寒冷區(qū)農(nóng)村住宅建筑節(jié)能研究
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摘要：寒冷地區(qū)農(nóng)村住宅建筑具有體量大、分布散的特點，且節(jié)能處于較低水平?；诮ㄖ芎姆治鲕浖﨑eST建立了農(nóng)村住宅建筑模型，從提升圍護結構熱工性能和改變其建筑結構方面對建筑模型進行優(yōu)化，將模擬輸出的房間自然室溫和熱負荷作為節(jié)能指標并進行數(shù)據(jù)分析，同時論證了建筑氣密性和可再生能源應用對農(nóng)村住宅建筑節(jié)能優(yōu)化的重要性，并給出了相關建議。
關鍵詞：寒冷地區(qū)；農(nóng)村；住宅建筑；節(jié)能分析
引言
據(jù)國家統(tǒng)計局2018年數(shù)據(jù)顯示，我國城鎮(zhèn)化率為59.58%，可見，還未得到規(guī)劃的農(nóng)村地區(qū)仍高達40.42%，而要實現(xiàn)農(nóng)村地區(qū)節(jié)能改造工作的基本全覆蓋將是一項任重又艱巨的使命。寒冷地區(qū)農(nóng)村住宅建筑具有體量大、分布散等特點，建筑無節(jié)能保溫措施，且用能方式不一等特點，總體處于能耗高且能效低的水平。在圍護結構方面，農(nóng)村房屋建筑外墻采用普通磚墻的約占85%，其中大部分為黏土磚；屋頂多采用瓦片和木框架組成的坡屋頂或混凝土制平屋頂；門窗多以氣密性較差的木制窗和鋁合金窗為主，而地面常用水泥、磚鋪或者瓷磚等做法簡單處理，無地面保溫防潮措施[1]。在用能形式方面，農(nóng)村居民在供暖、生活、炊事等用能端多以煤炭、柴草木枝及電為主，而華北地區(qū)農(nóng)村居民各用能形式占比約為30%~50%[2]。以上現(xiàn)狀，是導致農(nóng)村住宅建筑能耗高的主要原因，也是文中對農(nóng)村既有建筑進行節(jié)能優(yōu)化的重點研究內(nèi)容。通過DeST能耗分析軟件，建立了一個典型農(nóng)村住宅建筑模型，從提升圍護結構熱工性能和改變其建筑結構方面對建筑模型進行優(yōu)化，將模擬結果進行數(shù)據(jù)分析，論證了建筑氣密性和可再生能源應用對農(nóng)村住宅建筑節(jié)能優(yōu)化的重要性，并給出了相關建議。
1構建農(nóng)村住宅建筑模型
以山東濟南某農(nóng)村住宅為研究對象，構建農(nóng)村典型住宅模型，其建筑房間功能包括臥室、客廳、餐廳、廚房、衛(wèi)生間和儲物室，如圖1所示，其中供暖房間為臥室、客廳和餐廳，供暖面積為65m2，如圖2所示。根據(jù)農(nóng)村住宅傳統(tǒng)圍護結構熱工特性現(xiàn)狀和DeST軟件圍護結構特性數(shù)據(jù)庫，統(tǒng)計此模型主體圍護結構參數(shù)表（見表1）。
2節(jié)能改造分析
2.1優(yōu)化圍護結構
建筑圍護結構的熱工性能直接影響了其自身與外界環(huán)境熱量交換的程度，因此，對農(nóng)村住宅圍護結構進行優(yōu)化提升，將有效降低能源的消耗，提升居民的生活質量。在提升圍護結構熱工性能和改變建筑構造形式方面對農(nóng)村住宅建筑進行優(yōu)化，并將房間自然室溫和熱負荷作為節(jié)能指標，進行優(yōu)化前后的比對分析。根據(jù)我國《嚴寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設計標準》（JGJ26—2010）要求規(guī)定，對農(nóng)村住宅圍護結構熱工特性重新設定，具體數(shù)據(jù)如表2所示。其次，在圍護結構優(yōu)化后的基礎上，在建筑臥室、客廳房間南面加設一條門廳，模型立體圖如圖3所示。模型構建完成且參數(shù)設定完成后，對農(nóng)村住宅建筑模型進行自然年8760個小時的逐時自然室溫和熱負荷模擬計算，得出西臥室、客廳+餐廳和東臥室在同一種室外溫度條件下的每個房間自然室溫和熱負荷逐時動態(tài)變化曲線圖，如圖4~圖9所示。由模擬結果可以得出在同一室外溫度環(huán)境下，每個房間在設定的3種不同條件下的自然室溫和熱負荷的變化值，具體數(shù)據(jù)如表3和表4所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著建筑圍護結構熱工性能的提升和增設門廳的改造，房間冬季自然室溫明顯提高，約為2.5~3℃；與冬季室外最低溫對比，房間可在自然狀態(tài)下提升10℃溫差。并且，每個房間的冬季熱負荷也明顯降低，約為500W。因此，提升圍護結構熱工性能并對房間構造加以合理改造將有效降低了居民用戶的能源消耗。
2.2建筑氣密性
