李 潔，徐 鑫，姚新強(qiáng)，趙家偉

(石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，石河子 832003)

截至2017年，新疆地區(qū)主要能源消費(fèi)仍以煤炭消費(fèi)為主，煤炭消費(fèi)占能源消費(fèi)總量的66.5%，其中用于供熱的煤炭消費(fèi)折合標(biāo)準(zhǔn)煤可達(dá)2 745×104t[1]。冬季采暖期間大量化石燃料的消耗，不僅是大量一次能源的浪費(fèi)，還對環(huán)境造成了極大的破壞。隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)的加速，眾多學(xué)者關(guān)注到分散式燃煤供暖的農(nóng)村地區(qū)[2]，建筑節(jié)能設(shè)計(jì)尤其是被動(dòng)式設(shè)計(jì)技術(shù)對于改善農(nóng)村地區(qū)建筑采暖能耗現(xiàn)狀是不可忽視的[3-6]。針對新疆地理環(huán)境的附加陽光間[7]、被覆結(jié)構(gòu)蓄熱[8]、集熱墻耦合地下室系統(tǒng)[9]等被動(dòng)式設(shè)計(jì)方案被相繼提出并發(fā)展。但目前新疆農(nóng)村既有住宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)缺乏有效的保溫措施，在被動(dòng)式改造之前也亟待開展外圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能改造。因此，在落實(shí)目前被動(dòng)式技術(shù)過程中，如何將外圍護(hù)改造與被動(dòng)式改造相結(jié)合，提升農(nóng)宅太陽能的利用效率是一個(gè)值得研究的問題。

以石河子地區(qū)的既有農(nóng)宅為研究對象，根據(jù)石河子地區(qū)氣候條件，從外圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫和南墻被動(dòng)式改造兩方面對其進(jìn)行被動(dòng)式節(jié)能改造設(shè)計(jì)；在改造前后的冬季供暖初期，對其進(jìn)行室內(nèi)熱環(huán)境測試，并針對改造后農(nóng)宅測試其圍護(hù)結(jié)構(gòu)耗熱量變化，檢驗(yàn)供暖初期被動(dòng)式供暖運(yùn)行節(jié)能效果。以期通過本試驗(yàn)既有農(nóng)宅被動(dòng)式改造的經(jīng)驗(yàn)，為新疆地區(qū)既有農(nóng)宅的改造工作提供實(shí)踐參考依據(jù)。

1 既有農(nóng)宅概況

設(shè)計(jì)改造的對象為新疆石河子市郊區(qū)某既有農(nóng)宅。該農(nóng)宅坐北朝南，層高為3.0 m，建筑面積為93.34 m2，窗墻面積比為：南向0.25，北向0.13，東向0.10，建筑體型系數(shù)為0.742。由于建成時(shí)間較長，其圍護(hù)結(jié)構(gòu)相對老舊且基本沒有保溫措施，如屋面的防水層、窗戶玻璃及外墻勒腳等個(gè)別部位已經(jīng)破損嚴(yán)重。其圍護(hù)結(jié)構(gòu)經(jīng)過實(shí)地調(diào)查如表1所示，根據(jù)《嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ 26—2010)的要求[10]，低于三層的居住建筑其屋面、外墻、周邊地面和外窗的傳熱系數(shù)的限值分別為0.30、0.35、0.20、1.8 W·m-2·K-1，該建筑各圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能均不能滿足節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表1 改造前農(nóng)宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)情況

2 農(nóng)宅改造方案

2.1 外圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造方案

對于嚴(yán)寒地區(qū)，夏季制冷需求相比冬季采暖需求要小很多，節(jié)能改造措施應(yīng)主要考慮冬季保溫問題[11]。農(nóng)宅外墻總面積127.47 m2，采用粘貼 80 mm 厚聚苯乙烯(EPS)板薄抹灰涂料飾面的做法，傳熱系數(shù)為0.28 W·m-2·K-1；屋面總面積87.93 m2，在原保溫構(gòu)造的基礎(chǔ)上，鋪設(shè)100 mm厚的擠塑聚苯乙烯(XPS)板和 80 mm 厚的細(xì)石混凝土，傳熱系數(shù)為0.34 W·m-2·K-1；同時(shí)，地面鋪設(shè)40 mm厚的XPS板并做50 mm厚的細(xì)石混凝土找平，傳熱系數(shù)為0.17 W·m-2·K-1；相比于外墻與屋面，外窗面積為17.01 m2，選用75系列鋼鋁塑復(fù)合框的低輻射玻璃窗。傳熱系數(shù)為1.63 W·m-2·K-1。改造后的農(nóng)宅南立面如圖1所示。

