華北地區(qū)典型農(nóng)宅采暖能耗模擬及節(jié)能分析摘要對華北地區(qū)農(nóng)村住宅進行實地調(diào)查，用DeST-h模擬軟件對新、舊兩種典型的農(nóng)村住宅進行了冬季采暖能耗的模擬計算。設(shè)計了幾種節(jié)能改造方案，并對各種方案做了節(jié)能敏感性分析，提出適合華北地區(qū)使用的外窗類型和選擇原則，探討了各種圍護結(jié)構(gòu)的保溫性能在降低采暖能耗中的作用大小，并對新、舊住宅的保溫性能進行了對比，總結(jié)出農(nóng)村住宅的節(jié)能改造意見。關(guān)鍵詞能耗模擬DeST-h節(jié)能改造保溫農(nóng)村住宅引言隨著中國經(jīng)濟的發(fā)展，農(nóng)民收入水平逐步提高，農(nóng)村建筑能耗已經(jīng)成為我國建筑節(jié)能不可忽略的問題，特別是農(nóng)村商品能消耗量呈現(xiàn)快速上升的趨勢。2007年我國農(nóng)村建筑面積為240億m2，占全國總建筑面積的56%，總耗電量為900億度/年[1]。1995年我國農(nóng)村生活用煤為8611萬噸標準煤，到2005年，增加到16684萬噸標準煤[2]，是1995年的1.94倍，平均年增長率為3.4%。根據(jù)《2008年中國統(tǒng)計年鑒》中2001~2008年逐年煤炭平衡表中數(shù)據(jù)進行分析，農(nóng)村生活用能消耗的煤炭已經(jīng)占我國煤炭生產(chǎn)量的10.8%。減少農(nóng)村商品能耗，降低農(nóng)村生活用商品能總量，改善農(nóng)村住宅環(huán)境狀況，提高農(nóng)村能源利用效率，實現(xiàn)農(nóng)村的可持續(xù)發(fā)展成為新農(nóng)村建設(shè)的一個重要方面。我國學(xué)者對嚴寒地區(qū)、寒冷地區(qū)、夏熱冬冷的建筑節(jié)能與保溫方面進行了研究[3]-[5]，對農(nóng)村住宅的節(jié)能與保溫有參考意義。近年來，農(nóng)村住宅環(huán)境狀況，已引起人們的重視，太陽能技術(shù)與吊炕技術(shù)在農(nóng)村住宅中得到推廣應(yīng)用，并有學(xué)者對農(nóng)宅建筑能耗進行模擬分析，提出改進措施[6][7]。本文主要通過對華北地區(qū)的農(nóng)宅用能情況進行研究，提出改善華北地區(qū)農(nóng)村住宅的節(jié)能措施。2華北地區(qū)農(nóng)村住宅現(xiàn)狀2009年冬季，我們對華北地區(qū)15個地方的農(nóng)村進行用能情況調(diào)查，從調(diào)研的情況看，華北地區(qū)農(nóng)村住宅主要的特點及主要問題：（1）外墻傳熱系數(shù)大，熱損失嚴重目前華北農(nóng)村新建房屋外圍護結(jié)構(gòu)65%采用370mm實心磚，35%采用240mm實心磚，其中95%無任何外保溫措施，只有5%的外墻加外保溫層。舊住宅中有四分之三的外墻使用240mm實心磚+土坯，純土坯墻現(xiàn)已少見。屋頂一般為平屋頂和坡屋頂兩種，平屋頂占到四分之三。出于美觀要求，新建房屋中三分之一有吊頂，材料以石膏板為主。（2）地面和屋頂無保溫措施農(nóng)村住宅的地面和屋頂基本未采取保溫措施，部分僅考慮到地面防潮的要求。坡屋頂住宅屋頂以磚瓦材料為主，近十年的新建住宅中大部分平屋頂住宅使用水泥預(yù)制板或現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)，冬季屋頂有結(jié)露現(xiàn)象，影響室內(nèi)環(huán)境。舊住宅和少部分新建平屋頂住宅使用木制結(jié)構(gòu)屋頂，透氣性和保溫性較好。（3）外窗傳熱系數(shù)大，密閉性不好，保溫效果差華北地區(qū)農(nóng)村住宅各種外窗構(gòu)成比例為：單層玻璃46%，雙層玻璃37.4%，紙糊2%，半玻璃半紙糊4.6%；木窗占五分之三，其它大多為鋁合金窗。木窗基本都由當(dāng)?shù)啬竟ぜ庸ざㄗ?