彭琛[3]等以哈爾濱、北京、上海等3個地區(qū)典型城市為研究對象，分析了建筑氣密性8個不同等級對供暖能耗的影響，分析得出建筑氣密性越高，供暖能耗越低，但是氣密性高于5級，會出現(xiàn)換氣次數(shù)不足0.5h-1的現(xiàn)象。豐曉航[4]等將建筑氣密性和采用的通風方式相結合，在考慮人體健康需求和節(jié)能的基礎上，分析了建筑氣密性對住宅能耗的影響。劉偉[5]等在建筑氣密性、新風系統(tǒng)熱回收效率和新風系統(tǒng)控制模式綜合影響機制的基礎上，分析了建筑氣密性對近零能耗居住建筑新風系統(tǒng)能耗的影響。由此可見，為優(yōu)化農(nóng)村住宅建筑的節(jié)能性能，提高建筑氣密性等級是一項不得不考慮的因素。與農(nóng)村新建的新型社區(qū)和近零耗居住建筑相比，農(nóng)村既有住宅建筑并不具備加設新風系統(tǒng)和熱回收系統(tǒng)的先進條件，因此在確定建筑氣密性等級時，不宜太高。考慮到目前農(nóng)村取暖仍靠煤炭、柴火、草木為主，在室內(nèi)會產(chǎn)生CO等有害氣體，為保證居民安全問題，推薦采用至少保證換氣次數(shù)為0.5h-1且建筑氣密性等級為5的可開啟外窗，不僅一定程度上達到節(jié)能目的，而且還保證了室內(nèi)空氣品質。其中，建筑氣密性等級（見表5）[6]。
2.3可再生能源應用
目前，我國利用可再生能源進行冬季供暖的技術主要有空氣源熱泵、太陽能集熱、生物質燃料系統(tǒng)、生物質——空氣源熱泵輔合系統(tǒng)以及太陽能——空氣源熱泵輔合系統(tǒng)等，通過可再生能源的應用，大大減少了一次能源的使用，改善了周邊環(huán)境。李愛松[7]等通過對北京農(nóng)村地區(qū)15個已使用空氣源熱泵供暖的典型住宅用戶進行了監(jiān)測分析，表明此項技術的可行性，提出了現(xiàn)有技術存在的問題并給出解決措施。王德闖[8]等進行了太陽能供熱技術在農(nóng)村的應用分析，從技術、經(jīng)濟、環(huán)境等3方面分析得出此技術不僅解決農(nóng)村用戶冬季供暖問題，還解決了生活熱水問題。王澤龍[9]等分析了生物質戶用供熱技術在農(nóng)村地區(qū)推廣存在的問題及發(fā)展方向，指出生物質供熱技術的應用，將給農(nóng)村地區(qū)帶來良好的環(huán)境、經(jīng)濟和社會效益。由此可見，有效地推廣可再生能源在供熱技術中的應用，將緩解我國一次能源在供熱方面的消耗投入，更符合我國“綠水青山就是金山銀山”的發(fā)展理念。針對農(nóng)村地區(qū)住宅冬季供暖的用能問題，推薦以下選擇：（1）在具備當?shù)卣蟹骞入妰r支持政策條件下，可選用空氣源熱泵進行供暖，并配備蓄熱裝置。（2）在太陽能保證率充足的條件下，優(yōu)先選用太陽能集熱取暖，室內(nèi)末端供暖形式選用低溫地板輻射供暖最佳。在經(jīng)濟條件允許下，可選用太陽能——空氣源熱泵輔合供熱，以保證在連續(xù)陰雨天氣集熱不足情況。（3）在生物質燃料充分條件下，優(yōu)先推薦生物質戶式燃爐供暖。一般情況下，農(nóng)村地區(qū)生物質能源豐富（包括秸稈、樹枝、草木等），當每噸成型燃料控制在900元左右，宜選用生物質戶式供暖。對于供暖面積在50000m2以及上的農(nóng)村新型社區(qū)，宜選用生物質-空氣源熱泵輔合集中供暖。
3結語
農(nóng)村節(jié)能改造是一項任重且艱巨的任務，這不僅將改變我國能源配比現(xiàn)狀，也將為我國生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生深遠意義。通過DeST對農(nóng)村住宅建筑圍護結構進行優(yōu)化模擬分析得出，隨著圍護結構熱工性能的提升，房間冬季自然室溫有所上升，房間熱負荷明顯減少，一定程度上降低了能源消耗。從論證的角度，說明適當提高建筑氣密性和推廣可再生能源的應用也是農(nóng)村節(jié)能改造的重要措施。這將為今后農(nóng)村地區(qū)住宅建筑的節(jié)能改造提供一定參考價值。
參考文獻
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[3]彭琛，燕達，周欣.建筑氣密性對供暖能耗的影響[J].暖通空調(diào)，2010，40（9）：107-111.
[4]豐曉航，燕達，彭琛，等.建筑氣密性對住宅能耗影響的分析[J].暖通空調(diào)，2014，44（2）：5-14.
[5]劉偉，于震，龔紅衛(wèi).建筑氣密性對近零能耗居住建筑新風系統(tǒng)能耗的影響[J].建筑科學，2019，35（6）：66-72.
[6]GB/T7106—2008，建筑外門窗氣密、水密、抗風壓性能分級及檢測[S].
[7]李愛松，李忠，劉宗江，等.北京農(nóng)村地區(qū)空氣源熱泵供暖系統(tǒng)監(jiān)測分析[J].建筑節(jié)能，2018，46（10）：29-32.
[8]王德闖，劉學來，李永安.太陽能系統(tǒng)在農(nóng)村建筑中的應用分析[J].低溫建筑技術，2018，40（9）：126-128，131.
[9]王澤龍，侯書林，趙立欣，等.生物質戶用供熱技術發(fā)展現(xiàn)狀及展望[J].可再生能源，2011，29（4）：72-76，83.
作者：王德曄 王世杰 單位：濟南中建建筑設計院有限公司