西北村鎮(zhèn)建筑熱環(huán)境提升與能源高效利用關鍵技術及應用*

0 引言

全面提升西北村鎮(zhèn)建筑宜居水平、改善當?shù)厝嗣裆钯|(zhì)量已是緊迫任務，是解決我國區(qū)域發(fā)展不平衡、不充分的重要舉措。西北村鎮(zhèn)居民生活方式、地域建筑文化、熱工構造樣式、能源供給水平等均有別于城市，造成現(xiàn)有針對城市建筑的室內(nèi)環(huán)境標準、建筑節(jié)能技術、能源供給方式等難以直接沿用，其特殊性主要體現(xiàn)為：

1) 村鎮(zhèn)居民對室內(nèi)溫度在空間和時間上的期望存在差異。西北村鎮(zhèn)建筑由原有冬季無供暖逐步發(fā)展為有供暖，進而升級為標準化供暖，此模式是長期熱適應、生活習慣、能源成本投入之間協(xié)調(diào)的綜合結(jié)果，而且村鎮(zhèn)居民對于不同空間、不同時段的熱環(huán)境需求也存在顯著差異。倘若沿用目前北方城市的統(tǒng)一室溫標準、全面持續(xù)供暖模式勢必會造成能源浪費。

2) 村鎮(zhèn)建筑熱工物性參數(shù)及節(jié)能技術手段和方法特殊。隨著現(xiàn)代建筑新材料不斷涌現(xiàn)，原有建材物性參數(shù)數(shù)據(jù)庫已凸顯陳舊，而在西北地區(qū)強輻射、干燥、低溫等地域性特殊條件下物性參數(shù)也將發(fā)生變化。西北村鎮(zhèn)特殊的建筑文化、宜居需求，造成村鎮(zhèn)建筑的空間布局、形態(tài)特征、構造方式等具有強烈的地域特征；加之建筑節(jié)能的目標和技術手段差異極大，城市采用的現(xiàn)行保溫、被動節(jié)能等技術難以直接套用。

3) 村鎮(zhèn)能源利用方式受制于當?shù)刭Y源條件與技術水平。西北村鎮(zhèn)住區(qū)分散、能源供給體系不完善、經(jīng)濟與環(huán)境承受力不同，加之量大面廣的分布特征，沿用城市集約化能源供給方式必將造成能耗高、代價大的問題。而西北地區(qū)太陽能、風能等可再生能源豐富，且村鎮(zhèn)建筑密度小、層數(shù)低，收集面充足，具備可再生能源技術發(fā)展的先決條件。

因而，需要建立符合西北村鎮(zhèn)居民生活特征的梯級室內(nèi)熱環(huán)境設計參數(shù)，提出適宜的村鎮(zhèn)建筑熱工及低成本被動節(jié)能技術體系，因地制宜地提出基于可再生能源的全鏈條建筑用能支撐方式。構建西北村鎮(zhèn)宜居環(huán)境提升的整體技術思路，以典型工程案例為引導，形成政府激勵、居民自發(fā)的建筑節(jié)能推廣模式。

1 項目總體思路

圍繞西北村鎮(zhèn)建筑宜居環(huán)境提升的緊迫任務，針對農(nóng)村室內(nèi)環(huán)境差、熱工水平低、用能系統(tǒng)不完善等現(xiàn)實問題，在“十二五”國家科技支撐計劃、國家自然科學基金等項目持續(xù)支持下，在西北村鎮(zhèn)人群差異化熱需求及室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)、地域建筑熱工物性參數(shù)及節(jié)能設計原理與方法、太陽能等可再生能源低成本高效供暖技術等方面取得了系列研究成果，初步構建了適用于西北村鎮(zhèn)建筑的室內(nèi)熱環(huán)境提升與全鏈條建筑用能支撐體系。

