道加熱炕板，充分利用了煙氣的余熱后向外排出。隨著農(nóng)村建筑居住面積增加，對室內(nèi)的潔凈度也有了一定的需求，更傾向于將爐子與火炕分離，通過煙道來傳遞煙氣進(jìn)行加熱，同時可更好的利用炊事活動中所產(chǎn)生的熱能，提高能源的利用效率。近年來，農(nóng)村居民對于熱舒適度有了進(jìn)一步的要求，只有7%的家庭在冬季采用單一供暖方式。在傳統(tǒng)火炕中，主要是通過對于可燃物的直接燃燒來產(chǎn)生熱能，通氣量小、燃燒不充分且熱效率低。燃燒產(chǎn)生的煙氣、CO 和PM2.5 等有害物質(zhì)不可避免的會有部分進(jìn)入室內(nèi)，在冬季通風(fēng)不好的額條件下，嚴(yán)重威脅住戶的健康。

2.2 土暖氣—散熱器采暖

土暖氣是一種老式加熱系統(tǒng)，它依賴于由于溫度差異而導(dǎo)致的供水和回水之間的密度差異，而無需電氣設(shè)備。在寒冷地區(qū)，通過居民的烹飪余熱，對爐內(nèi)盤管中的水進(jìn)行加熱，通過熱水流經(jīng)每個房間的散熱器將熱量交換到室內(nèi)，與城鎮(zhèn)居民所使用的暖氣原理相類似。熱量以熱對流和熱輻射的形式傳遞到室內(nèi)，以提高室內(nèi)的環(huán)境溫度，從而加熱房間。與其他農(nóng)村供暖方式相比，土暖氣不僅可以顯著改善室內(nèi)潔凈度，還避免了有害氣體和顆粒物對住戶的健康威脅。

2.3 火爐采暖

爐子用木柴或燃煤來實現(xiàn)室內(nèi)供暖，熱量主要來自三部分：第一部分是爐內(nèi)高溫，通過熱輻射和熱對流進(jìn)行熱交換；第二部分是燃料通過燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔饬鹘?jīng)煙道，其中有部分熱量被釋放到房間內(nèi)；最后一部分來自火爐燒水，水沸騰產(chǎn)生的蒸汽對室內(nèi)的加熱。

與土暖氣相比，將煤爐放置在室內(nèi)，減少過程中的散熱，具有更高的熱效率。然而，煤爐中的煤很難充分燃燒，一氧化碳?xì)怏w被釋放到室內(nèi)，有爆炸的隱患并且當(dāng)一氧化碳濃度達(dá)到一定水平后人體已因缺氧死亡，難以自救。因此在北方農(nóng)村火爐采暖使用較少。

3 熱負(fù)荷計算

考慮到北方建筑的結(jié)構(gòu)特點，根據(jù)實際情況，在北京的典型農(nóng)村建筑中選取建筑面積為70 平方米的農(nóng)村住宅。農(nóng)村房屋多為獨門獨戶，建筑物大多為1-2 層，因此其形狀因子通常為0.58至0.88。選取的典型農(nóng)村住宅的形狀因子為0.83。

3.1 室內(nèi)熱負(fù)荷

3.1.1 通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)耗熱

室內(nèi)熱負(fù)荷計算中包括的參數(shù)是冬季室內(nèi)外溫度、基本熱損失、圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)和傳熱面積。圍護(hù)結(jié)構(gòu)耗熱可用如下公式表示：

3.1.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)附加耗熱

圍護(hù)結(jié)構(gòu)的附加耗熱是通過特定的環(huán)境參數(shù)修正所計算的耗熱量，可用如下公式表示：

相關(guān)參數(shù)為：方向校正，風(fēng)校正系數(shù)，雙面外墻校正，高度加成因子和間歇加成因子。

3.1.3 冷風(fēng)滲透耗熱

通過門和窗戶之間的間隙穿過房間的空氣總量以及空氣密度，計算冷風(fēng)滲透所造成的熱消耗：

3.1.4 冷風(fēng)侵入耗熱

冷風(fēng)侵入造成的熱消耗主要與冷空氣的涌入有關(guān)：

3.2 熱負(fù)荷影響因素

3.2.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)影響

根據(jù)以上計算結(jié)果，可以確定每種圍護(hù)結(jié)構(gòu)在16℃的條件下的熱負(fù)荷，并且負(fù)載與每個保持結(jié)構(gòu)的總熱負(fù)荷的比率如圖1所示。

