严寒与寒冷地区农村住宅降耗技术措施研究

 张鹏1、2郝俊红1、2程国珍3

1中国建筑设计院有限公司2建筑环境优化设计与评测北京市重点实验室3湖南大学土木工程学院

摘要：本文以严寒、寒冷地区农村住宅为研究对象，采用仿真模拟的技术手段，分析严寒、寒冷地区气候条件下5种典型农宅的围护结构采暖负荷特征，并以此提出针对建筑布局、新风、外墙、外窗、屋面以及被动式太阳能降耗技术措施，从而为优化提升严寒、寒冷地区农宅的节能降耗水平提供参考。

关键词：农村住宅围护结构降耗技术

0  引言

 我国农村现有人口约为7.37亿，占全国总人口的56%。农村居住面积约为2300万m2，占全国居住总面积的60%。其中农村建筑能耗占全国建筑总能耗的37%。严寒、寒冷地区农村住宅能源消耗中供暖能耗高，单位建筑能耗为南方地区的2倍以上。在严寒、寒冷气候区，建筑围护结构对总能耗具有十分重要的影响。因此研究典型农宅围护结构在建筑采暖负荷中的特征具有重要意义。可以用于指导农村住宅围护结构的优化方案，在考虑到经济性的条件下，最大程度上减低冬季围护结构所带来的能耗。

1  围护结构采暖负荷构成研究

1.1地点的选取

  选取严寒寒冷地区具有典型性的8个地区，海拉尔、哈尔滨、呼和浩特、沈阳、乌鲁木齐、西宁、银川、长春，具体气象参数如表1所示。

1.2模型的介绍

 选用五栋典型的严寒寒冷地区农村住宅建筑：A，B，C，D，E，前三栋建筑为单层住宅，后两栋建筑物为地上一层地下一层的农村住宅，具体如图l所示，建筑的体形系数如表2所示。

1.3参数的设定

 参照《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》(JGJ26-2010)的要求对模型围护结构参数进行设置，具体如表3所示：

1.4模拟结果分析

1.4.1体形系数对建筑采暖负荷的影响

 从表4中可以看出，随着各地区冬季室外温度的降低，建筑围护结构的单位面积负荷值也随之降低。从单体建筑来看，前三类建筑(A，B，C)属于单层建筑，由于三个建筑的体形系数差异很小( 0.603，0.605，0.610)，其单位面积的负荷值差异不大。对于含有地下室的双层建筑D与E，因为二者之间的体形系数差异大（0.586与0.611），单位面积的负荷值差异较大。因此，在同一类型建筑中，体形系数与建筑采暖负荷有重要关系，体形系数相对较小的建筑其采暖负荷值较小。

  对于体形系数相近的建筑，不同类型的建筑其单位面积的围护结构负荷值的大小也不同，本文中选取了C与E两类建筑，体形系数分别为0.610与0.611，进行了对比，对比结果如表5所示。不难看出在体形系数形同或相近的条件下，含有地下室的双层建筑比单层建筑采暖负荷更小，更有利于建筑的保温。

1.4.2围护结构中各部位占采暖负荷比例

 为了便于分析不同地区农村住宅建筑围护结构中各部位对采暖负荷的影响，将上述5住宅模型的数据进行统计，得出不同地区农村住宅建筑不同结构部位的平均负荷比重，如表6所示：

由表6数据可以看出，严寒、寒冷地区农村住宅外围护结构各部分传热引起的采暖负荷按比重进行排序为：通风>外墙>外窗>屋面>地面，其中由通风引起的能耗约占围护结构总能耗的31%～42%，外墙占22%～27%，外窗占15%～19%，屋面占11%～19%，地面占6%~10%。从图表中不难看出，随着城市冬季室外温度的降低，通风所占的能耗比下降，外窗与地面基本不变，外窗与屋面上升。

2  围护结构降耗技术研究

 根据模拟分析的结果，严寒、寒冷地区农村住宅建筑围护结构的节能降耗措施应重点关注建筑布局、新风处理、外墙、外窗、屋面保温等方面，另外充分利用被动式太阳能技术，也是降低维护结构负荷的有效措施。

2.1建筑布局降耗技术

 在建筑的设计布局上，应尽量考虑将采暖房间，如卧室、客厅灯布局在建筑南侧及平面中心位置，非采暖房间分布在采暖房间四周，起到温度缓冲作用，减少采暖房间的热负荷，如图2所示。

2.2新风降耗技术

 严寒寒冷地区室内外温差大，如果能够很好地利用室内排风的余热来预热室外空气，将会极大地减少由新风所带来的冷负荷。同时，也因为严寒寒冷地区室外温度过低，若直接与室内排风进行热交换，势必会造成凝结水的结霜问题，降低热交换效率。根据各地区不同的室外温度情况，可选择适当的换热模型。

 常见的新风热回收系统如图3所示，对于室外温度不是很低，不至于使凝结水结霜的条件下，可选用a型的换热模型；对于因室温度过低而造成凝结水结霜的情况，可选用b，c两种模型先将新风加热（混合）到安全温度，一般做法是将新风处理到5℃再与室内排风进行热交换。

2.3外墙降耗技术

  外墙降耗技术主要有新型节能材料的引入和墙体的改造技术。农作物秸秆是农村地区最常见的农作物剩余物，如黑麦、大麦、小麦、稻谷等都是北方城市最常见的农作物，其杆茎具有良好的保温效果，如果能够将这些剩余资源作为一种新型的保温材料利用到墙体的保温技术上，将会在很大程度上改善严寒寒冷地区农村住宅外围护结构的热工性能。

