氣密性對寒冷地區(qū)農村住宅采暖能耗影響

季永明 范彧菁 胡松濤

氣密性對寒冷地區(qū)農村住宅采暖能耗影響

季永明 范彧菁 胡松濤

（青島理工大學環(huán)境與市政工程學院 青島 266033）

對寒冷地區(qū)的農村住宅關鍵參數進行實地調研，以調研結果為基礎，采用DeST仿真平臺對兩棟典型農村住宅采暖能耗進行模擬，并重點分析氣密性的影響。調研結果顯示，寒冷地區(qū)農村存在住宅結構缺乏科學設計、圍護結構熱工性能不滿足設計標準、建筑氣密性較差的現象。模擬結果顯示，相對于傳統農村住宅，新型農村住宅節(jié)能效果不明顯；單因素影響分析結果顯示，氣密性對住宅采暖能耗影響最顯著；多因素影響分析結果顯示，在現有的基礎上，傳統與新型農村住宅設計參數滿足《農村居住建筑節(jié)能設計標準》GB/T 50824-2013中相關規(guī)定時，采暖季相對節(jié)能率分別為59%、50%，冷風耗熱量比例分別為15%、12%。研究表明，被調研農村存在非常大的節(jié)能潛力，且制定節(jié)能改造策略時，優(yōu)化重心應充分考慮提高建筑氣密性。

農村住宅；氣密性；空氣滲透量；負荷模擬

0 引言

目前，我國現有農戶1.9億，北方地區(qū)約有8000萬戶[1]。據統計，北方地區(qū)農村能源消耗約占全國農村總能源消耗量的56%，其中，有超過80%的農村能源用于滿足采暖需求[2]。由于農村住宅布局混亂，住宅造型隨意，房屋保溫差，采暖效率低等因素[3,4]，造成了其能源消耗雖高，但內部熱舒適性較差的現狀?！侗狈降貐^(qū)清潔取暖規(guī)劃（2017-2021）》中明確指出：北方廣大農村地區(qū)，圍護結構熱工性能較差，導致取暖過程中熱量損耗較大，不利于節(jié)約能源，降低供能成本是清潔取暖發(fā)展面臨的一個迫切需要解決的問題[5]。因而，對農村既有住宅現狀進行調研并對其能耗進行分析，提出相應的節(jié)能策略及改進措施具有重要意義。

刁乃仁等[6]以節(jié)能性和經濟性為目標，對濟南某典型農村住宅熱負荷影響因素、各圍護結構采取保溫措施后的初投資和投資回收期進行了分析，基于分析結果提出了適合不同經濟條件農戶的節(jié)能措施。李淑潔等[7]對京津冀農村地區(qū)的住宅節(jié)能方案進行了探究，探討了住宅外圍護結構保溫與二次能源利用等節(jié)能技術的結合運用方式。宋波等[4]總結了我國村鎮(zhèn)能源利用存在的問題，給出了村鎮(zhèn)住宅用能技術研究及設備開發(fā)參考建議。高賀軒等[8]對山東省某市既有農房基本情況進行了調研，結合DeST模擬分析了農房改造前后的能耗，并制定了十套改造方案。Younes等[9]研究顯示，因空氣滲透導致的熱損失占到住宅熱負荷的25%-50%。豐曉航等[10]在研究氣密性對城鎮(zhèn)住宅能耗的影響時指出：對于寒冷區(qū)住宅，提高氣密性可有效減少采暖能耗。

本研究以寒冷地區(qū)典型農村住宅為例，基于對其關鍵參數的實地調研數據，結合DeST仿真平臺模擬分析了其采暖能耗，并重點分析了氣密性的影響，基于分析結果，提出了農村住宅節(jié)能策略及改進措施。

1 寒冷地區(qū)農村住宅調研

本研究采用實地考察與問卷調研的方法，分別對濰坊地區(qū)兩個村落典型傳統農村住宅（1990年之前建造）和新型農村住宅（1990年之后建造）關鍵參數進行了調研，調研內容包括住宅結構、圍護結構構造、建筑氣密性、內熱源作息、人員習慣等。

