盛肖利 劉學(xué)來 李永安 毛煜東

北方農(nóng)村建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能研究

盛肖利 劉學(xué)來 李永安 毛煜東

（山東建筑大學(xué)能工程學(xué)院 濟(jì)南 250101）

根據(jù)現(xiàn)農(nóng)村傳統(tǒng)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀計(jì)算得出農(nóng)村供暖房屋熱負(fù)荷，傳統(tǒng)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)耗熱量大，部分民用建筑已進(jìn)行了節(jié)能改造，而數(shù)量眾多的農(nóng)村傳統(tǒng)民居應(yīng)采取怎樣的節(jié)能方案，才能達(dá)到預(yù)期的節(jié)能目的，進(jìn)行農(nóng)村建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能研究，得出房屋、外墻和門窗等維護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫性能未達(dá)到節(jié)能50%，而采取相應(yīng)的措施進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性的改造，改造前后進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析，以達(dá)到改善農(nóng)村房屋居住環(huán)境，減少能源損耗，提高生活水平的目的。

農(nóng)村現(xiàn)狀分析；圍護(hù)結(jié)構(gòu)；熱負(fù)荷；節(jié)能措施；經(jīng)濟(jì)分析

0 引言

中國(guó)正處于城鎮(zhèn)化進(jìn)程加速發(fā)展時(shí)期，能源消耗量巨大，節(jié)能減排的任務(wù)十分艱巨。建筑是耗能大戶，約占全社會(huì)總能耗的40%，而住宅總量約為建筑總量的70%，因此提升住宅建筑的節(jié)能水平是建筑節(jié)能的關(guān)鍵[1-4]。隨著農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的逐漸提高，農(nóng)村居民對(duì)生活質(zhì)量和生活水平以及生活環(huán)境有了更高的要求。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)農(nóng)村建筑面積約為240億m2，占全國(guó)總面積的60%。由于農(nóng)村房屋的傳統(tǒng)問題，住宅占地面積大，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性差，導(dǎo)致冬季室內(nèi)溫度低，熱環(huán)境較差，建筑中的能源消耗大，污染嚴(yán)重，得到了政府的高度重視。普遍存在的農(nóng)村采暖問題：形式單一、能耗大。在現(xiàn)如今節(jié)能減排的大環(huán)境下，如何采取措施，既能節(jié)約能源又能提高熱舒適性是農(nóng)村居民所重視的問題。農(nóng)村新建住宅越來越多，由于受傳統(tǒng)的、技術(shù)的、經(jīng)濟(jì)的等多重因素的影響，農(nóng)村住宅建設(shè)普遍存在缺乏規(guī)劃、放任無序的弊病，已經(jīng)成為制約住宅建筑節(jié)能水平提升的瓶頸[5,6]。

