文 // 李軍 唐艷芬 張道山 北京節(jié)能環(huán)保中心

農(nóng)村住宅節(jié)能改造中空氣間層的利用

文 // 李軍 唐艷芬 張道山 北京節(jié)能環(huán)保中心

農(nóng)村住宅建筑圍護結(jié)構(gòu)保溫性能差，耗熱量大，既增加了農(nóng)戶采暖經(jīng)濟負(fù)擔(dān)，降低了室內(nèi)熱舒適度，又耗費了大量劣質(zhì)散煤，加重了環(huán)境空氣污染。鑒于這種情況，當(dāng)前一些地方政府部門開始推行農(nóng)村住宅的保溫節(jié)能改造。農(nóng)村住宅保溫改造，除了更換門窗，加貼外墻保溫板外，還要善于利用房屋悶頂、兩相鄰?fù)鈮?、兩道門或窗之間的空氣間層，發(fā)揮空氣導(dǎo)熱系數(shù)小、熱阻大的特點，減小圍護結(jié)構(gòu)散熱量，既方便經(jīng)濟，又效果明顯，可以起到事半功倍的效果。

1 兩道窗或門間空氣間層

節(jié)能改造前，農(nóng)戶住宅均已安裝單玻外窗。改造中，不少農(nóng)戶將原有單玻窗拆除，更換為雙玻窗，舊窗低價處理或報廢，給農(nóng)戶造成了經(jīng)濟損失，也帶來資源的浪費。事實上，農(nóng)戶住宅外墻大多為370mm黏土磚墻，外墻厚度可以滿足在原窗戶一側(cè)再安裝一道外窗，形成“一道窗戶+空氣間層+一道窗戶”的圍護結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)以“一道單玻塑鋼窗+60mm空氣間層+一道雙玻塑鋼窗”的結(jié)構(gòu)為例，計算它的傳熱系數(shù)。

傳熱系數(shù)計算公式(1)為：

式中：αn－圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面換熱系數(shù)，W/(m2·K)；

αw－圍護結(jié)構(gòu)外表面換熱系數(shù)，W/(m2·K)；

δ－圍護結(jié)構(gòu)各層材料厚度，m；

λ－圍護結(jié)構(gòu)各層材料導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；

αλ－材料導(dǎo)熱修正系數(shù)；

Rk－封閉空氣單層的熱阻，m2·K/W。

玻璃厚度δ=4 m m，導(dǎo)熱系數(shù)λ=0.76 W/m·K；雙玻窗空氣層厚度12 m m，熱阻Rk=0.146 m2·K/W，兩道窗戶之間6 0 m m封閉空氣間層熱阻Rk=0.2 m2·K/W；窗框PVC材料熱阻Rk=0.376m2·K/W；αn=8.7W/m2·K，αw=23 W/m2·K。將上述數(shù)據(jù)代入(1)式，求得玻璃的傳熱系數(shù)Kg=1.9W/m2·K，窗框的傳熱系數(shù)Kf=0.9 W/m2·K。

窗戶的傳熱系數(shù)計算式(2)為：

式中：Ff－窗框的面積，m2；

Fg－玻璃的面積，m2；

ηf－窗框占窗戶面積的百分比，%。

將Kg、Kf值低入（2）式，取ηf=20%，可求得“一道單玻塑鋼窗+60mm空氣間層+一道雙玻塑鋼窗”的結(jié)構(gòu)綜合傳熱系數(shù)K=1.7W/m2·K。

若將上述的雙玻塑鋼窗更換為單玻塑鋼窗，構(gòu)成“單玻塑鋼窗+60mm空氣間層+單玻塑鋼窗”的結(jié)構(gòu)，經(jīng)計算，其綜合傳熱系數(shù)K=2.5W/m2·K，滿足《農(nóng)村居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》寒冷地區(qū)南向外窗傳熱系數(shù)2.8W/m2·K的限值?？紤]到農(nóng)村住宅窗戶面積大，窗墻比大，窗戶耗熱量大，同時安裝單框雙玻窗有政府財政補貼，多數(shù)農(nóng)戶選擇安裝雙玻窗戶。

外門可采取相同的處理辦法，在門洞處增加一道外門，形成兩道門+空氣間層的結(jié)構(gòu)，其傳熱系數(shù)計算方法可參考窗戶傳熱系數(shù)的計算方法。

2 悶頂空氣間層

農(nóng)村住宅以坡屋頂居多，由上到下構(gòu)成材料為黏土瓦、草泥、木望板、檁條，室內(nèi)為石膏板吊頂，吊頂與屋面之間是悶頂。實地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，不少農(nóng)戶住宅的悶頂并非完全封閉，而是一個內(nèi)外連通的空間，檁條與前、后檐墻接觸處存在拳頭大小的空隙，一些農(nóng)戶悶項兩側(cè)山墻上開有未安裝檢修門的人孔。這些孔洞成為悶頂內(nèi)空氣與環(huán)境空氣交換的通道，降低了悶頂內(nèi)空氣溫度，增加了吊頂散熱。

現(xiàn)計算當(dāng)悶頂為非封閉空間時，屋頂?shù)膫鳠嵯禂?shù)。吊頂材料為紙面石膏板，厚度δ=12mm，導(dǎo)熱系數(shù)λ=0.33W/m·K，αn=8.7W/m2·K，αw=12 W/m2·K。用公式（1）得到屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)K1=4.27W/m2·K。