1.1 住宅結構

對多個村莊的實地考察發(fā)現，農村住宅的建造具有較大的隨意性。圖1為某調研村落的整體布局圖。對于傳統農村住宅，由于受技術、經濟條件的制約，其面積、層高、朝向、內部隔斷、整體布局等均沒有統一的規(guī)劃，住戶通常根據自己的主觀意愿進行建造，住宅各部分功能區(qū)劃混亂；對于新型農村住宅，具有較初步的規(guī)劃，其住宅占地面積、層高、朝向、整體布局均有統一的規(guī)劃，但宅基地內部構造仍然千差萬別。

圖1 某村落布局（線左側為新村，線右側為舊村）

Fig.1 Layout of a village ( new village on the left ,old village on the right )

本研究選取兩棟典型的農村住宅（傳統與新型）進行詳細論述，其平面結構如圖2所示。傳統農村住宅由廚房、主臥、客廳及次臥組成，南北進深5.79m，東西跨度17.51m，層高3.40m，體形系數0.75；新型農村住宅由廚房、主臥、次臥、客廳、衛(wèi)生間及雜貨間組成，南北進深7.88m，東西跨度17.63m，層高3.40m，體形系數0.66，各住宅窗墻比見表1。上述兩類典型住宅均坐北朝南，均采取坡屋頂。

圖2 濰坊市典型農村住宅平面圖

表1 各住宅窗墻比

注：表中1為傳統農宅，2為新型農宅。

表1顯示，相比之下，新型農村住宅的窗墻比顯著提高，但仍明顯低于《農村居住建筑節(jié)能設計標準》GB/T 50824-2013中限值，即使是最大的新型農村住宅南向窗墻比，也僅為標準限值的一半。此外，《嚴寒和寒冷地區(qū)居住住宅節(jié)能設計標準》JGJ 26-2010中規(guī)定，相應建筑體形系數應低于0.52[12]，以上兩類住宅均遠高于此限值，不滿足標準要求。

1.2 圍護結構熱工參數

調研結果顯示，傳統與新型農村住宅均沒有保溫措施，住宅圍護結構熱工性能較差。以圖2中兩棟典型建筑為例，其圍護結構的構造及傳熱系數如表2所示。

表2 圍護結構材料及傳熱系數

注：①表中1為傳統農宅，2為新型農宅。②傳熱系數為DeST軟件中建筑部件構造計算結果。

表2顯示，現有典型傳統與新型農村住宅各圍護結構傳熱系數均高于《農村居住建筑節(jié)能設計標準》GB/T 50824-2013中相關限值，不滿足標準中相關熱工要求。相比之下，新型農村住宅外墻、屋面熱工性能提高明顯，內墻、地面提高較小，在外窗方面有所降低。

基于美觀及采光方面的考慮，新型農村住宅外窗采用了普通6mm單層玻璃鋁合金窗，且面積較傳統農村住宅有所增大。調研結果顯示，受經濟條件限制，新型農村住宅所采用的鋁合金窗并非廠家組裝成品，均為現場制作。受制作水平及施工條件限制，外門窗結構簡單且無熱橋隔斷措施，且鋁合金的導熱系數大于傳統木窗，導致新型農村住宅外窗傳熱系數有所增加。

1.3 建筑氣密性

調研結果顯示，傳統與新型農村住宅氣密性均非常差，建筑圍護結構中存在大量的空氣滲透路徑。

1.3.1 圍護結構非人為開口

由于技術水平限制，且使用安裝不當，外門窗中存在大量的非常明顯的縫隙，窗/門框與外墻結合部位不嚴密，缺少填充物，且部分窗框、門框均發(fā)生變形，漏風現象嚴重。雖然新型農村住宅采用了鋁合金窗，但是其沒有經過任何氣密性檢驗，且安裝及制作水平粗糙，氣密性水平依然較低。

本次被調研農村住宅均沒有鋼筋混凝土框架，主體為紅磚與鋼筋混凝土空心樓板，地基為巖石、碎石土、黏性土等。大量建筑在使用過程中發(fā)生不同程度的地基沉降、墻面及地面形變開裂現象，導致圍護結構主體出現大量裂縫。此外，建筑本體缺少必要的防水及隔氣措施，且外墻內部砂漿填充不充分，其內部存在大量的空隙，為空氣滲透提供了路徑。