，使用一段時間后容易發(fā)生形變，造成較大的縫隙，冬季冷風(fēng)滲透現(xiàn)象嚴重，其它類型窗戶因未采取很好的密封措施，也存在這種現(xiàn)象。（4）采暖效率低，能耗大，室內(nèi)溫度低在華北地區(qū)冬季，相當(dāng)多的農(nóng)戶全家集中到一兩間臥室中生活以減少采暖用能。目前農(nóng)村新建住宅，98%采用土暖氣采暖，每戶商品煤消耗約為13kg/天，2%采用空調(diào)器采暖。舊式住宅每戶平均有兩個蜂窩煤爐取暖，每戶商品蜂窩煤消耗約為7kg/天。采暖室內(nèi)平均溫度10℃-12℃左右。耗煤量高達30-40千克標準煤/m2，為城市采暖能耗的1.5～2倍。（5）室內(nèi)外環(huán)境污染嚴重農(nóng)村新建住宅室內(nèi)環(huán)境比較好。舊式住宅室內(nèi)環(huán)境比較差，一般煤爐采用薄鐵皮煙筒向外排煙，室內(nèi)煙氣較重。冬季烹飪有30%農(nóng)戶采用秸稈，60%農(nóng)戶采用煤爐，10%農(nóng)戶采用罐裝煤氣。由于爐具、灶具設(shè)計不合理，燃燒效率低，造成室外空氣環(huán)境的嚴重污染。因此，根據(jù)華北地區(qū)農(nóng)村住宅的特點，提高傳統(tǒng)采暖方式的采暖效率，降低能耗，同時提高各種可再生資源的使用效率，推廣新能源，新技術(shù)找到采暖問題的解決方案是當(dāng)前農(nóng)村建筑節(jié)能的重點。下面對華北農(nóng)村典型住宅的既有建筑及其幾種節(jié)能改造方案進行模擬能耗分析，提出農(nóng)村住宅的節(jié)能改造措施。3農(nóng)村既有住宅及節(jié)能改造方案從華北農(nóng)村住宅中選取新、舊兩棟具有代表性的實際住宅作為基準建筑，在此基礎(chǔ)上進行節(jié)能改造，對基準建筑和節(jié)能改造后的建筑進行能耗分析。農(nóng)村住宅有正方與廂房之分，廂房中很少有人員活動，故本文只針對提供居民主要休息活動場所的正房進行能耗模擬和節(jié)能改造的研究，對于廂房僅考慮其對正房的遮陽效果，不作為采暖計算對象。3.1基準舊住宅及節(jié)能改造方案選取有四間正房和兩間廂房的農(nóng)村住宅為基準舊住宅，屋頂為平屋頂，正房層高3.3米，廂房層高3米，建筑平面圖如圖1所示，外墻為內(nèi)外120mm紅磚中間夾220mm土坯，內(nèi)表面抹灰10mm，傳熱系數(shù)為0.769W/(m2·K)，屋頂為木制結(jié)構(gòu)，上鋪葦箔、麥稈、粘土、抹灰、水泥磚，傳熱系數(shù)為1.631W/(m2K)，外窗為3mm單層玻璃木窗，傳熱系數(shù)為5.9W/(m2K)，外窗尺寸見圖1，無遮陽措施。根據(jù)舊住宅圍護結(jié)構(gòu)的特征，采用的節(jié)能改造方案為：（1）更換外窗；（2）屋頂保溫；（3）增加吊頂。圖1基準舊住宅建筑平面圖圖2基準新住宅建筑平面圖3.2基準新住宅及節(jié)能改造方案基準新住宅的正房與東側(cè)廂房相連，東廂房作為冬季供暖的土暖氣放置房間，屋頂為平屋頂，正房層高3.8米，廂房層高3.5米，建筑平面圖如圖2所示，外墻為內(nèi)外370mm紅磚外墻，內(nèi)表面抹灰10mm，傳熱系數(shù)為0.969W/(m2K)，屋頂為預(yù)制水泥板結(jié)構(gòu)，傳熱系數(shù)為3.0W/(m2K)，外窗為3mm單層玻璃木窗，傳熱系數(shù)為5.9W/(m2K)，外窗尺寸見圖2，南側(cè)有1.5m外挑屋檐作為遮陽設(shè)施。新住宅在外觀上雖比舊住宅美觀很多，但外墻和屋頂傳熱系數(shù)都遠高于舊住宅，保溫效果反而不如舊住宅，故提出的節(jié)能改造方案為：（1）更換外窗；（2）屋頂保溫；（3）外墻保溫；（4）增加吊頂；（5）南向設(shè)附加陽光間；（6）改善門窗的密封性，減小通風(fēng)量。