局部供暖條件下農村居住建筑能耗的影響因素

張瑞鳳，王浩，劉際洲，葉泉，高瑞瀅，趙魯，徐振軍

(青島農業(yè)大學建筑工程學院，山東青島 266109)

有關資料顯示，2015年，中國農村居住建筑總建筑面積已達到238億m2，與農村居住建筑相配套的能源設備消耗的能源達2.13億t標準煤，占全國總建筑能耗的25%左右[1]。另據(jù)文獻[2]報道，2016年，中國居住建筑運行能耗占全國建筑能耗的61.5%，其中城鎮(zhèn)居住建筑能耗占37.7%，農村居住建筑能耗占23.7%。可以看出，農村居住建筑能耗占比有所下降，但農村居住建筑能耗總量并沒有下降，而是呈逐年上升態(tài)勢。近年來，中國經濟繼續(xù)以較高的速度平穩(wěn)發(fā)展，農民收入水平也顯著提高，尤其在2020年全國脫貧攻堅取得全面勝利后，農民對生活品質的要求越來越高，農村居住建筑面積越來越大，農民對居室內熱濕環(huán)境的要求越來越高，能耗也越來越大。因此，農村建筑，尤其是農村居住建筑的節(jié)能問題應該受到更多的關注[3]。中國北方地區(qū)受地理位置、氣候特點的影響，農村居住建筑的能耗主要體現(xiàn)在冬季供暖上，而農村居住建筑圍護結構熱工性能普遍較差，實現(xiàn)全面供暖能耗巨大[4]。眾多的科研工作者針對建筑供暖進行了大量的研究，主要集中在建筑熱工性能和能源種類等方面。Nair等[5]對瑞典的3 000棟居住建筑進行了調查，研究影響居住建筑能耗的因素，并提出降低能耗的有效方法；Aste等[6]對農用建筑外墻的熱惰性進行研究，發(fā)現(xiàn)了建筑外墻的熱惰性和建筑能耗之間的關系，并給予量化；Carrilho da Gra?a等[7]對一典型獨棟住宅進行研究，并論證應用太陽能實現(xiàn)凈零能耗的可行性；Warren等[8]對美國采用天然氣采暖的居住建筑進行研究時得出，采暖度日數(shù)和天然氣采暖能耗呈線性關系。國內的研究一般聚焦在建筑的圍護結構、能源利用形式等方面[9-11]。受農村經濟發(fā)展水平限制，不可能立即對農村居住建筑圍護結構熱工性能進行大規(guī)模改造，而城市集中供暖模式又因熱源、管網(wǎng)等前期投入巨大，不適宜在農村全面推廣。本文在不改變農村居住建筑圍護結構熱工性能的條件下，采用理論計算和現(xiàn)場測試等方式，從建筑形式、局部供暖范圍、簡易太陽房的增設、室內供暖溫度的改變等方面，研究農村居住建筑能源消耗規(guī)律，為農村居住建筑其他供暖方式的應用提供理論基礎。

1 物理與數(shù)學模型

1.1 物理模型

如圖1所示，典型農村居住建筑包括4個臥室和1個客廳，建筑面積約為85 m2，面寬10.6 m，進深8 m，高3 m，坡屋頂，正南正北朝向。該建筑可供四口之家居住，建筑結構尺寸及溫度測點如圖1所示。表1為農村居住建筑圍護結構熱工參數(shù)。

圖1 物理模型平面圖

表1 物理模型圍護結構熱工參數(shù)

1.2 能耗計算模型

選用了幾種不同形式局部供暖農村居住建筑模型，分別記為N1、N2、N3、N4、N5、N6模型。N1、N2、N5、N6模型是對2個房間進行部分供暖，其中N1模型是對南向向陽面2個房間進行供暖，N2模型是對北向背陽面2個房間進行供暖，N5、N6模型是從南向向陽面房間和北向背陽面房間中各取1間進行供暖。N3模型是對南向向陽面2個房間及客廳進行供暖，N4模型是對北向背陽面2個房間及客廳進行供暖。計算模型如圖2所示。

1.3 數(shù)學模型

農村居住建筑圍護結構的基本耗熱量為：

Qj=AjKj(tR-tow)a

(1)

式中：Aj，圍護結構的傳熱面積，m2；Kj，圍護結構的傳熱系數(shù)，W·m-2·K-1；tR，冬季供暖室內溫度，℃；tow，冬季供暖室外溫度，℃；a，圍護結構的溫差修正系數(shù)；Qj，基本耗熱量，kJ。

門窗縫隙滲入冷空氣的耗熱量為：

Qi=0.278Lρaocp(tR-tow)

(2)

式中：L，滲透冷空氣量，m3·h-1；ρao，空氣密度，kg·m-3；cp，空氣定壓熱容，J·kg-1·K-1；Qi，門窗滲透耗熱量，kJ。

農村居住建筑室內空氣溫度場的通用微分方程為：

(3)