本文以北方農(nóng)村典型住宅為對(duì)象研究分析。

1 北方農(nóng)村圍護(hù)結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀分析

北方農(nóng)村的建筑類型多為磚木結(jié)構(gòu)、磚混結(jié)構(gòu)。外墻形式多為粘土磚墻。這種磚墻的厚度多為240mm，極少數(shù)為370mm，外墻多以素水泥砂漿或外墻涂料作飾面材料，少量采用瓷磚，墻體基本無保溫措施，保溫隔熱效果差，冬季室內(nèi)熱損失嚴(yán)重。農(nóng)村住宅的外窗框型材主要為鋁合金、塑鋼窗、木窗。外門多為單層雙扇對(duì)開，門窗密閉性差，冷風(fēng)滲透較嚴(yán)重，而近幾年門窗多采用鋁合金材質(zhì)，減少了冷風(fēng)滲透，密封性能較好。屋頂為木屋頂與預(yù)制板，屋頂多采用平屋頂形式，少數(shù)采用吊頂，保溫簡(jiǎn)單，保溫效果一般，而大部分屋頂都沒有保溫措施。地面的構(gòu)造非常簡(jiǎn)單，主要為水泥地面，基本無保溫措施與防潮措施，從而導(dǎo)致冬季時(shí)熱量通過傳導(dǎo)方式從地面大量流失，嚴(yán)重降低了居住舒適性[1]。冬季采暖農(nóng)村住房多采用火炕和煤炭爐，也有少部分采用土暖氣。火炕主要采用農(nóng)作物秸稈作為取暖能源，煤炭爐和土暖氣主要采用煤炭，少數(shù)生活條件富裕的家庭采用空調(diào)采暖。燃煤采暖分為采暖與炊事一體、采暖與炊事分離兩種。大多數(shù)的家庭為純?nèi)紵膳?，燃燒爐接火炕或燃燒爐接一到兩組暖氣片進(jìn)行采暖。對(duì)于一些新改建的房屋則會(huì)采用地暖采暖或空調(diào)采暖。多數(shù)采用煤炭爐或電器的采暖，無法達(dá)到室內(nèi)熱舒適度和空氣質(zhì)量要求[7]。

2 農(nóng)村熱負(fù)荷實(shí)際數(shù)據(jù)

據(jù)統(tǒng)計(jì)測(cè)量，冬季室外最低溫度在-20℃以下，最高溫度平均在8℃～10℃之間。而室內(nèi)溫度白天為5～10℃，夜晚為5℃以下。溫度波動(dòng)大的主要原因是人員活動(dòng)范圍所致，堂屋白天接待客人時(shí)會(huì)生起火爐或打開空調(diào)，溫度升高；夜間人員活動(dòng)較少，火爐就會(huì)熄滅或關(guān)閉空調(diào)，溫度則會(huì)迅速下降[8]。

以山東省農(nóng)村房屋為例，節(jié)能改造前后房屋供熱來源于空氣源熱泵，24小時(shí)供熱。經(jīng)調(diào)查房屋墻厚為240mm，稱“一磚墻”。外墻涂抹石灰、水泥、砂漿的混凝土厚15mm，內(nèi)墻為水泥漿抹面厚15mm，墻體的總厚度為270mm。屋頂為普通的300mm厚的鋼筋混凝土樓板。門的規(guī)格為1200mm×2000mm的木質(zhì)門。陽面窗為1500mm×1500mm的單層玻璃窗，陰面窗為600mm×1000mm的單層玻璃窗。地面采用石灰水泥鋪平，房屋尺寸大小如圖1所示。

圖1 兩間農(nóng)村住宅模型圖

取冬季室外平均溫度為-5.3℃，室內(nèi)溫度根據(jù)現(xiàn)狀設(shè)計(jì)的舒適溫度為16℃。

（1）首先求出外墻、門窗、屋頂、地帶面積；

（2）查得傳熱系數(shù)[9]，由溫差得出基本耗熱量；

（3）通過風(fēng)力、朝向、高度修正系數(shù)得出圍護(hù)結(jié)構(gòu)耗熱量；

（4）最后計(jì)算冷風(fēng)滲透耗熱量得出房間總耗熱量；

（5）通過房間熱負(fù)荷計(jì)算得出房間總耗電量；如表1所示。

由計(jì)算得出的數(shù)據(jù)可知，農(nóng)村房屋耗熱量大，單位面積耗熱量為176.09W/（m2﹒℃）。農(nóng)村房屋的墻體材料和結(jié)構(gòu)大多數(shù)采用實(shí)心粘土磚等傳統(tǒng)做法，空間變化小，功能分區(qū)不明確，窗墻面積不合理，地面基本不會(huì)設(shè)保溫層，門窗的氣密性差，導(dǎo)致農(nóng)村建筑室內(nèi)污染嚴(yán)重，空氣質(zhì)量差，溫度波動(dòng)大，夜間溫度低，墻體的保溫性、氣密性差。造成能源消耗大，室內(nèi)溫度低的主要原因在傳統(tǒng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理。因此，改進(jìn)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式以改善建筑熱性能，是建筑節(jié)能的重要途徑。