  对现有已建的住宅围护结构，主要采取建筑外墙的外保温技术。常见外保温材料有膨胀聚苯板(EPS)抹灰外墙材料，EPS膨胀聚苯板具有优越的保温隔热性能，良好的抗风压、抗冲击及防水性能，能够有效地防止墙体的龟裂和漏水问题，施工简单，性价比高。胶粉聚苯颗粒也是常见的外墙外保温材料，具有保温隔热、防火防冻、节能利废、耐老化的优异性能。在进行墙体外保温改造施工时应确保外保温层与基层墙体的牢固结合，使得在保温层能够在外界不利的环境条件下仍不至于基底脱落、分离；同时也要注意防火以及避免雨水的浸透。

2,4外窗降耗技术

 严寒寒冷地区由于室外温度低，室内外温差大，当室外空气进入到室内势必会造成很大的能耗损失。因此必须做好外窗的气密性防护措施，防止室外冷空气通过外窗的缝隙向室内渗透。不同类型的窗户类型气密性的好坏不同，固定窗>平开窗>推拉窗；其次，在窗框与窗洞、玻璃与窗框连接部位应选取一些具有变形性的密封材料来减少各结合部位之间的缝隙。

 窗框与玻璃对有温差核辐射引起的能耗损失具有重要作用。常见的窗框材质有，木门窗，保温隔热性质良好，传热系数可以降至2.0 W/(m2.K)以下，市场上多采用国外进口木材，价格相对昂贵；PVC塑料窗，其热工性能可与木窗相媲美，相比于铝型材料拉升强度弱，型材较大，且需要增加钢衬；玻璃钢窗，轻质高强材料，界面形状与面积小，平均传热系数低于1.5 W/(m2.K)，但框材表面不易处理，各部件连接不够牢靠；断热铝合金窗框，处理后的窗框保温性能够提高30～50%，但受我国铝合金断桥宽度限制，再加上断热的不彻底，窗框的传热系数很难做到2.7 W/(m2.K)以下。

2.5屋面降耗技术

 屋面作为围护结构中重要的耗能部位，对于低层建筑的能耗占主要地位。屋面保温是为了降低严寒寒冷地区建筑顶层房间采暖的耗热量，改善冬季热环境。常见的屋面节能设计有：通风屋面、种植屋面、蓄水屋面、遮阳屋面、外保温屋面、倒置式屋面等。考虑到严寒寒冷地区独特的气候环境，外保温屋面最适合于严寒寒冷地区的农村住宅屋面。

 外保温屋面与外墙保温措施的做法基本相同，将保温材料添置到屋面楼板外侧，防水层与保护层应置于保温层外侧。常见的屋面保温材料有：聚苯板（强度较差）、挤塑聚苯板（强度较好）、硬泡聚氨酯（良好的防水性）。

2.6被动式太阳能降耗技术

2.6.1阳光间

 在冬季，阳光穿南向玻璃转换为热量被内部的重质材料吸收（如墙体、地板），同时加热阳光间内部空气，被加热的空气通过对流的方式与室内进行换热，达到被动式采暖的目的。由于空气夹层变大，使得阳光间集热面积变大，室内升温快，并且可以与相邻房间有多种组合方式，且在立面上的设计也能够较为灵活，可设落地门窗、带槛墙门窗等。阳光间能够为自身和相邻的空间提供被动式采暖。阳光间可视为一种双层皮结构，起到室内外热缓冲的作用。同时，阳光间的设计更为灵活，在平面设计中，能够结合门厅、走廊、阳台设计多种形式。

 此外，阳光间还可以与光伏、光热构件进行整合，在降低建筑围护结构能耗的同时，也充分发挥构建产能功效。在阳光充足的条件下，利用光电板或集热器，将太阳能转化成电能与热能，满足住户的部分电能与热能使用需求，也可储存起来供其他时段使用，是一种高效节能降耗的手段，这种措施在欧洲的农村住宅中较为常见。

2.6.2太阳能新风系统

 太阳能新风系统又叫做太阳能墙系统（见图4），其本质上为被动式太阳能系统。冬季，室外新鲜空气由预热腔下部的进风口导入，并在预热腔中被太阳能加热，再由安装在预热腔顶部的光电驱动的小功率风机送入到室内。夏季，同时能够防止太阳辐射产生的热量通过墙体进入到室内。除此之外，该系统还有保护外围护结构，高经济性等优点。相比于无太阳能新风系统的建筑，太阳能新风系统能够将室内温度提高1~2℃，如果冬天阳光足够充足，最高可将室外空气加热到40℃。

2.6.3特朗伯墙

 特朗伯墙是一种间接受益式的太阳能采暖形式。在南向设置储热性能良好储热墙体，如砖、混凝土等。墙体外部设置玻璃罩，玻璃与墙体之间产生空气隔层，隔层上下两端设置可开启、关闭的风门，在炎热夏季风门开启，可以通过自然通风带走室内热量。

其冬季白天采暖工作原理如图5所示。特朗伯墙（集热蓄热墙）吸收太阳辐射，升高墙体温度。玻璃与特朗伯墙之间的空气隔层在太阳辐射的影响下加热隔层内空气温度，气体受热向上流动，并通过墙体上下的透气孔与室内空气形成循环，从而起到升高室内温度的作用。夜间将空气隔层中的可移动绝热层放下，关闭气孔，因白天吸收太阳辐射而温度升高的特朗伯墙便会与室内空气形成对流换热与辐射换热，提高夜晚室内空气的舒适度。

3  研究结论

 严寒、寒冷地区农村住宅建筑高能耗的现状，尤其是其围护结构的高能耗，不得不去关注与分析农村住宅建筑负荷的状况。针对农村住宅的节能降耗需求，应该重点加强对新风、外墙以及屋面的降耗技术措施应用，致力于减少因围护结构而造成的能耗损失，这些都为农村住宅建筑利用太阳能技术打下了良好的基础。