研究形成了以西北村鎮(zhèn)建筑室內(nèi)差異化熱需求為目標、高效被動建筑節(jié)能技術及關鍵參數(shù)為基礎、全鏈條可再生能源供暖系統(tǒng)設計優(yōu)化方法為支撐的成套技術方法，提出了多技術和多環(huán)節(jié)分擔、依次遞進的節(jié)能技術思路，有效緩解了單項技術成本大、可靠性低的問題。在陜西、甘肅、青海等西北地區(qū)建設了20余處村鎮(zhèn)建筑綜合節(jié)能示范工程，有效改善了西北村鎮(zhèn)建筑的宜居水平，提升了建筑能源利用效率。

2 項目研究成果

該項目在西北村鎮(zhèn)人員差異化熱需求與梯級室內(nèi)環(huán)境調(diào)控原理與方法、建筑熱工及被動節(jié)能設計原理與技術、可再生能源全鏈條高效供暖優(yōu)化設計方法等方面取得了一定創(chuàng)新成果。

2.1 西北村鎮(zhèn)人員差異化熱需求及梯級環(huán)境參數(shù)

對于西北村鎮(zhèn)“原有無供暖—逐步有供暖—標準化供暖”的發(fā)展事實，現(xiàn)有城市采用的高標準溫度參數(shù)難以適用。研究提出了西北村鎮(zhèn)人員差異化熱需求的梯級室內(nèi)環(huán)境調(diào)控原理與方法，一定程度上克服了現(xiàn)有的統(tǒng)一室內(nèi)設計參數(shù)、無差別供暖、浪費能源的問題[1]。

2.1.1西北村鎮(zhèn)居民室內(nèi)活動軌跡及熱適應機理

西北村鎮(zhèn)居民的特有生產(chǎn)生活方式、長期熱適應過程，造成人體主觀熱反應和熱環(huán)境需求有別于城市居民。而且，西北村鎮(zhèn)居民冬季室內(nèi)活動軌跡具有典型規(guī)律性[2]，且對于室內(nèi)溫度在空間和時間上的期望也存在顯著差異。經(jīng)過10余年對西北村鎮(zhèn)地區(qū)建筑熱環(huán)境測試及逾萬人的主觀熱反應調(diào)查，掌握了西北村鎮(zhèn)居民長期熱適應評價(見圖1)及室內(nèi)典型活動規(guī)律，明確了晝間15.0～16.5 ℃、夜間11.5～13.0 ℃的典型熱中性溫度范圍特征，還闡明了建筑室內(nèi)環(huán)境參數(shù)對人體皮膚溫度、散熱方式和熱舒適的影響關系。

圖1 居民長期熱適應評價

2.1.2西北村鎮(zhèn)人體時空差異化熱舒適需求機理

依據(jù)西北村鎮(zhèn)建筑室內(nèi)人員實際活動規(guī)律，提出了“室內(nèi)全空間—人員活動區(qū)—夜間休眠區(qū)”的熱環(huán)境調(diào)節(jié)空間遞進、能耗遞減節(jié)能設計原理；提出了適用于人員頭部和軀干兩段式熱舒適的“被褥—房間—輻射”溫度參數(shù)匹配方法，如圖2所示；揭示了村鎮(zhèn)人員進入熱舒適區(qū)和離開不可接受區(qū)的差異化調(diào)控目標，據(jù)此確定出時間、空間雙維度的差異化主被動調(diào)控模式轉(zhuǎn)換條件。睡眠熱舒適度評價如圖3所示。

圖2 人員睡眠熱舒適分析

圖3 睡眠熱舒適度評價

2.1.3西北村鎮(zhèn)分時分區(qū)室內(nèi)熱環(huán)境設計參數(shù)體系

依據(jù)村鎮(zhèn)人群長期熱適應機理，結(jié)合村鎮(zhèn)建筑臥室、客廳、衛(wèi)生間等功能特征，揭示了人體熱舒適和熱環(huán)境營造目標在時間、空間上的分布規(guī)律?；诖?，在原供暖室內(nèi)設計溫度“單一恒定”的基礎上，增加了不同功能空間差異化溫度、非供暖時段可接受溫度、睡眠被褥-空間組合溫度等“多段梯級”代替現(xiàn)有“單一恒定”的分時分區(qū)系列室內(nèi)溫度取值，不同體周熱阻、不同活動強度下晝夜分時各房間期望溫度分別如圖4、5所示。初步獲得白天(約16 ℃)、夜間空間(約12 ℃)/被褥(約30 ℃)的基本室溫推薦[3]。當然，在社會經(jīng)濟水平持續(xù)提升、人民對美好生活向往不斷追求下，逐步實現(xiàn)鄉(xiāng)村建筑達到更高標準室內(nèi)舒適度是共同愿望。