1.3.2 圍護結構人為開口

調研顯示，農村住宅圍護結構中存在大量人為開口，且沒有恰當的封堵措施。部分住宅安裝了抽油煙機，其排風管直接安裝于外墻/外窗中的圓形孔洞中，孔洞與管道尺寸偏差較大，圓周存在較大的縫隙，且管道與室內直接相通，沒有任何防倒流措施。此類空氣滲透路徑還發(fā)生在燃煤爐排煙管與外墻結合部位、家用太陽能熱水器穿墻孔、有線電視穿墻孔、分體式空調穿墻孔等。室內排水管道與外部環(huán)境直接相連，缺少存水彎等密封措施。在特殊時段內，如做飯、室內清掃、燃煤爐引燃時，農戶會選擇打開門窗進行通風，造成建筑在短時間內的大量通風。

1.4 內熱源作息

調研結果顯示，因外出務工、上學等原因，農村住宅內不同季節(jié)人口流動量較大，住宅不同房間人員參數變化明顯。住宅平常為兩人居住，某些時段居住人數變?yōu)槿耍缭诖汗?jié)前后約兩周的時間內外出務工人員回歸，寒暑假在外地上大學的子女回家。因此，作息設定考慮兩種情況：兩人居住和三人居住。人員、設備及燈光作息調研結果如下。

1.4.1 傳統農村住宅

（1）廚房

住宅人員為2人時，內熱源作息見表3；住宅人員為3人時，內熱源作息見表4。

表3 居住人數為2人時，廚房人員、設備及燈光作息

表4 居住人數為3人時，廚房人員、設備及燈光作息

（2）主臥

人員恒為2人，人員及燈光作息見表5。

表5 主臥人員及燈光作息

（3）客廳

人員恒為2人，人員及燈光作息見表6。

表6 客廳人員及燈光作息

（4）次臥

人員為0人時，人員及燈光作息參數均為0，人員為1人時，作息見表7。

表7 次臥人員及燈光作息

1.4.2 新型農村住宅

（1）廚房

住宅人員為2人時，內熱源作息見表8；住宅人員為3人時，內熱源作息見表9。

表8 居住人數為2人時，廚房人員、設備、燈光作息

表9 居住人數為3人時，廚房人員、設備、燈光作息

續(xù)表9 居住人數為3人時，廚房人員、設備、燈光作息

（2）主臥

人員恒為2人，人員及燈光作息見表10。

吳三大原名吳培基。1933年生，西安市人，少承家學，稍長則師從王正基、苗子健研習書畫，又與國畫藝術大師趙望云、石魯交往甚密。在陜西吳三大的書法頗具名氣，與石憲章先生并稱“長安二杰”。生前任中國書法家協會理事、陜西省書協副主席、陜西省書畫藝術研究院名譽院長、陜西省文史館館員。

表10 主臥人員及燈光作息

（3）客廳

人員恒為2人，人員及燈光作息見表11。

表11 客廳人員及燈光作息

（4）次臥

人員為0人時，人員及燈光作息參數均為0；人員為1人時，作息見表12。

表12 次臥人員及燈光作息

（5）衛(wèi)生間

人員最高為2人，作息見表13。

表13 衛(wèi)生間人員及燈光作息

（6）雜物間

表14 雜貨間燈光作息

2 DeST模型設置

以本研究選取的典型農村住宅為對象，在DeST仿真平臺上建立三維模型，如圖3所示。

圖3 DeST三維建筑模型

模型圍護結構熱工參數參考表2設定，房間功能參照實際情況設置，房間內人員、燈光設備熱擾作息參照前文調研結果設置。

2.1 人員及燈光參數

參考相關設計標準及調研情況，人員及燈光熱擾取值如表15所示。

表15 人員及燈光熱擾設置

2.2 設備參數

經調研，除廚房外，其余屋內無大功率設備，其設備熱擾不予考慮。傳統農村住宅中，廚房設備熱擾以爐灶為主。當居住人員為兩人時，每燒制一頓飯，需燃燒稻草、秸稈等7-8斤，燃燒時間大約為30-40min。取稻草、秸稈高位熱值為18803kJ/kg，爐灶熱效率為38.58%[13]，因爐灶自身向四周散熱并有少許煙氣進入室內，故共取43.58%稻草、秸稈的燃燒熱值作為廚房設備的散熱量，設備熱擾最大功率為13.65kW。