將悶頂外圍護結(jié)構(gòu)與室外環(huán)境連通的孔洞封堵，在悶頂內(nèi)構(gòu)成一個封閉的空氣層，使屋面、悶頂和吊頂形成多層熱傳遞通道，其綜合傳熱系數(shù)按公式（4）計算：

式中：K－屋面和吊頂?shù)木C合傳熱系數(shù)，W/m2·K；

K1－吊頂?shù)膫鳠嵯禂?shù)，W/m2·K；

K－ 屋面的傳熱系數(shù)，W/m2·K；

α－屋面和吊頂?shù)膴A角。

屋面黏土瓦厚度δ=10mm，導(dǎo)熱系數(shù)λ=0.43W/m·K；草泥厚度δ=70mm，λ=0.67W/m·K；木望板δ=15mm，λ=0.15W/m·K；αn=7.6W/m2·K，αw=23W/m2·K。計算得到屋面的傳熱系數(shù)K2=2.44W/(m2·K)。

取α=30°，將K1、K2代入（4）式，得到屋面和吊頂?shù)木C合傳熱系數(shù)K=1.7W/m2·K,比悶頂不封閉時單純吊頂?shù)膫鳠嵯禂?shù)減小了2.57W/m2·K。

3 外墻間空氣間層

農(nóng)村每戶的建筑外墻幾乎均為獨立外墻，很少與左右鄰居共用外墻，相鄰兩戶并排房屋外墻間通常有一道10cm左右的縫隙?？p隙內(nèi)空氣與室外空氣流通交換，兩側(cè)370mm黏土磚墻直接與室外空氣接觸，傳熱系數(shù)K=1.57 W/(m2·K)。這樣的外墻，因為沒有施工空間，外保溫?zé)o法進(jìn)行。但是，如果將相鄰?fù)鈮﹂g的空隙用磚、泥封堵，在兩道外墻間形成封閉的空氣層，隔斷內(nèi)外空氣的流通，則可有效減少外墻散熱。

圍護結(jié)構(gòu)的基本耗熱量計算公式為（5）：

式中：Q－圍護結(jié)構(gòu)基本耗熱量，W；

α－圍護結(jié)構(gòu)溫差修正系數(shù)；

F－圍護結(jié)構(gòu)的面積，m2；

K－圍護結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)，W/m2·K；

tn－供暖室內(nèi)設(shè)計溫度，℃；

twn－供暖室外計算溫度，℃。

將相鄰兩外墻間縫隙封堵，形成封閉的空氣間層。這兩道外墻即可視作伸縮縫墻或沉降縫墻，根據(jù)公式（5），伸縮縫墻、沉降縫墻圍護結(jié)構(gòu)溫差修正系數(shù)α=0.3，此即等同于將外墻傳熱系數(shù)減小了70%，由K=1.57W/m2·K變?yōu)镵=0.47 W/m2·K，達(dá)到《農(nóng)村居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》外墻傳熱系數(shù)不得高于2.5 W/m2·K 的限值要求。

表1 各圍護結(jié)構(gòu)構(gòu)成、面積、傳熱系數(shù)及設(shè)計熱負(fù)荷

表2 改造后圍護結(jié)構(gòu)構(gòu)成、面積、傳熱系數(shù)及設(shè)計熱負(fù)荷

4 空氣間層保溫效果

現(xiàn)以北京市某農(nóng)村住宅為例，比對改造前后的節(jié)能效果。該建筑坐北朝南，東西長14.9m，南北寬7.3m，建筑面積108.8m2，室內(nèi)凈高3.25m。四周外墻為370mm黏土磚墻；雙坡屋頂，由黏土瓦、草泥、木望板、檁條構(gòu)成，室內(nèi)為石膏板吊頂。南向外墻安裝單玻塑鋼玻璃門1個，面積8.58m2；單玻塑鋼窗4個，總面積26m2。室內(nèi)設(shè)計溫度14℃。各圍護結(jié)構(gòu)構(gòu)成、面積、傳熱系數(shù)及設(shè)計熱負(fù)荷見下表1。

現(xiàn)在原窗門孔洞再安裝一道雙玻塑鋼窗或門，兩道窗或門間距60mm。悶頂外墻上與室外空氣貫通的所有孔洞進(jìn)行封堵，東、西向外墻與相鄰住戶外墻間的空隙進(jìn)行封堵，在北墻外加貼50mm厚EPS外保溫板。改造后各圍護結(jié)構(gòu)構(gòu)成、傳熱系數(shù)及設(shè)計熱負(fù)荷見表2。

可以看出，節(jié)能改造后，外窗和外門的散熱量減少了64%，東、西向外墻散熱量減少了70%，屋面散熱量減小了56%。三項改造綜合節(jié)能7753W，比改造前節(jié)能46%，效果非常明顯。

5 結(jié)語

農(nóng)村住宅保溫改造，結(jié)合實際情況，巧用善用空氣間層，可有效減少外圍護結(jié)構(gòu)散熱，降低室外空氣滲透，提高室內(nèi)熱舒適度，具有工程量小、費用低、對住戶影響小、效果好等特點，工程實踐中具有一定推廣意義。