圖4 不同體周熱阻條件下晝夜分時各房間期望溫度

圖5 不同活動強度條件下晝夜分時各房間期望溫度

2.2 西北村鎮(zhèn)建筑熱工參數(shù)與被動節(jié)能原理和方法

針對原有建筑材料物性參數(shù)數(shù)據(jù)庫陳舊，西北典型使用條件下數(shù)據(jù)缺失，村鎮(zhèn)建筑空間形態(tài)、構造方式特殊，建筑節(jié)能目標和技術手段與城市相比差異極大等問題，提出了西北村鎮(zhèn)常用建筑材料物性參數(shù)修正計算方法，建立了適宜的被動節(jié)能設計原理與技術。

2.2.1西北村鎮(zhèn)常用建材物性參數(shù)修正計算方法

通過大量調(diào)研，歸納掌握了西北地區(qū)典型的干熱、干冷氣候特征及村鎮(zhèn)建筑常用建材類型[4]；研究揭示了村鎮(zhèn)建筑圍護結(jié)構內(nèi)部熱濕動態(tài)分布規(guī)律，通過實驗研究明確了典型熱濕條件與建筑材料導熱系數(shù)等物性參數(shù)之間的定量關系[5]；提出了西北村鎮(zhèn)常用建筑材料附加導熱系數(shù)修正計算方法；進而建立了村鎮(zhèn)建筑圍護結(jié)構傳熱量準確計算模型，完成了圍護結(jié)構傳熱系數(shù)整體修正[6]；增加了40余種常用建材含濕狀態(tài)下的導熱系數(shù)、蓄熱系數(shù)、比熱容等基礎數(shù)據(jù)，見表1。

表1 典型條件下建材物性參數(shù)(干燥狀態(tài))

2.2.2西北村鎮(zhèn)建筑熱工節(jié)能設計原理與優(yōu)化方法

分析闡明了西北地區(qū)太陽輻射在建筑中的時間、空間差異化分布特征，建立了太陽輻射、氣溫雙波動建筑動態(tài)熱過程分析模型；提出了太陽能富集區(qū)建筑朝向修正率重構方法。創(chuàng)建了南向無保溫、東西向適當保溫、北向加強保溫的朝向依次增強保溫節(jié)能設計方法，以及晝夜動態(tài)保溫原理與方法。進而依據(jù)西北村鎮(zhèn)經(jīng)濟水平現(xiàn)狀，兼顧建筑得熱與投資成本關系，形成了村鎮(zhèn)建筑圍護結(jié)構保溫體系優(yōu)化順序及熱阻配比計算方法。

2.2.3西北村鎮(zhèn)建筑保溫與被動節(jié)能技術及參數(shù)

基于太陽能在建筑中利用的實際情況，開發(fā)了動態(tài)保溫窗簾、太陽能蓄熱屋頂、通風供暖墻等低成本建筑保溫與被動節(jié)能關鍵技術；提出了以“有效得熱”代替“總得熱”的建筑保溫及被動節(jié)能優(yōu)化原理[7]，重新構建了建筑熱工及被動構件優(yōu)化設計參數(shù)；并開發(fā)出被動村鎮(zhèn)建筑動態(tài)熱環(huán)境與負荷計算程序，進而揭示了被動技術室內(nèi)熱環(huán)境營造特征，提出了村鎮(zhèn)建筑各功能房間室內(nèi)熱需求與被動節(jié)能技術優(yōu)化匹配關系，如表2所示，實現(xiàn)了被動太陽能技術高效精準利用。