新型農村住宅中，爐灶多被淘汰，農戶選擇電飯鍋、燃氣爐具等作為燒制飯菜的工具。調研結果顯示，一般家用電飯鍋運行電流約3-4A（本研究中取3.5A），煮熟一斤米飯約用時30min。根據李秀青對電飯鍋產品熱效率的測試，取電飯鍋熱效率取85%[14]。根據上述參數計算得，做飯共消耗電能1386kJ。本研究中采用臺式大氣式灶，灶具能效等級為二級，根據《家用燃氣灶具能效限定值及能效等級》GB 30720-2014，熱效率取62%[15]，參考傳統農村住宅燒制飯菜所需熱量，灶具最大功率約為17.74kW。綜上，新型農村住宅中，廚房設備熱擾的最大功率為18.39kW。

2.3 空調系統

調研顯示，農村住宅普遍采用依靠自然重力循環(huán)的燃煤爐+鑄鐵散熱器系統，系統熱效率較低，且冬季人員不在屋內時，農戶不會完全關閉采暖系統，會選擇減少供熱量以節(jié)省煤耗。本研究中兩類住宅采暖設備均全天運行。

因農村住宅的特殊性，農戶需經常進出住宅，冬季一般會穿著較厚衣物，且不會頻繁更換衣物，因此，其冬季室內設計溫度應低于城鎮(zhèn)住宅冬季設計溫度。刁乃仁、張兵兵認為，根據農村地區(qū)的生活習慣，冬季采暖設計溫度可設定為14℃-17℃[6]。《農村居住建筑節(jié)能設計標準》GB/T 50824-2013中調查與測試結果顯示，嚴寒和寒冷地區(qū)農村冬季大部分住戶的臥室和起居室溫度范圍為5℃-13℃，超過80%的農戶認為冬季較舒適的采暖室內溫度為13℃-16℃。但是，本研究實際調研過程中，大量用戶提出了提高室溫的需求。

綜上，根據調研情況，本研究住宅冬季室內溫度設置為16℃，人員不在屋內時，室內溫度為4℃。農戶在日常生活中對濕度無明顯要求，故本研究中不考慮室內空氣的濕度控制。

2.4 換氣次數

目前，農村住宅在使用狀態(tài)中的長期換氣次數缺少研究。研究[16,17]中根據城鎮(zhèn)居住建筑氣密性測試結果對其自然狀態(tài)下的換氣次數進行了推算，但是，農村建筑氣密性顯著不同于城鎮(zhèn)居住建筑，因而，無法參考相關氣密性研究結果對其換氣次數進行推算。因此，本研究采用人為假設的方法分析換氣次數對能耗的影響。

根據調研結果，考慮人員進出造成的冷風侵入及建筑自然狀態(tài)下的空氣滲透與通風，假定傳統農村住宅廚房換氣次數為6h-1，其余房間換氣次數為5h-1；新型農村住宅因廚房采取電飯鍋、燃氣爐具等設備，燒制飯菜時無需打開門窗通風，故不予以特別考慮，所有房間換氣次數均為4h-1。

3 改善措施

依據《農村居住住宅節(jié)能設計標準》GB/T 50824-2013中相關規(guī)定，對上述兩類住宅進行改造，擬使傳統與新型農村住宅優(yōu)化后的熱工參數滿足標準要求。首先考慮通過增加外墻、屋面、外窗的保溫隔熱性能，減少建筑圍護結構的耗熱量，具體改善措施見表16。

表16 圍護結構改善措施及改善后傳熱系數

注：1.表中1為傳統農宅，2為新型農宅。2.傳熱系數為DeST軟件中建筑部件構造直接計算結果。

為提高住宅氣密性，可對各農村住宅進行如下改造：窗框替換為廠家組裝成品，在窗框與墻體接觸部分增設密封條，窗戶內側增設窗簾；對墻體部分出現的裂縫進行修補并重新粉刷；人為開口部分，如家用太陽能熱水器穿墻孔、有線電視穿墻孔等，采取封堵措施?！掇r村居住建筑節(jié)能設計標準》GB/T 50824-2013中規(guī)定，嚴寒和寒冷地區(qū)農村居住建筑的臥室、起居室等主要功能房間，冬季計算換氣次數應取0.5h-1。本研究假設優(yōu)化后，房間換氣次數為0.5h-1，傳統農宅中，在燒制飯菜時，廚房內會有煙氣逗留，需開窗通風，假定此時換氣次數為1.5h-1。