圖1 農(nóng)宅南立面

2.2 南墻被動(dòng)式改造方案

由于新疆風(fēng)沙較大，被動(dòng)式改造時(shí)不宜采用改造附加陽光間，而選用集熱墻式改造較為實(shí)用[12]。改造方案如圖2所示，實(shí)體墻式集熱墻通常是利用建筑南立面的外墻，在其表面涂以高吸收系數(shù)的無光深色涂料，并以密封的玻璃蓋板覆蓋而成。為了高效利用太陽能，合理的空氣間層和通風(fēng)口設(shè)計(jì)是增強(qiáng)集熱能力的關(guān)鍵[13]。

圖2 農(nóng)宅被動(dòng)式改造方案

冬季，被集熱墻吸收的太陽輻射熱會(huì)通過兩種途徑傳入室內(nèi)：其一是通過墻體熱傳導(dǎo)和墻體內(nèi)表面通過對流及輻射將熱量傳入室內(nèi)；其二主要由玻璃內(nèi)表面和集熱墻外表面通過對流方式將熱量傳給夾層空氣，再由被加熱后的夾層空氣傳入將熱量室內(nèi)，達(dá)到升溫的目的。因此，集熱墻供給室內(nèi)的瞬時(shí)供熱量可表示為[14]

qcg=qcod+qcov

(1)

式(1)中：qcg為集熱墻供給室內(nèi)的瞬時(shí)供熱量，W；qcod為經(jīng)集熱墻傳導(dǎo)進(jìn)入室內(nèi)的熱量，W；qcov為經(jīng)上下通風(fēng)口自然對流進(jìn)入室內(nèi)的熱量，W。qcod和qcov可分別按式(2)及式(3)進(jìn)行計(jì)算：

qcod=λ(Tm-Tr)

(2)

(3)

(4)

式(4)中：Ag、Av分別為空氣間層橫斷面積和集熱墻上、下風(fēng)口面積，m2；h為上下通風(fēng)口中心之間的垂高，m；g為重力加速度，m·s-1。

根據(jù)上述公式，可得出集熱墻供給室內(nèi)的瞬時(shí)供熱量與三個(gè)因素有關(guān)，即因素A(集熱墻上、下通風(fēng)口直徑)、因素B(空氣間層厚度)、因素C(上、下通風(fēng)口距離)。因此，以瞬時(shí)太陽輻射量在500 W·m-2，室內(nèi)溫度在14 ℃為前提條件，引入正交模擬計(jì)算的方法[16]，每個(gè)因素取三個(gè)水平。正交模擬計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 正交模擬計(jì)算結(jié)果

采用瞬時(shí)供熱量的平均值大小來反映同一個(gè)因素的各個(gè)不同水平對瞬時(shí)供熱量影響的大小，同時(shí)用同一因素各水平下平均瞬時(shí)供熱量的極差R來反映各因素的水平變動(dòng)對瞬時(shí)供熱量影響的大小。由表2得到因素的主次順序依次為通風(fēng)口直徑(因素A)、上下通風(fēng)口距離(因素C)、空氣間層間距(因素B)。并得出最優(yōu)的改造方案為A3B2C3，即在通風(fēng)口直徑選取150 mm，空氣間層間距選取100 mm，上下通風(fēng)口距離選取 2.5 m 時(shí)，集熱墻可獲得最佳的瞬時(shí)供熱量。

3 試驗(yàn)方法

根據(jù)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造方案和南墻被動(dòng)式改造方案，試驗(yàn)農(nóng)宅在2018年9月完成了改造工作，改造后的農(nóng)宅外景圖如圖3所示。為測試改造后運(yùn)行效果，采用短期詳細(xì)測試的方法，測試時(shí)間為2017年11月和2018年11月，分別測試試驗(yàn)農(nóng)宅改造前后供暖初期的熱工性能，試驗(yàn)建筑的測點(diǎn)布置見圖4。改造前后室內(nèi)壁面溫度的測點(diǎn)和熱流測點(diǎn)由JTSOFT-DL溫度與熱量動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)監(jiān)測；室內(nèi)溫濕度由記錄；通風(fēng)口風(fēng)速采用JTR07B多通道微風(fēng)測試儀記錄；JTR08多通道溫濕度測試儀每隔30 min記錄室內(nèi)房間溫濕度數(shù)據(jù)；室外環(huán)境數(shù)據(jù)由Vantage Pro2型自動(dòng)氣象站自動(dòng)采集。測試儀器及參數(shù)精度如表3所示。

