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1中國建筑設(shè)計(jì)院有限公司2建筑環(huán)境優(yōu)化設(shè)計(jì)與評測北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室3湖南大學(xué)土木工程學(xué)院

摘要：本文以嚴(yán)寒、寒冷地區(qū)農(nóng)村住宅為研究對象，采用仿真模擬的技術(shù)手段，分析嚴(yán)寒、寒冷地區(qū)氣候條件下5種典型農(nóng)宅的圍護(hù)結(jié)構(gòu)采暖負(fù)荷特征，并以此提出針對建筑布局、新風(fēng)、外墻、外窗、屋面以及被動式太陽能降耗技術(shù)措施，從而為優(yōu)化提升嚴(yán)寒、寒冷地區(qū)農(nóng)宅的節(jié)能降耗水平提供參考。

關(guān)鍵詞：農(nóng)村住宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)降耗技術(shù)

0  引言

 我國農(nóng)村現(xiàn)有人口約為7.37億，占全國總?cè)丝诘?6%。農(nóng)村居住面積約為2300萬m2，占全國居住總面積的60%。其中農(nóng)村建筑能耗占全國建筑總能耗的37%。嚴(yán)寒、寒冷地區(qū)農(nóng)村住宅能源消耗中供暖能耗高，單位建筑能耗為南方地區(qū)的2倍以上。在嚴(yán)寒、寒冷氣候區(qū)，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)對總能耗具有十分重要的影響。因此研究典型農(nóng)宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)在建筑采暖負(fù)荷中的特征具有重要意義。可以用于指導(dǎo)農(nóng)村住宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案，在考慮到經(jīng)濟(jì)性的條件下，最大程度上減低冬季圍護(hù)結(jié)構(gòu)所帶來的能耗。

1  圍護(hù)結(jié)構(gòu)采暖負(fù)荷構(gòu)成研究

1.1地點(diǎn)的選取

  選取嚴(yán)寒寒冷地區(qū)具有典型性的8個地區(qū)，海拉爾、哈爾濱、呼和浩特、沈陽、烏魯木齊、西寧、銀川、長春，具體氣象參數(shù)如表1所示。

1.2模型的介紹

 選用五棟典型的嚴(yán)寒寒冷地區(qū)農(nóng)村住宅建筑：A，B，C，D，E，前三棟建筑為單層住宅，后兩棟建筑物為地上一層地下一層的農(nóng)村住宅，具體如圖l所示，建筑的體形系數(shù)如表2所示。

1.3參數(shù)的設(shè)定

 參照《嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ26-2010)的要求對模型圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，具體如表3所示：

1.4模擬結(jié)果分析

1.4.1體形系數(shù)對建筑采暖負(fù)荷的影響

 從表4中可以看出，隨著各地區(qū)冬季室外溫度的降低，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的單位面積負(fù)荷值也隨之降低。從單體建筑來看，前三類建筑(A，B，C)屬于單層建筑，由于三個建筑的體形系數(shù)差異很小( 0.603，0.605，0.610)，其單位面積的負(fù)荷值差異不大。對于含有地下室的雙層建筑D與E，因?yàn)槎�者之間的體形系數(shù)差異大（0.586與0.611），單位面積的負(fù)荷值差異較大。因此，在同一類型建筑中，體形系數(shù)與建筑采暖負(fù)荷有重要關(guān)系，體形系數(shù)相對較小的建筑其采暖負(fù)荷值較小。

  對于體形系數(shù)相近的建筑，不同類型的建筑其單位面積的圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷值的大小也不同，本文中選取了C與E兩類建筑，體形系數(shù)分別為0.610與0.611，進(jìn)行了對比，對比結(jié)果如表5所示。不難看出在體形系數(shù)形同或相近的條件下，含有地下室的雙層建筑比單層建筑采暖負(fù)荷更小，更有利于建筑的保溫。

