寒冷区农村住宅建筑节能研究

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摘要：寒冷地区农村住宅建筑具有体量大、分布散的特点，且节能处于较低水平。基于建筑能耗分析软件DeST建立了农村住宅建筑模型，从提升围护结构热工性能和改变其建筑结构方面对建筑模型进行优化，将模拟输出的房间自然室温和热负荷作为节能指标并进行数据分析，同时论证了建筑气密性和可再生能源应用对农村住宅建筑节能优化的重要性，并给出了相关建议。

关键词：寒冷地区；农村；住宅建筑；节能分析

引言

据国家统计局2018年数据显示，我国城镇化率为59.58%，可见，还未得到规划的农村地区仍高达40.42%，而要实现农村地区节能改造工作的基本全覆盖将是一项任重又艰巨的使命。寒冷地区农村住宅建筑具有体量大、分布散等特点，建筑无节能保温措施，且用能方式不一等特点，总体处于能耗高且能效低的水平。在围护结构方面，农村房屋建筑外墙采用普通砖墙的约占85%，其中大部分为黏土砖；屋顶多采用瓦片和木框架组成的坡屋顶或混凝土制平屋顶；门窗多以气密性较差的木制窗和铝合金窗为主，而地面常用水泥、砖铺或者瓷砖等做法简单处理，无地面保温防潮措施[1]。在用能形式方面，农村居民在供暖、生活、炊事等用能端多以煤炭、柴草木枝及电为主，而华北地区农村居民各用能形式占比约为30%~50%[2]。以上现状，是导致农村住宅建筑能耗高的主要原因，也是文中对农村既有建筑进行节能优化的重点研究内容。通过DeST能耗分析软件，建立了一个典型农村住宅建筑模型，从提升围护结构热工性能和改变其建筑结构方面对建筑模型进行优化，将模拟结果进行数据分析，论证了建筑气密性和可再生能源应用对农村住宅建筑节能优化的重要性，并给出了相关建议。

1构建农村住宅建筑模型

以山东济南某农村住宅为研究对象，构建农村典型住宅模型，其建筑房间功能包括卧室、客厅、餐厅、厨房、卫生间和储物室，如图1所示，其中供暖房间为卧室、客厅和餐厅，供暖面积为65m2，如图2所示。根据农村住宅传统围护结构热工特性现状和DeST软件围护结构特性数据库，统计此模型主体围护结构参数表（见表1）。

2节能改造分析

2.1优化围护结构

建筑围护结构的热工性能直接影响了其自身与外界环境热量交换的程度，因此，对农村住宅围护结构进行优化提升，将有效降低能源的消耗，提升居民的生活质量。在提升围护结构热工性能和改变建筑构造形式方面对农村住宅建筑进行优化，并将房间自然室温和热负荷作为节能指标，进行优化前后的比对分析。根据我国《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》（JGJ26—2010）要求规定，对农村住宅围护结构热工特性重新设定，具体数据如表2所示。其次，在围护结构优化后的基础上，在建筑卧室、客厅房间南面加设一条门厅，模型立体图如图3所示。模型构建完成且参数设定完成后，对农村住宅建筑模型进行自然年8760个小时的逐时自然室温和热负荷模拟计算，得出西卧室、客厅+餐厅和东卧室在同一种室外温度条件下的每个房间自然室温和热负荷逐时动态变化曲线图，如图4~图9所示。由模拟结果可以得出在同一室外温度环境下，每个房间在设定的3种不同条件下的自然室温和热负荷的变化值，具体数据如表3和表4所示。可以发现，随着建筑围护结构热工性能的提升和增设门厅的改造，房间冬季自然室温明显提高，约为2.5~3℃；与冬季室外最低温对比，房间可在自然状态下提升10℃温差。并且，每个房间的冬季热负荷也明显降低，约为500W。因此，提升围护结构热工性能并对房间构造加以合理改造将有效降低了居民用户的能源消耗。