圖3 改造后的農(nóng)宅外景圖

圖4 農(nóng)宅平面測點(diǎn)布置

表3 測試儀器及參數(shù)精度

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 農(nóng)宅室內(nèi)熱環(huán)境測試結(jié)果

如圖5所示，根據(jù)儀器測得的氣象資料，分別選取2017年11月22—24日和2018年11月14—16日兩組試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，測試期間均為晴天，室外氣象條件平均氣溫為-14 ℃，低于本地區(qū)歷年同時(shí)期的平均溫度-11.1 ℃[17]。因此，本試驗(yàn)條件相較本地區(qū)的典型氣候仍有一定的余量，能更好反映集熱墻在低溫環(huán)境下的運(yùn)行效果[18]。

圖5 測試期間室外溫濕度變化

根據(jù)圖6所示，改造前和改造后農(nóng)宅平均溫度分別為-0.7、10.2 ℃，改造后室內(nèi)空氣溫度升溫明顯，且日間集熱墻集熱升溫效果明顯。由于室外氣溫遠(yuǎn)低于室內(nèi)氣溫，農(nóng)宅南向臥室在沒有太陽輻射的情況下降溫很快，日夜溫度波動(dòng)在可達(dá)6 ℃。

分析改造后農(nóng)宅日間通風(fēng)口分別為開啟和關(guān)閉狀態(tài)的太陽間和對比間可以發(fā)現(xiàn)，開啟通風(fēng)口的太陽間升溫效果要好于對比間。當(dāng)通風(fēng)口白天開啟時(shí)，氣流將集熱墻空氣間層的熱量通過對流方式傳入室內(nèi)，室內(nèi)平均溫度較通風(fēng)口關(guān)閉時(shí)高1 ℃左右；而通風(fēng)口關(guān)閉時(shí)，白天集熱墻接收到的熱量只能通過墻體傳熱進(jìn)入室內(nèi)，因此，通風(fēng)口關(guān)閉時(shí)夜間室溫波動(dòng)較開啟時(shí)小。

圖6 測試期間室內(nèi)空氣溫度變化

4.2 農(nóng)宅集熱墻被動(dòng)式采暖測試結(jié)果

為評估改造后農(nóng)宅的被動(dòng)式采暖效果，選取2018年11月14日作為典型運(yùn)行工況進(jìn)行分析。其集熱墻集熱效果隨時(shí)間的變化如表4所示。

由表4可知，集熱墻集熱效果隨太陽輻射強(qiáng)度增強(qiáng)而增強(qiáng)，空氣間層的溫度和上通風(fēng)口氣流的平均風(fēng)速均在太陽輻射最強(qiáng)時(shí)達(dá)到最高，此時(shí)集熱墻的集熱效率是最高的。同時(shí)，當(dāng)太陽輻射極低時(shí)，空氣間層溫度會(huì)迅速下降，此時(shí)應(yīng)將通風(fēng)口關(guān)閉，防止室內(nèi)熱量向外流失[19]。

試驗(yàn)時(shí)間段內(nèi)農(nóng)宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱流變化如圖7所示，農(nóng)宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱流在夜間波動(dòng)不大，但白天受到太陽輻射的影響，北墻和窗戶部位熱流隨太陽輻射強(qiáng)度的增加而減小。在改造后，外窗仍是建筑保溫的薄弱處，平均熱流密度為31.65 W·m-2。通過實(shí)測熱流計(jì)算圍護(hù)結(jié)構(gòu)耗熱量以及冷風(fēng)滲透損失，可知典型日的建筑耗熱量為256.82 MJ·d-1。