1.4.2圍護(hù)結(jié)構(gòu)中各部位占采暖負(fù)荷比例

 為了便于分析不同地區(qū)農(nóng)村住宅建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中各部位對采暖負(fù)荷的影響，將上述5住宅模型的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得出不同地區(qū)農(nóng)村住宅建筑不同結(jié)構(gòu)部位的平均負(fù)荷比重，如表6所示：

由表6數(shù)據(jù)可以看出，嚴(yán)寒、寒冷地區(qū)農(nóng)村住宅外圍護(hù)結(jié)構(gòu)各部分傳熱引起的采暖負(fù)荷按比重進(jìn)行排序?yàn)椋和�風(fēng)>外墻>外窗>屋面>地面，其中由通風(fēng)引起的能耗約占圍護(hù)結(jié)構(gòu)總能耗的31%～42%，外墻占22%～27%，外窗占15%～19%，屋面占11%～19%，地面占6%~10%。從圖表中不難看出，隨著城市冬季室外溫度的降低，通風(fēng)所占的能耗比下降，外窗與地面基本不變，外窗與屋面上升。

2  圍護(hù)結(jié)構(gòu)降耗技術(shù)研究

 根據(jù)模擬分析的結(jié)果，嚴(yán)寒、寒冷地區(qū)農(nóng)村住宅建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能降耗措施應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注建筑布局、新風(fēng)處理、外墻、外窗、屋面保溫等方面，另外充分利用被動式太陽能技術(shù)，也是降低維護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷的有效措施。

2.1建筑布局降耗技術(shù)

 在建筑的設(shè)計(jì)布局上，應(yīng)盡量考慮將采暖房間，如臥室、客廳燈布局在建筑南側(cè)及平面中心位置，非采暖房間分布在采暖房間四周，起到溫度緩沖作用，減少采暖房間的熱負(fù)荷，如圖2所示。

2.2新風(fēng)降耗技術(shù)

 嚴(yán)寒寒冷地區(qū)室內(nèi)外溫差大，如果能夠很好地利用室內(nèi)排風(fēng)的余熱來預(yù)熱室外空氣，將會極大地減少由新風(fēng)所帶來的冷負(fù)荷。同時，也因?yàn)閲?yán)寒寒冷地區(qū)室外溫度過低，若直接與室內(nèi)排風(fēng)進(jìn)行熱交換，勢必會造成凝結(jié)水的結(jié)霜問題，降低熱交換效率。根據(jù)各地區(qū)不同的室外溫度情況，可選擇適當(dāng)?shù)膿Q熱模型。

 常見的新風(fēng)熱回收系統(tǒng)如圖3所示，對于室外溫度不是很低，不至于使凝結(jié)水結(jié)霜的條件下，可選用a型的換熱模型；對于因室溫度過低而造成凝結(jié)水結(jié)霜的情況，可選用b，c兩種模型先將新風(fēng)加熱（混合）到安全溫度，一般做法是將新風(fēng)處理到5℃再與室內(nèi)排風(fēng)進(jìn)行熱交換。

2.3外墻降耗技術(shù)

  外墻降耗技術(shù)主要有新型節(jié)能材料的引入和墻體的改造技術(shù)。農(nóng)作物秸稈是農(nóng)村地區(qū)最常見的農(nóng)作物剩余物，如黑麥、大麥、小麥、稻谷等都是北方城市最常見的農(nóng)作物，其桿莖具有良好的保溫效果，如果能夠?qū)⑦@些剩余資源作為一種新型的保溫材料利用到墻體的保溫技術(shù)上，將會在很大程度上改善嚴(yán)寒寒冷地區(qū)農(nóng)村住宅外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能。