4冬季采暖能耗模擬和節(jié)能敏感性分析采用建筑能耗模擬軟件DeST-h模擬以上兩種住宅在節(jié)能改造前后的冬季采暖能耗，計算中室內(nèi)人員、燈光、設(shè)備、通風(fēng)量的設(shè)定均按農(nóng)村居民的生活習(xí)慣設(shè)置。4.1基準舊住宅及其節(jié)能改造的能耗模擬分析4.1.1更換外窗華北地區(qū)屬于寒冷地區(qū)，夏季炎熱濕潤、冬季寒冷干燥，日照率大，冬季供暖期（四個月左右）長于夏季供冷期（兩個月左右），該地區(qū)住宅建筑的冬季供暖能耗遠高于夏季供冷能耗，尤其對于農(nóng)村住宅來說，夏季幾乎不用空調(diào)，主要以冬季采暖為主，故外窗的選擇以高透射率低傳熱系數(shù)玻璃為最好的選擇[7]。本文選擇了三種傳熱系數(shù)不同的外窗作為節(jié)能改造的備選玻璃窗來進行住宅冬季采暖能耗的模擬，模擬結(jié)果如下表1所示。各種不同的玻璃窗構(gòu)造不僅在傳熱系數(shù)和太陽得熱系數(shù)上有差異，在密封性能上同樣有所不同，通風(fēng)量的大小就會不一樣，這樣就會造成冬季的冷風(fēng)滲透量不同，故本文在計算更換外窗后的采暖能耗時，分考慮外窗的通風(fēng)性能差別與不考慮通風(fēng)性能差別兩種情況，使用各種外窗時的住宅采暖能耗如圖3所示。從表1和圖3中可以看出高透射率低傳熱系數(shù)的玻璃窗的節(jié)能效果最好，玻璃窗的密封性能對采暖能耗也有較大的影響，密封性能良好的高透射率低傳熱系數(shù)玻璃窗可使采暖能耗降低17.4%，節(jié)能效果非?？捎^。表1基準舊住宅采用不同外窗結(jié)構(gòu)后采暖能耗模擬比較玻璃窗構(gòu)造窗傳熱系數(shù)太陽得熱系數(shù)數(shù)采暖季熱負荷荷指標采暖節(jié)能率不考慮通風(fēng)考慮通風(fēng)不考慮通風(fēng)考慮通風(fēng)W/(m2··K)SHGCW/m2%木窗3mm單單玻5.90.7431.9031.900.00.0中空9mm雙雙玻3.10.72230.4727.504.513.8三層玻璃2.30.51330.9327.933.012.4高透低輻射玻玻璃1.70.72229.3426.358.017.44.1.2屋頂保溫和增加吊頂本文中外墻和屋頂保溫均采用聚苯板作為保溫材料，以便于分析研究住宅的采暖能耗隨保溫層厚度的變化規(guī)律，模擬結(jié)果如圖4所示，從圖中可以看出當(dāng)保溫層厚度比較薄時采暖能耗降低的速率比較迅速，當(dāng)保溫層厚度達到50～60mm時，采暖能耗降低的速率開始變小，此時外墻傳熱系數(shù)為0.48～0.42W/(m2K)，降低速率變化的原因分析為屋頂傳熱系數(shù)的降低隨保溫層厚度的增加亦變得緩慢，故不可盲目地增加保溫層的厚度，應(yīng)考慮改造成本與運行成本的經(jīng)濟性分析[8]。圖3舊住宅采用各種外窗時的住宅采暖能耗比較圖4住宅采暖能耗隨保溫層厚度的變化建筑節(jié)能改造時增加屋頂保溫成本較大，且難以施工，故不作為建筑節(jié)能改造的推薦方式。本例中增加7mm的石膏板吊頂即可使采暖熱負荷指標從31.9W/m2降到29.75W/m2，節(jié)能率6.7%，相當(dāng)于在屋頂增加20mm的聚苯板保溫，如在吊頂上另作保溫措施，可取得很好的保溫效果且施工難度低。另外，如將此舊住宅的土坯外墻換為37磚外墻，采暖熱負荷指標將達到35.03W/m2，增加能耗9.8%，可見土坯外墻比37磚外墻具有更好的保溫作用，故對舊住宅的外墻可不考慮保溫。4.2基準新住宅及其節(jié)能改造的能耗模擬分析4.2.1更換外窗對于新建住宅本文選擇了四種傳熱系數(shù)不同的外窗作為節(jié)能改造的備選玻璃窗來進行住宅冬季采暖能耗的模擬，模擬結(jié)果如下表2和圖5所示，從中同樣可以看出各種玻璃窗在華北這種寒冷地區(qū)使用時的保溫性能差別，依然是高透射率低傳熱系數(shù)的玻璃窗保溫性能最好，由于新住宅的南向外窗面積比舊住宅大，故更換外窗的節(jié)能效果更加明顯，節(jié)能率最大達27.2%，農(nóng)村住宅選用雙層中空高投射Low-e玻璃窗是最好選擇，如受經(jīng)濟條件限制可選用雙層中空普通玻璃窗[9]。