新疆地區(qū)既有農(nóng)宅被動式改造與供暖初期運行效果分析

李 潔，徐 鑫，姚新強，趙家偉

(石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，石河子 832003)

截至2017年，新疆地區(qū)主要能源消費仍以煤炭消費為主，煤炭消費占能源消費總量的66.5%，其中用于供熱的煤炭消費折合標準煤可達2 745×104t[1]。冬季采暖期間大量化石燃料的消耗，不僅是大量一次能源的浪費，還對環(huán)境造成了極大的破壞。隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)的加速，眾多學(xué)者關(guān)注到分散式燃煤供暖的農(nóng)村地區(qū)[2]，建筑節(jié)能設(shè)計尤其是被動式設(shè)計技術(shù)對于改善農(nóng)村地區(qū)建筑采暖能耗現(xiàn)狀是不可忽視的[3-6]。針對新疆地理環(huán)境的附加陽光間[7]、被覆結(jié)構(gòu)蓄熱[8]、集熱墻耦合地下室系統(tǒng)[9]等被動式設(shè)計方案被相繼提出并發(fā)展。但目前新疆農(nóng)村既有住宅圍護結(jié)構(gòu)缺乏有效的保溫措施，在被動式改造之前也亟待開展外圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能改造。因此，在落實目前被動式技術(shù)過程中，如何將外圍護改造與被動式改造相結(jié)合，提升農(nóng)宅太陽能的利用效率是一個值得研究的問題。

以石河子地區(qū)的既有農(nóng)宅為研究對象，根據(jù)石河子地區(qū)氣候條件，從外圍護結(jié)構(gòu)保溫和南墻被動式改造兩方面對其進行被動式節(jié)能改造設(shè)計；在改造前后的冬季供暖初期，對其進行室內(nèi)熱環(huán)境測試，并針對改造后農(nóng)宅測試其圍護結(jié)構(gòu)耗熱量變化，檢驗供暖初期被動式供暖運行節(jié)能效果。以期通過本試驗既有農(nóng)宅被動式改造的經(jīng)驗，為新疆地區(qū)既有農(nóng)宅的改造工作提供實踐參考依據(jù)。

1 既有農(nóng)宅概況

設(shè)計改造的對象為新疆石河子市郊區(qū)某既有農(nóng)宅。該農(nóng)宅坐北朝南，層高為3.0 m，建筑面積為93.34 m2，窗墻面積比為：南向0.25，北向0.13，東向0.10，建筑體型系數(shù)為0.742。由于建成時間較長，其圍護結(jié)構(gòu)相對老舊且基本沒有保溫措施，如屋面的防水層、窗戶玻璃及外墻勒腳等個別部位已經(jīng)破損嚴重。其圍護結(jié)構(gòu)經(jīng)過實地調(diào)查如表1所示，根據(jù)《嚴寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標準》(JGJ 26—2010)的要求[10]，低于三層的居住建筑其屋面、外墻、周邊地面和外窗的傳熱系數(shù)的限值分別為0.30、0.35、0.20、1.8 W·m-2·K-1，該建筑各圍護結(jié)構(gòu)性能均不能滿足節(jié)能設(shè)計標準的要求。

表1 改造前農(nóng)宅圍護結(jié)構(gòu)情況

2 農(nóng)宅改造方案

2.1 外圍護結(jié)構(gòu)改造方案

對于嚴寒地區(qū)，夏季制冷需求相比冬季采暖需求要小很多，節(jié)能改造措施應(yīng)主要考慮冬季保溫問題[11]。農(nóng)宅外墻總面積127.47 m2，采用粘貼 80 mm 厚聚苯乙烯(EPS)板薄抹灰涂料飾面的做法，傳熱系數(shù)為0.28 W·m-2·K-1；屋面總面積87.93 m2，在原保溫構(gòu)造的基礎(chǔ)上，鋪設(shè)100 mm厚的擠塑聚苯乙烯(XPS)板和 80 mm 厚的細石混凝土，傳熱系數(shù)為0.34 W·m-2·K-1；同時，地面鋪設(shè)40 mm厚的XPS板并做50 mm厚的細石混凝土找平，傳熱系數(shù)為0.17 W·m-2·K-1；相比于外墻與屋面，外窗面積為17.01 m2，選用75系列鋼鋁塑復(fù)合框的低輻射玻璃窗。傳熱系數(shù)為1.63 W·m-2·K-1。改造后的農(nóng)宅南立面如圖1所示。

