赤峰地區(qū)典型農(nóng)宅屋頂?shù)臒峁ば阅苎芯?/h1>
2022-07-09 08:50:46石宏巖趙勝男
科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新 2022年19期 關(guān)鍵詞：農(nóng)宅
石宏巖 趙勝男
（赤峰學(xué)院 資源環(huán)境與建筑工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）
工業(yè)、交通和建筑是能源消耗的三大領(lǐng)域，是直接或者間接造成碳排放的主力原因[1]。北方供暖能耗占到農(nóng)村地區(qū)生活用能的80%以上，屋頂?shù)暮臒崃空?0%是不容忽視的能耗影響因素[2]。屋頂是整個(gè)農(nóng)宅的最高部分，接觸太陽(yáng)輻射最多[3]，處于外界氣候變化最劇烈的位置，是直接影響居民舒適度和能耗的關(guān)鍵參數(shù)[4]。對(duì)南山村和好魯庫(kù)嘎查，總計(jì)約百余戶進(jìn)行了實(shí)地的調(diào)研考察，主要針對(duì)于建成年限、圍護(hù)結(jié)構(gòu)、采暖用能、屋頂結(jié)構(gòu)和相關(guān)建筑材料等[5]，發(fā)現(xiàn)農(nóng)區(qū)屋面形式多為雙坡水泥瓦面，牧區(qū)屋面形式多為四坡彩鋼瓦面，高度在1.5～2.0m 之間，絕大多數(shù)住宅室內(nèi)用5mmPVC 板吊頂。
赤峰市目前共有嘎查村2059 個(gè)，第七次人口普查農(nóng)村牧區(qū)常住人口189 萬(wàn)余人，清潔取暖的用能方式直接影響著內(nèi)蒙古能源的規(guī)劃戰(zhàn)略。本文在赤峰地區(qū)對(duì)典型的農(nóng)宅做了實(shí)際的測(cè)試，對(duì)農(nóng)宅屋頂?shù)臒峁ば阅苷归_(kāi)研究，旨在能為北方地區(qū)農(nóng)宅的建筑減排、熱舒適性提供一定的參考價(jià)值。
1 農(nóng)宅概況
1 號(hào)農(nóng)宅位置：赤峰市巴林左旗隆昌鎮(zhèn)南山村（北緯43°、東經(jīng)119°、海拔440 米），所在村落屬于農(nóng)區(qū)。2 號(hào)農(nóng)宅位置：克什克騰旗浩來(lái)呼熱蘇木鄉(xiāng)好魯庫(kù)嘎查（北緯42°、東經(jīng)116°、海拔1330 米），屬于牧區(qū)，具體的農(nóng)宅外觀見(jiàn)圖1 所示。兩戶農(nóng)宅均為南北朝向，1 號(hào)農(nóng)宅建于2002 年，是傳統(tǒng)墻體厚370mm 非粘土實(shí)心磚墻，屋頂采用木質(zhì)架空覆蓋泥土加彩色水泥瓦，2 號(hào)農(nóng)宅建于2012 年，是墻體厚240mm 混凝土磚加蓋XPS 保溫板，屋頂采用50mm 厚巖棉瓦楞夾芯板復(fù)合彩鋼瓦。
圖1 典型農(nóng)宅外觀
2 實(shí)際測(cè)量
2.1 測(cè)量原理
對(duì)于屋頂而言，在時(shí)間維度上，以整個(gè)采暖季的變化情況來(lái)看，在設(shè)計(jì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的時(shí)候更關(guān)注一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)[6]，故而，在進(jìn)行熱工計(jì)算的時(shí)候，可以取嚴(yán)寒期內(nèi)相對(duì)穩(wěn)定的溫度平均值進(jìn)行計(jì)算。在空間維度上，整個(gè)屋頂是一個(gè)三維的結(jié)構(gòu)，從太陽(yáng)輻射和空氣對(duì)流換熱到瓦面，瓦面經(jīng)架空悶頂內(nèi)部、PVC 板、室內(nèi)對(duì)流換熱、物體輻射換熱等的復(fù)雜過(guò)程。整個(gè)換熱過(guò)程彼此相互影響，故而，將整個(gè)屋頂視為一個(gè)整體進(jìn)行熱工性能的計(jì)算，這樣在不影響主要反映物理問(wèn)題的前提之下，盡可能的減少數(shù)學(xué)上計(jì)算的復(fù)雜性。