表2 建筑空間需求模式與被動太陽能技術匹配關系

2.3 西北村鎮(zhèn)建筑全鏈條用能系統(tǒng)優(yōu)化設計方法

注：Es為主源輸出的量；ηeq為設備系統(tǒng)傳遞效率；ηp為建筑端有效收益率。圖6 能源系統(tǒng)全鏈條熱力過程及統(tǒng)一流程

2.3.2系列精準供暖末端及能源高效利用關鍵技術

研究建立了基于“移峰填谷”熱蓄調(diào)的可再生能源熱源設計方法[10]；提出了南北分環(huán)、床房分控供暖系統(tǒng)，有效緩解了原有無差別供暖室內(nèi)溫度過高、能源浪費的問題。研發(fā)了太陽能相變?nèi)∨?、強化對流輻射地板[11]、低溫盤管暖床等分別適用于房間、床、局部空間的靈活高效末端設備[12-14]，如圖7所示，并給出了散熱量計算方法和選型依據(jù)，實現(xiàn)了有限可再生能源的高效精準利用。

圖7 床房分控供暖系統(tǒng)(單位：mm)

2.3.3全鏈條可再生能源供暖設計方法及運行策略

提出了“村鎮(zhèn)節(jié)能規(guī)劃—適宜建筑模式—建筑高效保溫—被動技術優(yōu)先—可再生能源補充—常規(guī)能源備用”的多技術依次有機組合的節(jié)能設計思路。通過優(yōu)化分析揭示了各項技術配合邏輯關系及熱負荷分擔份額，形成了多層級遞進的組合式全鏈條可再生能源供暖節(jié)能技術體系(見圖8)，避免了單項技術成本高、代價大的問題[15]。

圖8 可再生能源供暖全鏈條節(jié)能技術思路

3 推廣應用情況及效果

研究形成的適用于西北村鎮(zhèn)的建筑熱環(huán)境設計參數(shù)、建筑熱工節(jié)能設計方法、低成本被動節(jié)能關鍵技術、高效可再生能源供暖全鏈條優(yōu)化設計方法等成果，先后在西北20余處村鎮(zhèn)建筑綜合節(jié)能示范工程中進行了應用，基本實現(xiàn)了新建鄉(xiāng)村建筑近零能耗運行，既有鄉(xiāng)村建筑改造降低供暖能耗50%以上，有效提升了西北村鎮(zhèn)建筑宜居環(huán)境水平，經(jīng)濟、社會和環(huán)境效益顯著。

1) 青海剛察縣藏農(nóng)牧民定居主被動組合式太陽能供暖示范工程。針對青海海北藏族自治州農(nóng)牧區(qū)特有的氣候資源條件、地域建筑文化導致的現(xiàn)有設計標準不適用問題，提出了適宜于該藏農(nóng)牧區(qū)定居工程的住宅室內(nèi)熱環(huán)境設計、被動太陽能技術，配合主動太陽能高效供暖系統(tǒng)建成示范建筑100余戶，約1萬m2，實現(xiàn)了建筑近零能耗運行。

2) 陜西、甘肅等省份典型村鎮(zhèn)建筑綜合節(jié)能示范工程。針對陜西、甘肅、寧夏等省份特殊的氣候資源條件、建筑形式、宜居環(huán)境需求等條件，分別針對鄉(xiāng)村農(nóng)宅、中小學校舍、鄉(xiāng)村公共服務站等類型建筑提出綜合采用梯級室內(nèi)環(huán)境參數(shù)、高效保溫措施、低成本被動節(jié)能技術等全鏈條節(jié)能技術體系，建成10余處典型綜合節(jié)能示范工程，節(jié)能效果顯著。

4 結(jié)語

當然，西北村鎮(zhèn)地區(qū)宜居環(huán)境全面提升除了理論技術層面問題之外，還受當?shù)亟?jīng)濟水平等因素制約，只有國家政策、技術方法、民眾自發(fā)等幾個方面同時得到落實和保障，才會徹底解決西北村鎮(zhèn)建筑節(jié)能、環(huán)境宜居問題。