圖1 農(nóng)宅南立面

2.2 南墻被動式改造方案

由于新疆風(fēng)沙較大，被動式改造時不宜采用改造附加陽光間，而選用集熱墻式改造較為實用[12]。改造方案如圖2所示，實體墻式集熱墻通常是利用建筑南立面的外墻，在其表面涂以高吸收系數(shù)的無光深色涂料，并以密封的玻璃蓋板覆蓋而成。為了高效利用太陽能，合理的空氣間層和通風(fēng)口設(shè)計是增強集熱能力的關(guān)鍵[13]。

圖2 農(nóng)宅被動式改造方案

冬季，被集熱墻吸收的太陽輻射熱會通過兩種途徑傳入室內(nèi)：其一是通過墻體熱傳導(dǎo)和墻體內(nèi)表面通過對流及輻射將熱量傳入室內(nèi)；其二主要由玻璃內(nèi)表面和集熱墻外表面通過對流方式將熱量傳給夾層空氣，再由被加熱后的夾層空氣傳入將熱量室內(nèi)，達到升溫的目的。因此，集熱墻供給室內(nèi)的瞬時供熱量可表示為[14]

qcg=qcod+qcov

(1)

式(1)中：qcg為集熱墻供給室內(nèi)的瞬時供熱量，W；qcod為經(jīng)集熱墻傳導(dǎo)進入室內(nèi)的熱量，W；qcov為經(jīng)上下通風(fēng)口自然對流進入室內(nèi)的熱量，W。qcod和qcov可分別按式(2)及式(3)進行計算：

qcod=λ(Tm-Tr)

(2)

(3)

(4)

式(4)中：Ag、Av分別為空氣間層橫斷面積和集熱墻上、下風(fēng)口面積，m2；h為上下通風(fēng)口中心之間的垂高，m；g為重力加速度，m·s-1。

根據(jù)上述公式，可得出集熱墻供給室內(nèi)的瞬時供熱量與三個因素有關(guān)，即因素A(集熱墻上、下通風(fēng)口直徑)、因素B(空氣間層厚度)、因素C(上、下通風(fēng)口距離)。因此，以瞬時太陽輻射量在500 W·m-2，室內(nèi)溫度在14 ℃為前提條件，引入正交模擬計算的方法[16]，每個因素取三個水平。正交模擬計算結(jié)果如表2所示。

表2 正交模擬計算結(jié)果

采用瞬時供熱量的平均值大小來反映同一個因素的各個不同水平對瞬時供熱量影響的大小，同時用同一因素各水平下平均瞬時供熱量的極差R來反映各因素的水平變動對瞬時供熱量影響的大小。由表2得到因素的主次順序依次為通風(fēng)口直徑(因素A)、上下通風(fēng)口距離(因素C)、空氣間層間距(因素B)。并得出最優(yōu)的改造方案為A3B2C3，即在通風(fēng)口直徑選取150 mm，空氣間層間距選取100 mm，上下通風(fēng)口距離選取 2.5 m 時，集熱墻可獲得最佳的瞬時供熱量。