圖1 各圍護(hù)結(jié)構(gòu)占總熱負(fù)荷的比例

從圖中可以看出，外墻在總熱負(fù)荷的比例最高為55%，排在第二位的是屋面為18%，隨后是外窗為14%，地面為11%，占比最少的外門僅為2%。根據(jù)農(nóng)村家庭的習(xí)慣，經(jīng)常出入各房間，玄關(guān)的門不在考慮范圍內(nèi)。

3.2.2 外墻結(jié)構(gòu)對建筑熱負(fù)荷的影響

在寒冷的農(nóng)村地區(qū)，外墻通常沒有隔熱層，即便是在新建住宅。一方面，由于在設(shè)計和施工階段缺少專業(yè)人員的技術(shù)指導(dǎo)；另一方面則是，農(nóng)村居民有著相當(dāng)強(qiáng)的從眾心態(tài)，對節(jié)能的意識較為淡薄。根據(jù)計算，其他支撐結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，對外墻采取保溫措施，建成住宅的熱負(fù)荷后建筑物的熱負(fù)荷顯著降低，若采用實心磚墻，熱負(fù)荷降幅可達(dá)37.8%，主要是由于建筑物的墻壁面積較大。因此，在寒冷地區(qū)，有必要對農(nóng)村地區(qū)的外墻采取隔熱措施。

3.2.3 外窗對建筑熱負(fù)荷的影響

北京農(nóng)村住宅的外窗框材料主要有木窗、鋁合金窗以及塑鋼窗；外窗玻璃主要為單層玻璃和雙層玻璃?？傮w上，雙層窗的隔熱性能要優(yōu)于單層窗，從經(jīng)濟(jì)性以及保溫性能兩個方面來考慮，建議冬季使用雙層玻璃的木窗。在北京農(nóng)村新建住宅和翻修住宅中鋁合金窗和塑鋼窗逐年增多。在這兩種外窗中，中空玻璃的絕佳隔熱性能可利于減少熱量散失，以達(dá)到節(jié)能減排的目標(biāo)，居民可按經(jīng)濟(jì)能力進(jìn)行選擇。

3.2.4 屋面對建筑熱負(fù)荷的影響

北京地區(qū)農(nóng)村住宅的屋頂按照主要分為平坦和斜坡兩種形式，同時按照材質(zhì)又可分為混凝土和木質(zhì)兩種。其中，新住宅中混凝土屋頂居多，木質(zhì)屋頂則主要是老舊房屋。按照農(nóng)村居民的生活習(xí)慣，混凝土材質(zhì)的屋頂砌成平屋頂形式，有利于晾曬谷物，但造價更高；另一方面，木質(zhì)材料主要用于傾斜屋頂，木屋頂相對便宜。屋頂隔熱層的性能與建筑的熱負(fù)荷負(fù)相關(guān)，使用聚苯乙烯板增加屋頂隔熱可以將建筑物的熱負(fù)荷降低近7%。屋頂面積遠(yuǎn)小于外墻面積，隔熱的影響相較外墻更低。

3.2.5 地面對建筑熱負(fù)荷的影響

北方農(nóng)村住宅地面多采用水泥地面和磚鋪地面，基本沒有隔熱性可言。隨著農(nóng)村住戶對于熱舒適度的需求逐漸增長，逐漸意識到風(fēng)濕病和關(guān)節(jié)炎等疾病與室內(nèi)地面溫度的關(guān)聯(lián)性，增強(qiáng)室內(nèi)地面的保溫性能是必要的。

結(jié)語

農(nóng)村的三種傳統(tǒng)供暖方式已經(jīng)落伍，難以滿足當(dāng)下的需求。本文從結(jié)構(gòu)調(diào)整和供熱系統(tǒng)轉(zhuǎn)換的角度，提出了農(nóng)村建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化的思路，并根據(jù)我國北方地區(qū)農(nóng)村的資源條件和經(jīng)濟(jì)條件提出四種可行、高效的供暖系統(tǒng)，可切實改善農(nóng)村寒冷季節(jié)供暖的能耗問題。