  對現(xiàn)有已建的住宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)，主要采取建筑外墻的外保溫技術(shù)。常見外保溫材料有膨脹聚苯板(EPS)抹灰外墻材料，EPS膨脹聚苯板具有優(yōu)越的保溫隔熱性能，良好的抗風(fēng)壓、抗沖擊及防水性能，能夠有效地防止墻體的龜裂和漏水問題，施工簡單，性價(jià)比高。膠粉聚苯顆粒也是常見的外墻外保溫材料，具有保溫隔熱、防火防凍、節(jié)能利廢、耐老化的優(yōu)異性能。在進(jìn)行墻體外保溫改造施工時應(yīng)確保外保溫層與基層墻體的牢固結(jié)合，使得在保溫層能夠在外界不利的環(huán)境條件下仍不至于基底脫落、分離；同時也要注意防火以及避免雨水的浸透。

2,4外窗降耗技術(shù)

 嚴(yán)寒寒冷地區(qū)由于室外溫度低，室內(nèi)外溫差大，當(dāng)室外空氣進(jìn)入到室內(nèi)勢必會造成很大的能耗損失。因此必須做好外窗的氣密性防護(hù)措施，防止室外冷空氣通過外窗的縫隙向室內(nèi)滲透。不同類型的窗戶類型氣密性的好壞不同，固定窗>平開窗>推拉窗；其次，在窗框與窗洞、玻璃與窗框連接部位應(yīng)選取一些具有變形性的密封材料來減少各結(jié)合部位之間的縫隙。

 窗框與玻璃對有溫差核輻射引起的能耗損失具有重要作用。常見的窗框材質(zhì)有，木門窗，保溫隔熱性質(zhì)良好，傳熱系數(shù)可以降至2.0 W/(m2.K)以下，市場上多采用國外進(jìn)口木材，價(jià)格相對昂貴；PVC塑料窗，其熱工性能可與木窗相媲美，相比于鋁型材料拉升強(qiáng)度弱，型材較大，且需要增加鋼襯；玻璃鋼窗，輕質(zhì)高強(qiáng)材料，界面形狀與面積小，平均傳熱系數(shù)低于1.5 W/(m2.K)，但框材表面不易處理，各部件連接不夠牢靠；斷熱鋁合金窗框，處理后的窗框保溫性能夠提高30～50%，但受我國鋁合金斷橋?qū)挾认拗�，再加上斷熱的不徹底，窗框的傳熱系�?shù)很難做到2.7 W/(m2.K)以下。

2.5屋面降耗技術(shù)

 屋面作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)中重要的耗能部位，對于低層建筑的能耗占主要地位。屋面保溫是為了降低嚴(yán)寒寒冷地區(qū)建筑頂層房間采暖的耗熱量，改善冬季熱環(huán)境。常見的屋面節(jié)能設(shè)計(jì)有：通風(fēng)屋面、種植屋面、蓄水屋面、遮陽屋面、外保溫屋面、倒置式屋面等�？紤]到嚴(yán)寒寒冷地區(qū)獨(dú)特的氣候環(huán)境，外保溫屋面最適合于嚴(yán)寒寒冷地區(qū)的農(nóng)村住宅屋面。

 外保溫屋面與外墻保溫措施的做法基本相同，將保溫材料添置到屋面樓板外側(cè)，防水層與保護(hù)層應(yīng)置于保溫層外側(cè)。常見的屋面保溫材料有：聚苯板（強(qiáng)度較差）、擠塑聚苯板（強(qiáng)度較好）、硬泡聚氨酯（良好的防水性）。

2.6被動式太陽能降耗技術(shù)

2.6.1陽光間

 在冬季，陽光穿南向玻璃轉(zhuǎn)換為熱量被內(nèi)部的重質(zhì)材料吸收（如墻體、地板），同時加熱陽光間內(nèi)部空氣，被加熱的空氣通過對流的方式與室內(nèi)進(jìn)行換熱，達(dá)到被動式采暖的目的。由于空氣夾層變大，使得陽光間集熱面積變大，室內(nèi)升溫快，并且可以與相鄰房間有多種組合方式，且在立面上的設(shè)計(jì)也能夠較為靈活，可設(shè)落地門窗、帶檻墻門窗等。陽光間能夠?yàn)樽陨砗拖噜彽目臻g提供被動式采暖。陽光間可視為一種雙層皮結(jié)構(gòu)，起到室內(nèi)外熱緩沖的作用。同時，陽光間的設(shè)計(jì)更為靈活，在平面設(shè)計(jì)中，能夠結(jié)合門廳、走廊、陽臺設(shè)計(jì)多種形式。