3 試驗方法

根據(jù)外圍護結(jié)構(gòu)改造方案和南墻被動式改造方案，試驗農(nóng)宅在2018年9月完成了改造工作，改造后的農(nóng)宅外景圖如圖3所示。為測試改造后運行效果，采用短期詳細測試的方法，測試時間為2017年11月和2018年11月，分別測試試驗農(nóng)宅改造前后供暖初期的熱工性能，試驗建筑的測點布置見圖4。改造前后室內(nèi)壁面溫度的測點和熱流測點由JTSOFT-DL溫度與熱量動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)監(jiān)測；室內(nèi)溫濕度由記錄；通風(fēng)口風(fēng)速采用JTR07B多通道微風(fēng)測試儀記錄；JTR08多通道溫濕度測試儀每隔30 min記錄室內(nèi)房間溫濕度數(shù)據(jù)；室外環(huán)境數(shù)據(jù)由Vantage Pro2型自動氣象站自動采集。測試儀器及參數(shù)精度如表3所示。

圖3 改造后的農(nóng)宅外景圖

圖4 農(nóng)宅平面測點布置

表3 測試儀器及參數(shù)精度

4 試驗結(jié)果與分析

4.1 農(nóng)宅室內(nèi)熱環(huán)境測試結(jié)果

如圖5所示，根據(jù)儀器測得的氣象資料，分別選取2017年11月22—24日和2018年11月14—16日兩組試驗數(shù)據(jù)進行分析，測試期間均為晴天，室外氣象條件平均氣溫為-14 ℃，低于本地區(qū)歷年同時期的平均溫度-11.1 ℃[17]。因此，本試驗條件相較本地區(qū)的典型氣候仍有一定的余量，能更好反映集熱墻在低溫環(huán)境下的運行效果[18]。

圖5 測試期間室外溫濕度變化

根據(jù)圖6所示，改造前和改造后農(nóng)宅平均溫度分別為-0.7、10.2 ℃，改造后室內(nèi)空氣溫度升溫明顯，且日間集熱墻集熱升溫效果明顯。由于室外氣溫遠低于室內(nèi)氣溫，農(nóng)宅南向臥室在沒有太陽輻射的情況下降溫很快，日夜溫度波動在可達6 ℃。

分析改造后農(nóng)宅日間通風(fēng)口分別為開啟和關(guān)閉狀態(tài)的太陽間和對比間可以發(fā)現(xiàn)，開啟通風(fēng)口的太陽間升溫效果要好于對比間。當(dāng)通風(fēng)口白天開啟時，氣流將集熱墻空氣間層的熱量通過對流方式傳入室內(nèi)，室內(nèi)平均溫度較通風(fēng)口關(guān)閉時高1 ℃左右；而通風(fēng)口關(guān)閉時，白天集熱墻接收到的熱量只能通過墻體傳熱進入室內(nèi)，因此，通風(fēng)口關(guān)閉時夜間室溫波動較開啟時小。

圖6 測試期間室內(nèi)空氣溫度變化

4.2 農(nóng)宅集熱墻被動式采暖測試結(jié)果

為評估改造后農(nóng)宅的被動式采暖效果，選取2018年11月14日作為典型運行工況進行分析。其集熱墻集熱效果隨時間的變化如表4所示。

由表4可知，集熱墻集熱效果隨太陽輻射強度增強而增強，空氣間層的溫度和上通風(fēng)口氣流的平均風(fēng)速均在太陽輻射最強時達到最高，此時集熱墻的集熱效率是最高的。同時，當(dāng)太陽輻射極低時，空氣間層溫度會迅速下降，此時應(yīng)將通風(fēng)口關(guān)閉，防止室內(nèi)熱量向外流失[19]。

試驗時間段內(nèi)農(nóng)宅圍護結(jié)構(gòu)熱流變化如圖7所示，農(nóng)宅圍護結(jié)構(gòu)熱流在夜間波動不大，但白天受到太陽輻射的影響，北墻和窗戶部位熱流隨太陽輻射強度的增加而減小。在改造后，外窗仍是建筑保溫的薄弱處，平均熱流密度為31.65 W·m-2。通過實測熱流計算圍護結(jié)構(gòu)耗熱量以及冷風(fēng)滲透損失，可知典型日的建筑耗熱量為256.82 MJ·d-1。

