遼西地區(qū)農(nóng)村典型性住宅熱環(huán)境研究

禹福濤，姜雪瑩，唐佳麗，王鑫磊，朱浩林，陳 鵬

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)，遼寧 阜新 123000)

1 概述

隨著國家高速發(fā)展，作為世界人口大國，在國民經(jīng)濟(jì)水平得到提高的情況下，住宅建設(shè)得到了大力發(fā)展。中國是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)村居住地也占了城鄉(xiāng)住宅面積的70%以上，所以針對(duì)于農(nóng)村住宅熱環(huán)境的研究是必不可少的，而隨著扶貧攻堅(jiān)的戰(zhàn)略部署接近尾聲，農(nóng)民生活水平逐漸提高，家家戶戶達(dá)到小康生活，農(nóng)村住宅建設(shè)水平提高，農(nóng)民對(duì)于住宅的舒適度要求也相應(yīng)的提高。農(nóng)村建筑節(jié)能問題是關(guān)系國家可持續(xù)發(fā)展的重要問題，是“碳達(dá)峰～碳中和”戰(zhàn)略的重要指標(biāo)之一，面對(duì)這樣的情況，針對(duì)農(nóng)村住宅熱環(huán)境的研究任重而道遠(yuǎn)。

在我國，農(nóng)村建筑能耗占全國建筑總能耗的37%。根據(jù)清華大學(xué)的研究顯示，北方城鎮(zhèn)采暖單位面積能耗為19.8 kgce/(m2·a),南方地區(qū)采暖單位面積能耗僅為1.7 kgce/(m2·a)[1]。由于北方地區(qū)農(nóng)村的供暖能耗較高，所以北方地區(qū)農(nóng)村每平方米建筑能耗是南方地區(qū)的2倍乃至更高[2]。而針對(duì)北方農(nóng)村的節(jié)能改造，需要改善農(nóng)村住宅,降低采暖負(fù)荷;因地制宜,改變傳統(tǒng)采暖方式;優(yōu)化農(nóng)村用能結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展;加強(qiáng)適宜新技術(shù)在農(nóng)村的推廣和應(yīng)用[3]。據(jù)研究表明，影響遼寧地區(qū)住宅建筑能耗的因素很多，其中主要因素有室外熱環(huán)境、圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫狀態(tài)以及采暖供熱系統(tǒng)的效率[4]。許東等人針對(duì)我國遼寧地區(qū)農(nóng)村住宅存在的采暖能耗高而居住熱環(huán)境差的問題,提出了適合遼寧農(nóng)村住宅的保溫節(jié)能措施[5]。住宅的熱環(huán)境給人提供的熱感覺引進(jìn)了熱舒適率，自然通風(fēng)影響著這一指標(biāo)[6-7]。能源需求的最大減少是通過改善溫帶大陸性氣候區(qū)的通風(fēng)實(shí)現(xiàn)的[8]?；谝陨涎芯?，選取遼西地區(qū)兩棟農(nóng)村典型性住宅調(diào)研，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，對(duì)比分析兩類房屋內(nèi)外熱環(huán)境的差異，總結(jié)室內(nèi)熱環(huán)境存在的問題，以便為遼西地區(qū)典型性住宅室內(nèi)熱環(huán)境的改善和新民居設(shè)計(jì)提供參考。

2 研究方法

2.1 研究對(duì)象概況

遼寧地處我國東北地區(qū)南部，屬于溫帶季風(fēng)氣候，其氣候四季分明，夏短冬長，寒冷期較長，平原風(fēng)大，北風(fēng)和西北風(fēng)是冬季主導(dǎo)風(fēng)向。遼寧地區(qū)農(nóng)村住宅多為農(nóng)村居民自己建造的一層獨(dú)立式建筑。