 此外，陽光間還可以與光伏、光熱構(gòu)件進(jìn)行整合，在降低建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)能耗的同時，也充分發(fā)揮構(gòu)建產(chǎn)能功效。在陽光充足的條件下，利用光電板或集熱器，將太陽能轉(zhuǎn)化成電能與熱能，滿足住戶的部分電能與熱能使用需求，也可儲存起來供其他時段使用，是一種高效節(jié)能降耗的手段，這種措施在歐洲的農(nóng)村住宅中較為常見。

2.6.2太陽能新風(fēng)系統(tǒng)

 太陽能新風(fēng)系統(tǒng)又叫做太陽能墻系統(tǒng)（見圖4），其本質(zhì)上為被動式太陽能系統(tǒng)。冬季，室外新鮮空氣由預(yù)熱腔下部的進(jìn)風(fēng)口導(dǎo)入，并在預(yù)熱腔中被太陽能加熱，再由安裝在預(yù)熱腔頂部的光電驅(qū)動的小功率風(fēng)機(jī)送入到室內(nèi)。夏季，同時能夠防止太陽輻射產(chǎn)生的熱量通過墻體進(jìn)入到室內(nèi)。除此之外，該系統(tǒng)還有保護(hù)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，高經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)點(diǎn)。相比于無太陽能新風(fēng)系統(tǒng)的建筑，太陽能新風(fēng)系統(tǒng)能夠?qū)⑹覂?nèi)溫度提高1~2℃，如果冬天陽光足夠充足，最高可將室外空氣加熱到40℃。

2.6.3特朗伯墻

 特朗伯墻是一種間接受益式的太陽能采暖形式。在南向設(shè)置儲熱性能良好儲熱墻體，如磚、混凝土等。墻體外部設(shè)置玻璃罩，玻璃與墻體之間產(chǎn)生空氣隔層，隔層上下兩端設(shè)置可開啟、關(guān)閉的風(fēng)門，在炎熱夏季風(fēng)門開啟，可以通過自然通風(fēng)帶走室內(nèi)熱量。

其冬季白天采暖工作原理如圖5所示。特朗伯墻（集熱蓄熱墻）吸收太陽輻射，升高墻體溫度。玻璃與特朗伯墻之間的空氣隔層在太陽輻射的影響下加熱隔層內(nèi)空氣溫度，氣體受熱向上流動，并通過墻體上下的透氣孔與室內(nèi)空氣形成循環(huán)，從而起到升高室內(nèi)溫度的作用。夜間將空氣隔層中的可移動絕熱層放下，關(guān)閉氣孔，因白天吸收太陽輻射而溫度升高的特朗伯墻便會與室內(nèi)空氣形成對流換熱與輻射換熱，提高夜晚室內(nèi)空氣的舒適度。

3  研究結(jié)論

 嚴(yán)寒、寒冷地區(qū)農(nóng)村住宅建筑高能耗的現(xiàn)狀，尤其是其圍護(hù)結(jié)構(gòu)的高能耗，不得不去關(guān)注與分析農(nóng)村住宅建筑負(fù)荷的狀況。針對農(nóng)村住宅的節(jié)能降耗需求，應(yīng)該重點(diǎn)加強(qiáng)對新風(fēng)、外墻以及屋面的降耗技術(shù)措施應(yīng)用，致力于減少因圍護(hù)結(jié)構(gòu)而造成的能耗損失，這些都為農(nóng)村住宅建筑利用太陽能技術(shù)打下了良好的基礎(chǔ)。