3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能措施

在穩(wěn)態(tài)條件下，圍護(hù)結(jié)構(gòu)兩側(cè)空氣溫差為1℃，在單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積的傳熱量（用表示）。

=1/（1）

式中，為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱阻。

=d/（2）

式中，d為材料層厚度；為材料導(dǎo)熱系數(shù)

由此可見，改善圍護(hù)結(jié)構(gòu)的具體途徑有：（1）增加材料層厚度；（2）降低材料的傳熱系數(shù)。

3.1 外墻加外保溫層

保溫層應(yīng)置于墻體外側(cè)，使建筑主體結(jié)構(gòu)所受溫差作用大幅度下降，溫度變化減小，對(duì)結(jié)構(gòu)墻體起到保護(hù)作用并有效阻斷冷橋。同時(shí)不減少室內(nèi)使用空間，施工過程不影響用戶的正常使用，有利于延長(zhǎng)建筑結(jié)構(gòu)的使用壽命。

選用=0.018W/（m2·℃)的硬質(zhì)聚氨酯保溫板，厚度為50mm，在表面噴抹25mm厚水泥砂漿形成墻體，即完成施工。由公式

計(jì)算加了保溫層的墻體導(dǎo)熱系數(shù)為=0.344W/（m2·℃）。

得出加了保溫層后墻體的圍護(hù)結(jié)構(gòu)耗熱量、耗電量（見表2）。

表2 外墻加保溫層厚房間耗熱量匯總表

通過計(jì)算得出外墻加了保溫層后，房間單位耗熱量為72.83W/（m2·℃）。相比墻體沒有加保溫層時(shí)房間的單位面積耗熱量減少了103.26W/（m2·℃），房間總耗電量減少了4388.63kWh。

3.2 外門窗節(jié)能改造

提高窗框的保溫性能，減少窗玻璃傳熱是減少窗的傳熱損耗最有效的途徑。將原有木框單層玻璃窗換成塑料單框低輻射中空玻璃窗6～12mm（平開），導(dǎo)熱性能差、傳熱慢，同時(shí)也可以減少熱量散失。原單層門換成實(shí)體木質(zhì)雙層門，查得塑料單框低輻射中空玻璃窗的傳熱系數(shù)=1.80W/（m2·℃），門的傳熱系數(shù)=2.33W/（m2·℃）得出房間耗熱量、耗電量（見表3）。

表3 門窗采取節(jié)能措施房間耗熱量匯總表

通過計(jì)算得出門窗采取節(jié)能措施后，房間單位耗熱量為155.66W/（m2·℃）。相比原來門窗房間的單位面積耗熱量減少了20.43W/（m2·℃），房間總耗電量減少了866.63kWh。

3.3 屋頂加保溫層

屋頂保溫材料采用與墻體相同的保溫層，導(dǎo)熱系數(shù)0.018W/（m·K）的硬質(zhì)聚氨酯保溫板，厚度為70mm，建筑室內(nèi)為30mm厚的石膏板吊頂，結(jié)合與屋頂?shù)目諝鈱蛹訌?qiáng)保溫。計(jì)算得屋頂?shù)膫鳠嵯禂?shù)為=0.247W/（m2·℃）。得出房間耗熱量、耗電量（見表4）。

表4 屋頂加保溫層房間耗熱量匯總表

通過計(jì)算得出屋頂采取節(jié)能措施后，房間單位耗熱量為137.05W/（m2﹒℃）。相比原來門窗房間的單位面積耗熱量減少了39.04W/（m2﹒℃），房間總耗電量減少了1658.11kWh。