實(shí)測(cè)房屋平面圖如圖1所示，據(jù)調(diào)研，住宅大小在60 m2左右，房屋墻壁材料為土磚和混凝土，墻壁厚度為40 cm，外墻厚20 cm；窗戶為鋁制框，由防沙層和玻璃層兩層構(gòu)成。北方地區(qū)的住宅通常都有外門窗，而選取合適的外門窗材料，設(shè)計(jì)合理的窗墻比和外窗開啟方式以及減少外門窗空氣滲透量是提高門窗保溫性能的重要措施[9]。住宅內(nèi)未安裝空調(diào)以及暖氣設(shè)施。住宅坐北朝南，是典型的中國建筑，研究顯示，在晴天和陰天，朝東和朝西房屋的TSRs分別比朝南房屋的TSRs低67%和33%，比朝北房屋的TSRs低33%和33%[10]。

2.2 實(shí)測(cè)儀器

本次實(shí)測(cè)采用了三種器材，一是華誼數(shù)字溫濕度計(jì)，二是TES紅外線測(cè)溫儀，三是TM856風(fēng)量風(fēng)速測(cè)量?jī)x。

1)華誼數(shù)字溫濕度計(jì)(見表1)。

表1 華誼數(shù)字溫濕度計(jì)量程及精度

2)TES紅外線測(cè)溫儀(見表2)。

表2 TES紅外線測(cè)溫儀量程及精度

3)TM856風(fēng)量風(fēng)速測(cè)量?jī)x(見表3)。

表3 TM856風(fēng)量風(fēng)速測(cè)量?jī)x量程及精度

2.3 實(shí)驗(yàn)方案

分兩個(gè)小組，從早上8點(diǎn)到傍晚7點(diǎn)，一組測(cè)量尖頂房，另一組測(cè)量平頂房，每隔1 h測(cè)一次。從外部開始，使用TES紅外線測(cè)溫儀分別測(cè)量住宅外墻東南西北四個(gè)方向墻體和地面以及頂棚溫度，同時(shí)，使用TM856風(fēng)量風(fēng)速測(cè)量?jī)x測(cè)量風(fēng)速、干溫度和相對(duì)濕度。然后到住宅內(nèi)使用TES紅外線測(cè)溫儀分別測(cè)量東西廂房東西南北四個(gè)方向的墻體和地面以及頂棚的溫度，同時(shí)使用PM6508數(shù)字溫濕度計(jì)測(cè)量住宅內(nèi)部的溫度及濕度。

3 結(jié)果與分析

3.1 平頂房與尖頂房東西屋及外部溫濕度比較

平頂房與尖頂房東西屋及外部溫濕度比較見圖2～圖18。

如圖2所示，通過對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的整理比較，從溫度角度來看，尖頂房東西屋的干溫度變化大致相同，溫度波動(dòng)幅度不大，變化范圍在27 ℃～31 ℃之間，相對(duì)于室內(nèi)溫度，室外溫度波動(dòng)幅度較大，變化范圍在27 ℃～36 ℃之間，主要的波動(dòng)在11時(shí)～15時(shí)之間，溫度明顯上升，高于室內(nèi)溫度，而這段時(shí)間內(nèi)，太陽直射，推斷是由于受到太陽輻射的影響；反觀平頂房的溫度變化，如圖3所示，不論是東西屋室內(nèi)溫度，還是室外溫度，其變化規(guī)律大體上都是一樣的，變化范圍在26 ℃～34 ℃之間，變化幅度較大。尖頂房與平頂房室內(nèi)外溫度比較存在差異，在同是磚混結(jié)構(gòu)的條件下，尖頂房的散熱能力明顯高于平頂房的散熱能力。