4 結果分析

4.1 單因素影響分析

采用控制變量法，參照表16分別對墻體、外窗、屋頂、氣密性等方面進行改良，不同工況下住宅采暖能耗模擬結果見表17。

表17 不同優(yōu)化措施下住宅能耗統計

注：表中相對節(jié)能率計算基準為無優(yōu)化是住宅耗熱量指標。

由表17可知，對于兩棟典型農村住宅，所有因素中氣密性優(yōu)化節(jié)能效果最明顯。對于傳統農村住宅，氣密性優(yōu)化后相對節(jié)能率高達40%；對于新型農村住宅，該數值為36%。外墻優(yōu)化效果次之，對于傳統與新型農村住宅，優(yōu)化后相對節(jié)能率分別為13%與7%。屋頂優(yōu)化后的節(jié)能效果不及外墻，對于傳統與新型農村住宅，優(yōu)化后相對節(jié)能率分別為6%與3%。對于傳統農村住宅，優(yōu)化外窗效果最差，優(yōu)化后相對節(jié)能率僅為2%；對于新型農村住宅，優(yōu)化后相對節(jié)能率僅為5%。

新型農村住宅在外墻及屋頂的建造時，選擇添加部分裝飾材料，如瓷磚、水泥砂漿等，以達到美觀及保暖的目的，因此，在對外墻進行優(yōu)化后，其耗熱量指標下降較傳統農村住宅?。晃蓓斆娣e和外墻相比較小，優(yōu)化后節(jié)能效果差于外墻。農村住宅在選取窗戶時以美觀及采光為目標，極少考慮窗戶的隔熱效果，理論上對外窗進行優(yōu)化后，建筑節(jié)能效果明顯。但是，上述兩棟典型農村住宅窗墻比較小，且朝向單一，導致優(yōu)化外窗節(jié)能效果較差。

綜上所述，以本研究所述兩棟典型農村住宅為例，傳統住宅優(yōu)化先后順序為：氣密性>外墻>屋面>外窗；新型住宅優(yōu)化先后順序為：氣密性>外墻>外窗>屋面。

表17中數據顯示，提高氣密性所帶來的節(jié)能效果遠超其它優(yōu)化措施。本研究進一步分析了住宅在現有熱工條件下，不同氣密性水平下（換氣次數）的建筑采暖能耗、冷風（空氣滲透+冷風侵入+通風）耗熱量占采暖能耗的比例，如圖4、圖5所示。

圖4 不同氣密性下住宅采暖能耗

圖5 不同氣密性下冷風耗熱量比例

由圖4可知，提高住宅氣密性對降低住宅采暖能耗效果非常顯著，換氣次數從10h-1減小到0.5h-1，對于傳統農村住宅，節(jié)能率高達60%；對于新型農村住宅，節(jié)能率高達61%。

此外，圖5顯示，即使提高建筑氣密性使其換氣次數降低到0.5h-1，冷風耗熱量比例仍然較高，對于傳統與新型農村住宅，該比例均為10%。隨著氣密性的降低，冷風耗熱量比例急劇增加，當增加至4h-1時，該比例在傳統農村住宅中已高達53%，在新型農村住宅中已高達49%。

上述分析表明，對上述兩棟典型住宅進行節(jié)能優(yōu)化時，與提高圍護結構熱工性能相比，改善住宅氣密性可帶來更大的節(jié)能效益，尤其是在傳統農村住宅中。

4.2 多因素對住宅能耗影響

考慮同時對外墻、外窗和屋頂進行優(yōu)化，使其滿足《農村居住建筑節(jié)能設計標準》GB/T 50824-2013中相關要求。不同優(yōu)化方案對應住宅采暖能耗如圖5所示。其中，綜合優(yōu)化1為僅考慮外墻、外窗、屋頂優(yōu)化的相應結果，綜合優(yōu)化2為在1的基礎上進一步考慮氣密性優(yōu)化的結果。