A. N1模型；B. N2模型；C. N3模型；D. N4模型；E. N5模型；F. N6模型。

總熱量利用熱平衡原理計算，即：

Φ=Φ1+Φ2-Φ3-Φ4

(4)

式中：Φ，總熱量，J；Φ1，太陽輻射得熱量，J；Φ2，天空輻射得熱，J；Φ3，對流散熱，J；Φ4，表面輻射散熱，J。

通過單層玻璃進入室內的太陽輻射熱量可表述為：

Qg=τsb，iIb，i+τsdId+
[hn/(hn+hw)](αsb，iIb，i+αsdId)

(5)

式中：Qg，單層玻璃進入室內的太陽輻射熱量，kJ；τsb，i、αsb，i分別為單層玻璃對入射角為i的太陽直射輻射的透過率和吸收率；τsd、αsd分別為單層玻璃對太陽散射輻射的透過率和吸收率；Ib,i，投射到玻璃表面上的太陽直射輻射強度，W·m-2；Id，投射到玻璃上的太陽散射輻射強度，W·m-2；hn，單層玻璃初始溫度，K；hw，單層玻璃改變溫度，K。

2 結果與分析

以山東省濰坊市某農村居住建筑作為研究對象，在計算能量消耗時，氣象數(shù)據(jù)參數(shù)選用濰坊地區(qū)氣象參數(shù)，在農村居住建筑內外進行圖1所示8個溫度測點布置，記錄室內外溫度變化。能耗計算僅考慮建筑物的供暖需求，未考慮建筑物的供冷、照明等的能耗[12]。農村居住建筑局部供暖能耗的影響因素較多，既有建筑自身熱工因素(如房間的內外墻傳熱系數(shù)、熱阻程度、窗戶透光性等)，又有建筑外部影響因素(如有無被動式太陽房、局部供暖的供暖區(qū)域位置和面積、控制供暖溫度等)，本文分析建筑外部影響因素對農村居住建筑局部供暖的影響。根據(jù)實際居住情況，只研究對2個或3個房間進行局部供暖的情況。

2.1 單一區(qū)域局部供暖對農村居住建筑日能耗的影響

在農村，坡屋頂建筑容易被人們廣泛接受。如圖3所示，坡屋頂農村居住建筑局部供暖時供暖位置對室內日能耗的影響較為明顯，日能耗受房間控制供暖溫度的影響較大。N1模型日能耗最低。在農村居住建筑陽面外圍搭建玻璃(或透明塑料)與彩鋼復合板等材料組合而成的被動式太陽房，室內溫度為15～18 ℃，則農村居住建筑日能耗情況如圖4所示。加裝被動式太陽房后的農村居住建筑房間日能耗大于坡屋頂農村居住建筑，且室內溫度的變化對日能耗的影響較大。

根據(jù)圖3和圖4，有被動式太陽房的農村居住建筑，向陽面房間局部供暖日能耗最低，室內溫度為15 ℃時，日能耗僅為24.85 kW·h，明顯低于坡屋頂?shù)?2.29 kW·h，降低約23%。若以2個房間(一個房間為向陽面，另一個房間為背陽面)作為局部供暖區(qū)域，2種建筑形式的能耗差值接近0。

圖3 屋頂坡度對供暖能耗的影響

圖4 搭建被動式太陽房前后室內溫度變化對能耗的影響

2.2 局部供暖區(qū)域面積對農村居住建筑日能耗的影響

對2個房間或3個房間進行局部供暖，選取N1、N2、N5、N6模型，并以最常見的坡屋頂農村居住建筑進行計算。

如圖5所示，增加局部供暖區(qū)域面積會對農村居住建筑能耗產生顯著影響。室內溫度為10 ℃，N1模型的日能耗為31.46 kW·h，N3模型的日能耗為45 kW·h，增加約43%；N2模型日能耗為35.97 kW·h，N4模型的日能耗為49.37 kW·h，增加37%。增加局部供暖區(qū)域面積，能耗隨室內溫度的升高而明顯升高，說明增加農村居住建筑供暖區(qū)域面積后，日能耗受室內溫度影響的反饋更大。

圖5 局部供暖區(qū)域面積和室內溫度對能耗的影響

3 結論

農村居住建筑在局部供暖條件下可以明顯降低室內供暖能耗。單一供暖區(qū)域時，相同室內溫度下，選擇向陽面房間作為供暖區(qū)域比選擇背陽面房間的能耗小。選擇向陽面房間供暖時，能耗變化率最大；選擇背陽面房間供暖時，能耗變化率最?。耗芎淖兓氏嗖?0%～30%。室內溫度相同時，農村居住建筑外圍搭建被動式太陽房也可顯著降低供暖能耗。供暖區(qū)域面積明顯影響農村居住建筑能耗，增加供暖區(qū)域面積，能耗隨室內溫度升高明顯增大，每增加一個供暖房間，日能耗增加30%～40%。