表2基準新住宅采用不同外窗結(jié)構(gòu)后采暖能耗模擬比較玻璃窗構(gòu)造窗傳熱系數(shù)太陽得熱系數(shù)數(shù)采暖季熱負荷荷指標采暖節(jié)能率不考慮通風(fēng)考慮通風(fēng)不考慮通風(fēng)考慮通風(fēng)W/(m2KK)SHGCW/m2W/m2%%木窗3mm單單玻5.90.7840.4040.400.00.0木窗6mm單單玻5.70.7437.3437.347.67.6中空9mm玻玻璃3.10.72234.5331.8214.521.2三層玻璃2.30.51334.6730.6014.224.3高透低輻射玻玻璃1.70.72232.1429.4120.427.2圖5新住宅使用各種外窗時的住宅采暖能耗比較4.2.2屋頂和外墻保溫由于新住宅的屋頂和外墻傳熱系數(shù)均較大，故需在屋頂和外墻均設(shè)保溫，在以下模擬計算時新住宅外窗改選用雙層中空普通玻璃，以避免外窗熱損失過大對分析結(jié)果的影響，其它設(shè)置依照基準新住宅的參數(shù)，新住宅采暖能耗隨保溫層厚度的變化如圖6所示。圖6住宅采暖能耗隨保溫層厚度的變化圖7住宅節(jié)能改造的采暖能耗比較從圖6中可以看出對屋頂作保溫的節(jié)能敏感性最大，其次是北墻，原因是屋頂?shù)膫鳠嵯禂?shù)最大，作保溫后傳熱系數(shù)的變化也最大，另外屋頂和北墻的面積較大，做相同厚度的保溫減少的熱損失較大。東墻、西墻及南墻的面積較小，作保溫后對整個建筑的采暖能耗影響較小，但東墻和西墻分別對東臥室和西臥室的采暖能耗有明顯的影響。屋頂?shù)谋貙雍穸韧瑯邮沁_到50～60mm時，采暖能耗降低的速率開始明顯變小，此時的屋頂傳熱系數(shù)是0.55～0.48W/m2，可見50～60mm保溫層厚度，傳熱系數(shù)0.48W/m2左右，是隨屋頂保溫層的增加采暖能耗降低的一個變緩區(qū)域。北墻的保溫層厚度達到40～50mm，傳熱系數(shù)為0.45～0.40W/m2時，采暖能耗降低的速率開始明顯變小，而另外三面墻的拐點則是在10mm左右，且這三面墻的變化曲線基本重合。新住宅在不作保溫時的冬季采暖熱負荷指標遠高于舊住宅，人們在提高住宅的美觀同時卻忽略了住宅的能耗，室內(nèi)居住熱環(huán)境得不到提高，如新住宅中使用雙層窗并在外墻尤其是屋頂上作些保溫可以顯著提高其保溫效果，減少采暖能耗，減少住宅的使用成本。4.2.3其它節(jié)能改造方案新住宅增加吊頂、設(shè)附加陽光間、減小通風(fēng)量三種節(jié)能改造方案的采暖能耗如圖7所示。農(nóng)戶出于美觀要求一般在新建住宅中均采用了吊頂，使用密閉性好傳熱系數(shù)低的吊頂材料也可取得非常好的節(jié)能效果，本例中使用7mm的石膏板做吊頂即可達到15.8%的采暖節(jié)能率。針對大多數(shù)新建住宅均有南向1.5m左右的外挑屋檐，可沿屋檐的外緣在南向增設(shè)附加陽光間，可以收到冬季保暖夏季遮陽的效果，還可阻擋外界灰塵，在筆者的實際調(diào)查中，有附加陽光間的居民對此都有非常滿意的評價。本例中增設(shè)附加陽光間可以達到15.4%的采暖節(jié)能率，節(jié)能效果明顯。在夏季應(yīng)注意開啟附加陽光間的外窗，增加里面的通風(fēng)換氣次數(shù)，否則會有小型溫室的作用，使室內(nèi)溫度偏高。對于密封性不好的外窗，使用密封膠封閉門窗縫隙，減小冬季冷風(fēng)滲透，以非常低的成本即可取得比較可觀的節(jié)能效果，本例中將室內(nèi)最大通風(fēng)量從5次/h降低到2次/h，即可達到8.7%的采暖節(jié)能率。本文模擬計算結(jié)果與實際調(diào)查結(jié)果基本一致，部分節(jié)能改造方案已在新建住宅中使用。5結(jié)論北方地區(qū)農(nóng)村住宅選用外窗時以高透射率低傳熱系數(shù)的外窗為最佳，具體來說雙層中空高投射Low-e玻璃窗是最好選擇，如受經(jīng)濟條件限制可選用雙層中空或三層