圖6（a）顯示，傳統農村住宅中，綜合優(yōu)化方案1的相對節(jié)能率僅為21%；當考慮對氣密性進行優(yōu)化后，綜合優(yōu)化方案2的相對節(jié)能率可提高至59%，此時，住宅耗熱量指標僅為25.77W/m2。同理，圖6（b）顯示，新型農村住宅中，綜合優(yōu)化方案1的相對節(jié)能率僅為16%，低于傳統農村住宅；當考慮對氣密性進行優(yōu)化后，綜合優(yōu)化方案2的相對節(jié)能率可提高至50%，此時，住宅耗熱量指標僅為30.48W/m2。

圖6 不同優(yōu)化措施后的采暖能耗

此外，對于傳統農村住宅，綜合優(yōu)化方案1中冷風耗熱量比例為69%，當考慮對氣密性進行優(yōu)化后，綜合優(yōu)化方案2中該比例降低為15%；對于新型農村住宅，綜合優(yōu)化方案1中冷風耗熱量比例為59%，當考慮對氣密性進行優(yōu)化后，綜合優(yōu)化方案2中該比例降低為12%。

5 結論

本研究對濰坊地區(qū)兩個村落典型農村住宅關鍵參數進行了調研，并以調研數據為基礎，對兩棟典型農村住宅的采暖能耗進行了模擬分析，結論如下：

（1）實地調研結果顯示，寒冷地區(qū)農村存在住宅結構缺乏科學設計、圍護結構熱工性能不滿足設計標準、建筑氣密性較差的現象。

（2）典型住宅采暖季能耗模擬結果顯示，相對于傳統農村住宅（1990年之前建造），新型農村住宅（1990年之后建造）節(jié)能效果不明顯；單因素影響分析結果顯示，氣密性對住宅采暖能耗影響顯著，傳統住宅優(yōu)化先后順序為：氣密性>外墻>屋面>外窗；新型住宅優(yōu)化先后順序為：氣密性>外墻>外窗>屋面；多因素影響分析結果顯示，在現有的基礎上，傳統與新型農村住宅設計參數滿足《農村居住建筑節(jié)能設計標準》GB/T 50824-2013中相關規(guī)定時，采暖季相對節(jié)能率分別為59%、50%，此時冷風耗熱量比例分別為15%、12%。

上述結論充分表明了被調研農村存在非常大的節(jié)能潛力，且制定節(jié)能改造策略時，優(yōu)化重心應充分考慮提高建筑氣密性，以減少住宅冷風耗熱量。

農村住宅分布廣泛且類型各異，本研究僅在有限的調研基礎上對其能耗進行了分析，且空氣滲透量基于假設而定，應在更大范圍進行調研，并對農村建筑氣密性進行實測。

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Numerical Simulation of the Yearly Heating Load of Two Typical Rural Buildings in Cold Area

Ji Yongming Fan Yujing Hu Songtao

(School of environmental and municipal engineering, Qingdao University of Technology, Qingdao, 266033 )

With the high-speeddevelopmentofeconomy, the energy consumption of rural residence in north China has increased rapidly. So, it is of great practical significance to study the energy-saving technology suitable for northern rural residence. The key parameters of rural residence in cold area were investigated firstly. Then, the heating energy consumption of two typical rural residences was simulated using DeST based on the investigationresult. Last, the optimization suggestions for rural residential energy saving were given based on the above analysis results. It can provide references for the upgrading and renovation of rural residential buildings in cold areas. Investigation results show that there are some problems for the rural residence in cold area, such as the lack of scientific design of structure, the failure of the envelope thermal performance in meeting the design standards, and the poor air tightness of building. Simulation results of two typical rural residences show that new rural residence (built after 1990) have no obvious energy saving effect on the traditional one (built before 1990). The results of single factor analysis show that air tightness has the most significant effect on residential heating energy consumption. The results of multi-factor impact analysis show that the relative energy saving rates for the new and traditional rural residence in heating season are 59% and 50% respectively，and the cold air heat consumption ratio are 15% and 12% respectively, when the design parameters of them meet the relevant provisions in GB/T 50824-2013.This research shows that there is a great energy conservation potential for the rural residence in cold area. When formulating energy-saving transformation strategies, the optimization focus should be given full consideration to the improving of building air tightness.

rural building; airtightness; air infiltration; load simulation

TU834.5+1

A

1671-6612（2020）04-406-10

“十三五”國家重點研發(fā)計劃項目子課題（2017YFC0702601）

季永明（1986.12-），男，博士，講師，E-mail：jixia_2008@126.com

2019-10-15