從濕度角度來看，尖頂房東西房?jī)?nèi)濕度變化趨勢(shì)基本上一致，從9時(shí)到12時(shí)東西屋濕度的大小以及變化基本成一條線，但東廂房在12時(shí)～15時(shí)之間的濕度變化幅度較西廂房的大，而且這段時(shí)間內(nèi)，東廂房的濕度一直低于西廂房的濕度。從11時(shí)開始，濕度逐漸下降，12時(shí)～13時(shí)下降速率相對(duì)較快，而東廂房的下降速率明顯大于西廂房的下降速率；在之后的1 h內(nèi)，室內(nèi)濕度又突然回升，但仍然低于初始濕度；之后濕度又開始下降，1 h后，濕度再度回升，直至達(dá)到初始濕度左右；兩次的下降中，東廂房的濕度最低降到55%左右，比室外濕度還低。相對(duì)于尖頂房室內(nèi)來說，室外濕度除在10時(shí)～11時(shí)之間下降較快，在15時(shí)～16時(shí)上升較快外，其余時(shí)間相對(duì)平穩(wěn)，11時(shí)～15時(shí)這段時(shí)間內(nèi)室外濕度保持在60%左右。與尖頂房不同，平頂房室內(nèi)外濕度的變化趨勢(shì)是一致的，從7時(shí)開始到13時(shí)，濕度在持續(xù)下降，最低至57%，與最高濕度相差18%，之后一直到19時(shí)，其濕度在不斷的回升，直至初始濕度左右。不論是從溫度還是濕度角度看，尖頂房的變化都多于平頂房，且尖頂房的溫度跨度在3 ℃左右，濕度跨度在8%左右，而平頂房的溫度跨度在5 ℃左右，濕度跨度在18%左右，尖頂房的溫濕度變化明顯小于平頂房的溫濕度變化。

3.2 四墻及頂棚地面溫度比較

如圖5，圖6所示，平頂房東西廂房六面溫度變化趨勢(shì)大體一致，排除操作帶來的誤差，溫度在20 ℃～25 ℃之間來回波動(dòng)，其中，頂棚基本高于墻體溫度，四面墻體溫度大體上一致，四面墻體溫度又高于地面溫度。如圖9所示，平頂房外部墻體，在8時(shí)，東墻的溫度與其余測(cè)量點(diǎn)的溫度相差10 ℃左右。在8時(shí)～12時(shí)溫度明顯高于其余墻面和地面，東墻溫度這段時(shí)間內(nèi)有明顯波動(dòng)，先上升至38 ℃左右后又下降至30 ℃左右，此時(shí)為13時(shí)，除地面溫度在25 ℃左右外，其余測(cè)量點(diǎn)溫度也升至30 ℃左右，在此時(shí)間段內(nèi)，地面溫度剛開始時(shí)高于除東墻外的其他墻體溫度，雖同其他墻體有溫度的增幅，但其增幅不大，反有降低；之后測(cè)量時(shí)間段內(nèi)，東南北三墻的墻體溫度在30 ℃左右徘徊，西墻體溫度從8時(shí)開始一直呈上升趨勢(shì)，在13時(shí)后，西墻溫度明顯高于其余測(cè)量點(diǎn)溫度，在15時(shí)達(dá)到最高45 ℃左右，之后溫度逐漸降低。整體來看，平頂房外墻溫度波動(dòng)較大。如圖4，圖7所示,尖頂房東西廂房6個(gè)測(cè)量點(diǎn)溫度變化趨勢(shì)基本一致，地面溫度皆低于其他測(cè)量點(diǎn)，東廂房6個(gè)測(cè)量點(diǎn)的溫度在25 ℃～30 ℃之間波動(dòng)；西廂房的6個(gè)測(cè)量點(diǎn)溫度在25 ℃左右波動(dòng)。如圖8所示,尖頂房外墻及地面變化趨勢(shì)大體一致，溫度在20 ℃～30 ℃之間波動(dòng)，跨度較大；頂棚溫度明顯高于其他測(cè)量點(diǎn)，且在15時(shí)達(dá)到最高，之前溫度持續(xù)上升，之后溫度下降至與其他測(cè)量點(diǎn)溫度差不多。