如圖8所示，由于外墻外表面增設(shè)隔熱性能較好的EPS板，墻體傳熱量較小，集熱墻導(dǎo)入室內(nèi)的熱量較少，墻體平均熱流密度在3.1 W·m-2。而通風(fēng)口對流得熱的瞬時(shí)得熱量最高可接近70 W·m-2，是農(nóng)宅被動(dòng)式采暖的熱量主要來源。在天氣晴好的情況下，綜合計(jì)算墻體傳熱量和通風(fēng)口自然對流得熱量，集熱墻向室內(nèi)的供熱量可達(dá) 42.6 MJ·d-1。

圖7 不同時(shí)刻圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱流密度變化

圖8 集熱墻向室內(nèi)的瞬時(shí)供熱量變化

4.3 農(nóng)宅被動(dòng)式改造后節(jié)能分析

研究發(fā)現(xiàn)新疆地區(qū)供暖初期太陽輻射較充足，農(nóng)宅改造前后的兩個(gè)試驗(yàn)月太陽輻射量大于 4 MJ·d-1·m-2的晴天數(shù)分別可達(dá)到26、24 d。不同于大雪頻繁的供暖中期，長期的晴天非常有利于被動(dòng)式集熱墻的集熱。表5為試驗(yàn)農(nóng)宅在兩個(gè)試驗(yàn)月的供暖運(yùn)行效果。

表5 供暖初期農(nóng)宅供暖運(yùn)行效果

注：燃煤供暖熱效率為50%[20]，耗煤量折算標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)為 0.714 3 kgce·kg-1；CO2排放量為2.71 g·kgce-1。

從表5可以看出，在相近的測試環(huán)境下，改造前非節(jié)能農(nóng)宅的日均圍護(hù)結(jié)構(gòu)耗熱量高達(dá)577.65 MJ·d-1；而在改造后，日均圍護(hù)結(jié)構(gòu)耗熱量降低至228.46 MJ·d-1，僅為改造前的39.55%。測試期間，改造后耗煤量折合成標(biāo)煤相比改造前降低了 29.73 kgce·d-1，僅為改造前的34.86%。被動(dòng)式供熱為 27.07 MJ·d-1，降低了11.85%的供暖能耗。以上數(shù)據(jù)可以表明，既有農(nóng)宅外圍護(hù)改造是建筑節(jié)能的基礎(chǔ)，僅有被動(dòng)式改造遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足節(jié)能農(nóng)宅的耗熱量要求，被動(dòng)式改造在農(nóng)宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)滿足節(jié)能要求的基礎(chǔ)上可以取得良好的節(jié)能效果。

5 結(jié)論

針對新疆地區(qū)既有農(nóng)宅外圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫改造和被動(dòng)式改造相結(jié)合的設(shè)計(jì)方案，通過對改造前后農(nóng)宅室內(nèi)熱環(huán)境和被動(dòng)式改造后采暖效果的測試，得出以下結(jié)論。

(1)通過對新疆地區(qū)既有農(nóng)宅的被動(dòng)式改造分析可知，在進(jìn)行農(nóng)宅南墻被動(dòng)式設(shè)計(jì)時(shí)，在通風(fēng)口直徑選取150 mm，空氣間層間距選取100 mm，上下通風(fēng)口距離選取2.5 m時(shí)，集熱墻可獲得最佳的瞬時(shí)供熱量。

(2)完成外保溫改造的被動(dòng)式集熱墻，墻體傳熱量較小，墻體平均熱流在3.1 W·m-2。在而通風(fēng)口對流得熱的瞬時(shí)得熱量最高時(shí)可接近70 W·m-2，能有效提升農(nóng)宅日間平均氣溫，是農(nóng)宅被動(dòng)式采暖的熱量主要來源。

(3)對于目前新疆地區(qū)農(nóng)村住宅存在的一系列問題，有針對性地從外圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造和南墻被動(dòng)式改造兩方面入手。在相同的環(huán)境溫度下，改造后的室內(nèi)溫度相比改造前，提升溫度可達(dá)10.9 ℃。供暖初期，農(nóng)宅改造后的耗煤量降低至改造前的34.86%，被動(dòng)式供熱降低了11.85%的供暖能耗。在供暖初期，被動(dòng)式改造后的農(nóng)宅具有明顯的節(jié)能效果，所需維持室內(nèi)溫度的輔助熱量大幅降低，為本地區(qū)其他農(nóng)村住宅被動(dòng)式改造提供了改造方案和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。