如圖8所示，由于外墻外表面增設(shè)隔熱性能較好的EPS板，墻體傳熱量較小，集熱墻導(dǎo)入室內(nèi)的熱量較少，墻體平均熱流密度在3.1 W·m-2。而通風(fēng)口對流得熱的瞬時得熱量最高可接近70 W·m-2，是農(nóng)宅被動式采暖的熱量主要來源。在天氣晴好的情況下，綜合計算墻體傳熱量和通風(fēng)口自然對流得熱量，集熱墻向室內(nèi)的供熱量可達 42.6 MJ·d-1。

圖7 不同時刻圍護結(jié)構(gòu)熱流密度變化

圖8 集熱墻向室內(nèi)的瞬時供熱量變化

4.3 農(nóng)宅被動式改造后節(jié)能分析

研究發(fā)現(xiàn)新疆地區(qū)供暖初期太陽輻射較充足，農(nóng)宅改造前后的兩個試驗月太陽輻射量大于 4 MJ·d-1·m-2的晴天數(shù)分別可達到26、24 d。不同于大雪頻繁的供暖中期，長期的晴天非常有利于被動式集熱墻的集熱。表5為試驗農(nóng)宅在兩個試驗月的供暖運行效果。

表5 供暖初期農(nóng)宅供暖運行效果

注：燃煤供暖熱效率為50%[20]，耗煤量折算標準煤系數(shù)為 0.714 3 kgce·kg-1；CO2排放量為2.71 g·kgce-1。

從表5可以看出，在相近的測試環(huán)境下，改造前非節(jié)能農(nóng)宅的日均圍護結(jié)構(gòu)耗熱量高達577.65 MJ·d-1；而在改造后，日均圍護結(jié)構(gòu)耗熱量降低至228.46 MJ·d-1，僅為改造前的39.55%。測試期間，改造后耗煤量折合成標煤相比改造前降低了 29.73 kgce·d-1，僅為改造前的34.86%。被動式供熱為 27.07 MJ·d-1，降低了11.85%的供暖能耗。以上數(shù)據(jù)可以表明，既有農(nóng)宅外圍護改造是建筑節(jié)能的基礎(chǔ)，僅有被動式改造遠遠不能滿足節(jié)能農(nóng)宅的耗熱量要求，被動式改造在農(nóng)宅圍護結(jié)構(gòu)滿足節(jié)能要求的基礎(chǔ)上可以取得良好的節(jié)能效果。

5 結(jié)論

針對新疆地區(qū)既有農(nóng)宅外圍護結(jié)構(gòu)保溫改造和被動式改造相結(jié)合的設(shè)計方案，通過對改造前后農(nóng)宅室內(nèi)熱環(huán)境和被動式改造后采暖效果的測試，得出以下結(jié)論。

(1)通過對新疆地區(qū)既有農(nóng)宅的被動式改造分析可知，在進行農(nóng)宅南墻被動式設(shè)計時，在通風(fēng)口直徑選取150 mm，空氣間層間距選取100 mm，上下通風(fēng)口距離選取2.5 m時，集熱墻可獲得最佳的瞬時供熱量。

(2)完成外保溫改造的被動式集熱墻，墻體傳熱量較小，墻體平均熱流在3.1 W·m-2。在而通風(fēng)口對流得熱的瞬時得熱量最高時可接近70 W·m-2，能有效提升農(nóng)宅日間平均氣溫，是農(nóng)宅被動式采暖的熱量主要來源。

(3)對于目前新疆地區(qū)農(nóng)村住宅存在的一系列問題，有針對性地從外圍護結(jié)構(gòu)改造和南墻被動式改造兩方面入手。在相同的環(huán)境溫度下，改造后的室內(nèi)溫度相比改造前，提升溫度可達10.9 ℃。供暖初期，農(nóng)宅改造后的耗煤量降低至改造前的34.86%，被動式供熱降低了11.85%的供暖能耗。在供暖初期，被動式改造后的農(nóng)宅具有明顯的節(jié)能效果，所需維持室內(nèi)溫度的輔助熱量大幅降低，為本地區(qū)其他農(nóng)村住宅被動式改造提供了改造方案和運行經(jīng)驗。