通過計(jì)算可以看出，外墻、門窗、屋頂分別進(jìn)行保溫節(jié)能措施以后，單位面積耗熱量和房間耗電量都在很大程度上有所減少，其中外墻因?yàn)槊娣e大，受冷風(fēng)滲透量的影響，加了保溫層后傳熱系數(shù)減小，房間單位耗熱量減少最多。為了達(dá)到更好的保溫節(jié)能效果，現(xiàn)將外墻、門窗、屋頂?shù)墓?jié)能措施同時(shí)應(yīng)用，計(jì)算得出房間的耗熱量（見表5）。

表5 外墻、門窗、屋頂同時(shí)節(jié)能房間耗熱量匯總表

通過計(jì)算得出外墻、門窗、屋頂同時(shí)采取節(jié)能措施后，房間單位耗熱量為39.97W/（m2·℃）。相比沒有加任何節(jié)能措施時(shí)單位面積耗熱量減少了136.12W/（m2·℃），節(jié)能效果達(dá)到77.3%，房間總耗電量減少了5785.88kWh。

4 經(jīng)濟(jì)分析

建筑能耗均折合為電價(jià)，每kWh的電價(jià)取0.53元[10]。具體比較結(jié)果見表6。

表6 房屋保溫與否的經(jīng)濟(jì)比較

建筑外墻與屋頂保溫投資回收期為：

10384/[（82.65-18.77）×48]=3.4≈4（年）

對(duì)于一般建筑物可以安全使用50年，外保溫層的最短使用年限也要求使用25年。按25年進(jìn)行計(jì)算，外墻外保溫層與屋頂保溫層總的節(jié)約資本為：

（25-4）×（82.65-18.77）≈1342（元/m2）

采用該保溫措施在使用年限內(nèi)一共可節(jié)省總數(shù)為：

1342×48=64391（元）

5 總結(jié)

建筑節(jié)能保溫是現(xiàn)在農(nóng)村供暖規(guī)劃中非常重要的環(huán)節(jié)，經(jīng)過計(jì)算分析加保溫措施前后的經(jīng)濟(jì)性，結(jié)果表明建筑加保溫層后節(jié)能效果非常明顯。農(nóng)村大部分的農(nóng)民節(jié)能意識(shí)比較薄弱，雖然農(nóng)民收入有所提高，相對(duì)于城鎮(zhèn)水平還比較低。政府應(yīng)該對(duì)節(jié)能技術(shù)的研發(fā)和購(gòu)買做出相應(yīng)的補(bǔ)貼，以降低造價(jià)。對(duì)新技術(shù)、新設(shè)備的推廣加大宣傳力度，建立更多的供暖新技術(shù)示范村，改變農(nóng)民的節(jié)能意識(shí)，真正的改善農(nóng)村的生活環(huán)境和生活水平。

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Study on Energy Saving of Construction Enclosure Structure in Northern Rural Areas

Sheng Xiaoli Liu Xuelai Li Yongan Mao Yudong

( Department of Thermal Engineering, Shandong Jianzhu University, Jinan, 250101 )

This article is based on the current situation of the traditional building envelope structure in rural areas and calculates the heat load of heating houses in rural areas. The energy consumption of traditional building envelope structures is large, and some of the civil buildings have undergone energy-saving reforms. However, how many energy-saving features should be adopted in a large number of traditional rural dwellings? The plan can achieve the intended energy-saving purpose, and conduct energy-saving research on the building envelope structure of rural buildings. It is concluded that the insulation performance of the maintenance structures such as houses, external walls, doors and windows does not reach 50% energy saving, and corresponding measures are taken to maintain the insulation of the envelope structure. Economic analysis is conducted before and after the transformation to achieve the goal of improving the living environment of rural housing, reducing energy consumption and improving living standards.

Rural status analysis; Enclosure structure; Heat load; Energy-saving measures; Economic Analysis

TU86

A

1671-6612（2019）04-395-04

盛肖利（1995.01），女，在讀研究生，E-mail：sxlsdjn@163.com

劉學(xué)來（1965.09），男，博士，教授，E-mail：liuxuelai147@163.com

2018-07-26