2.2建筑气密性

彭琛[3]等以哈尔滨、北京、上海等3个地区典型城市为研究对象，分析了建筑气密性8个不同等级对供暖能耗的影响，分析得出建筑气密性越高，供暖能耗越低，但是气密性高于5级，会出现换气次数不足0.5h-1的现象。丰晓航[4]等将建筑气密性和采用的通风方式相结合，在考虑人体健康需求和节能的基础上，分析了建筑气密性对住宅能耗的影响。刘伟[5]等在建筑气密性、新风系统热回收效率和新风系统控制模式综合影响机制的基础上，分析了建筑气密性对近零能耗居住建筑新风系统能耗的影响。由此可见，为优化农村住宅建筑的节能性能，提高建筑气密性等级是一项不得不考虑的因素。与农村新建的新型社区和近零耗居住建筑相比，农村既有住宅建筑并不具备加设新风系统和热回收系统的先进条件，因此在确定建筑气密性等级时，不宜太高。考虑到目前农村取暖仍靠煤炭、柴火、草木为主，在室内会产生CO等有害气体，为保证居民安全问题，推荐采用至少保证换气次数为0.5h-1且建筑气密性等级为5的可开启外窗，不仅一定程度上达到节能目的，而且还保证了室内空气品质。其中，建筑气密性等级（见表5）[6]。

2.3可再生能源应用

目前，我国利用可再生能源进行冬季供暖的技术主要有空气源热泵、太阳能集热、生物质燃料系统、生物质——空气源热泵辅合系统以及太阳能——空气源热泵辅合系统等，通过可再生能源的应用，大大减少了一次能源的使用，改善了周边环境。李爱松[7]等通过对北京农村地区15个已使用空气源热泵供暖的典型住宅用户进行了监测分析，表明此项技术的可行性，提出了现有技术存在的问题并给出解决措施。王德闯[8]等进行了太阳能供热技术在农村的应用分析，从技术、经济、环境等3方面分析得出此技术不仅解决农村用户冬季供暖问题，还解决了生活热水问题。王泽龙[9]等分析了生物质户用供热技术在农村地区推广存在的问题及发展方向，指出生物质供热技术的应用，将给农村地区带来良好的环境、经济和社会效益。由此可见，有效地推广可再生能源在供热技术中的应用，将缓解我国一次能源在供热方面的消耗投入，更符合我国“绿水青山就是金山银山”的发展理念。针对农村地区住宅冬季供暖的用能问题，推荐以下选择：（1）在具备当地政府有峰谷电价支持政策条件下，可选用空气源热泵进行供暖，并配备蓄热装置。（2）在太阳能保证率充足的条件下，优先选用太阳能集热取暖，室内末端供暖形式选用低温地板辐射供暖最佳。在经济条件允许下，可选用太阳能——空气源热泵辅合供热，以保证在连续阴雨天气集热不足情况。（3）在生物质燃料充分条件下，优先推荐生物质户式燃炉供暖。一般情况下，农村地区生物质能源丰富（包括秸秆、树枝、草木等），当每吨成型燃料控制在900元左右，宜选用生物质户式供暖。对于供暖面积在50000m2以及上的农村新型社区，宜选用生物质-空气源热泵辅合集中供暖。

3结语

农村节能改造是一项任重且艰巨的任务，这不仅将改变我国能源配比现状，也将为我国生态环境产生深远意义。通过DeST对农村住宅建筑围护结构进行优化模拟分析得出，随着围护结构热工性能的提升，房间冬季自然室温有所上升，房间热负荷明显减少，一定程度上降低了能源消耗。从论证的角度，说明适当提高建筑气密性和推广可再生能源的应用也是农村节能改造的重要措施。这将为今后农村地区住宅建筑的节能改造提供一定参考价值。

参考文献

[1]赵士永，郝雨杭，付素娟.华北地区农村民居能耗现状及节能改造方案分析[J].建筑节能，2015，43（2）：114-117，123.

[2]敖鑫，邓琴琴，王艺霖，等.农村住房能耗和节能现状调研与分析[J].区域供热，2019（4）：8-12.

[3]彭琛，燕达，周欣.建筑气密性对供暖能耗的影响[J].暖通空调，2010，40（9）：107-111.

[4]丰晓航，燕达，彭琛，等.建筑气密性对住宅能耗影响的分析[J].暖通空调，2014，44（2）：5-14.

[5]刘伟，于震，龚红卫.建筑气密性对近零能耗居住建筑新风系统能耗的影响[J].建筑科学，2019，35（6）：66-72.

[6]GB/T7106—2008，建筑外门窗气密、水密、抗风压性能分级及检测[S].

[7]李爱松，李忠，刘宗江，等.北京农村地区空气源热泵供暖系统监测分析[J].建筑节能，2018，46（10）：29-32.

[8]王德闯，刘学来，李永安.太阳能系统在农村建筑中的应用分析[J].低温建筑技术，2018，40（9）：126-128，131.

[9]王泽龙，侯书林，赵立欣，等.生物质户用供热技术发展现状及展望[J].可再生能源，2011，29（4）：72-76，83.

作者：王德晔 王世杰 单位：济南中建建筑设计院有限公司