3.3 不同東西屋及外部環(huán)境溫濕度的比較

如圖12所示，尖頂房東廂房的溫度略微低于平頂房東廂房，但都在30 ℃左右波動(dòng)；平頂房屋內(nèi)的濕度與尖頂房屋內(nèi)的濕度在70%～60%之間，其濕度變化分為兩大部分，前半部分降低至測(cè)量時(shí)段最低，后半部分由最低點(diǎn)回升至初始濕度左右。平頂房的濕度稍低于尖頂房的濕度，平頂房的濕度變化趨勢(shì)較尖頂房平緩。如圖11所示，同東廂房一樣，尖頂房西廂房的溫度略微低于平頂房西廂房，也都在30 ℃左右波動(dòng)；西廂房的濕度變化同東廂房相差無幾，唯一不同點(diǎn)在于，尖頂房的濕度變化程度較東廂房濕度變化小。如圖10，圖13所示，而屋外的濕度與溫度的變化基本重合成一條線，變化趨勢(shì)與東西屋溫濕度變化趨勢(shì)大體一致，尖頂房與平頂房的外部地面溫度變化趨勢(shì)基本都是呈上升趨勢(shì)，而尖頂房的外部地面溫度變化較平緩，平頂房的外部地面溫度變化較多。

3.4 平頂房與尖頂房同屋同墻比較

如圖17所示，尖頂房與平頂房的東廂房的東墻體溫度在測(cè)量時(shí)段內(nèi)尖頂房溫度明顯高于平頂房溫度；初始時(shí)，尖頂房與平頂房的東墻體溫度基本相同，直至17時(shí)前，尖頂房東屋東墻體溫度增長至30 ℃并在一段時(shí)間內(nèi)保持在這個(gè)溫度；而平頂房東屋東墻體溫度在17時(shí)前一直在20 ℃～25 ℃之間來回波動(dòng)，之后與尖頂房東屋墻體溫度一樣上升。如圖16所示尖頂房西屋東墻體溫度在25 ℃左右徘徊，而尖頂房西屋東墻體溫度在20 ℃～25 ℃之間波動(dòng)，尖頂房西屋東墻體溫度明顯高于平頂房西屋東墻體溫度。如圖14所示，外部墻體，平頂房的墻體明顯高于尖頂房的墻體溫度，平頂房外部墻體溫度變化幅度大，而尖頂房外部墻體溫度變化較平緩，在25 ℃～30 ℃之間來回波動(dòng)。如圖18所示，東屋頂棚的比較中，尖頂房的溫度明顯高于平頂房的溫度，而地面的溫度恰恰相反，尖頂房的溫度明顯高于平頂房的溫度。如圖15所示，西屋的頂棚比較中，尖頂房的溫度高于平頂房的溫度且尖頂房的變化趨近于一條直線，在25 ℃左右，而平頂房的溫度在20 ℃～25 ℃之間波動(dòng)；地面溫度的變化比較同頂棚差不多。

4 結(jié)論

通過對(duì)遼西地區(qū)農(nóng)村典型性住宅進(jìn)行夏季溫濕度的實(shí)測(cè)結(jié)果分析，得到如下結(jié)論：

1)相較而言，在測(cè)量時(shí)間段內(nèi)，尖頂房?jī)?nèi)部濕度變化幅度沒有平頂房的大，較平緩；平頂房?jī)?nèi)部溫度變化平緩，增幅不大，且內(nèi)環(huán)境溫度與外環(huán)境溫度基本一致，也就是說墻體隔溫效果差。

2)就分析所得，尖頂房?jī)?nèi)環(huán)境溫度低于平頂房?jī)?nèi)環(huán)境溫度。尖頂房東西屋溫度在測(cè)量時(shí)段內(nèi)存在明顯起伏波動(dòng)，而平頂房東西屋溫度變化僅先下降后上升兩個(gè)階段。在測(cè)量時(shí)段內(nèi)，尖頂房?jī)?nèi)環(huán)境濕度高于平頂房?jī)?nèi)環(huán)境濕度。

3)由于太陽輻射，外墻體溫度變化多，幅度大，內(nèi)墻體溫度變化少，幅度較小，內(nèi)外墻體溫度差異大。在同是磚混結(jié)構(gòu)的條件下，尖頂房的散熱能力明顯高于平頂房的散熱能力。

4)在測(cè)量時(shí)段內(nèi)，外墻體包括地面和頂棚的溫度上升較快，且變化較大；尖頂房的頂棚和地面溫度高于平頂房的頂棚和地面溫度。尖頂房的墻體溫度相較于平頂房的墻體溫度變化平緩。