根據(jù)傳熱學(xué)知識(shí)[7]：
式中：q 是傳熱熱流密度，單位W/m2；k 是傳熱系數(shù)，其大小反映的是傳熱過(guò)程的強(qiáng)弱，單位W/（m2·K）；h 是對(duì)流換熱系數(shù)，其大小表示對(duì)流傳熱過(guò)程的強(qiáng)弱，單位W/（m2·K）；Δt 是溫差，單位K 或℃。在知曉了熱流密度和溫差后，就可以進(jìn)行傳熱系數(shù)的計(jì)算，傳熱系數(shù)的大小就能夠衡量屋頂熱工性能的好壞。
2.2 測(cè)量布點(diǎn)
選取室外和室內(nèi)兩處測(cè)量溫度，其中室外將溫度自記儀放在距離農(nóng)宅5 米遠(yuǎn)、空曠、距離地面1.5 米的架空位置。室內(nèi)分別對(duì)東屋（主臥）、客廳和餐廳三處人員活動(dòng)密集的區(qū)域進(jìn)行屋頂溫度和熱流密度的測(cè)試，測(cè)點(diǎn)位置位于該房間幾何中心的屋頂內(nèi)側(cè)，溫度自記儀探頭用保溫棉密封好，防止浸入空氣對(duì)溫度測(cè)試產(chǎn)生影響，熱流自記儀板子用錫紙遮蓋防止燈光輻射產(chǎn)生影響。
2.3 使用儀器
采用北京天建華儀科技發(fā)展有限公司出產(chǎn)的溫度自記儀和熱流自記儀。溫度自記儀的主要參數(shù)：測(cè)量范圍-50～+100℃，測(cè)溫分辨率0.1℃，測(cè)溫精度±0.4℃。熱流自記儀：測(cè)量范圍-2000～+2000W/m2，測(cè)量精度小于等于5%，儀器的數(shù)值讀取時(shí)間間隔為5min。
3 結(jié)果分析
3.1 溫度
1 號(hào)農(nóng)宅：測(cè)試時(shí)間2022 年01 月29 日06：00～01月31 日06：00 的48h 數(shù)據(jù)，其中室內(nèi)屋頂東屋最高18.8℃，最低6.6℃，平均值13.2℃（均指算數(shù)平均值）；客廳最高20.0℃，最低5.2℃，平均值13.1℃；餐廳最高13.4℃，最低3.5℃，平均值9.7℃；整個(gè)屋頂?shù)钠骄?2.0℃；室外最高5.9℃，最低-17.7℃，平均值-8.8℃。
2 號(hào)農(nóng)宅：測(cè)試時(shí)間2022 年01 月20 日16：00～01月21 日16：00 的24h 數(shù)據(jù)，其中室內(nèi)屋頂東屋最高22.7℃，最低10.8℃，平均值16.4℃；客廳最高23.7℃，最低8.8℃，平均值15.1℃；餐廳最高21.7℃，最低7.4℃，平均值12.8℃；整個(gè)屋頂?shù)钠骄?4.8℃；室外最高14.7℃，最低-24.4℃，平均值-15.4℃。瞬時(shí)的變化值和平均值分布見(jiàn)圖2 所示。
圖2 溫度的測(cè)量值
2 號(hào)農(nóng)宅在室外平均溫度比1 號(hào)農(nóng)宅低6.6℃的情況下，整個(gè)屋頂?shù)钠骄鶞囟雀叱?.8℃，溫度差異的主要原因是，2 號(hào)農(nóng)宅的冬季供暖用煤4t+5t 左右牛糞，是1號(hào)農(nóng)宅冬季供暖用煤2.5t+3t 左右薪柴的近兩倍。由1 號(hào)農(nóng)宅的瞬時(shí)溫度值可知，在室外溫度呈現(xiàn)簡(jiǎn)諧波周期性波動(dòng)的時(shí)候，室內(nèi)屋頂也呈現(xiàn)出該趨勢(shì)，在06：00～次日06：00 觀察較為明顯，在18：00～21：00 時(shí)左右，屋頂?shù)臏囟葧?huì)呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，原因是在這個(gè)時(shí)間段進(jìn)行間歇式土暖氣供暖和土炕薪柴加熱，二者疊加導(dǎo)致屋頂溫度有小幅度的提升。
3.2 熱流密度
1 號(hào)農(nóng)宅：室內(nèi)屋頂東屋最高61.4W/m2，最低21.3W/m2，平均值35.2W/m2；客廳最高40.3W/m2，最低8.6W/m2，平均值18.8W/m2；餐廳最高63.5W/m2，最低18.5W/m2，平均值34.6W/m2。三者平均值29.5W/m2。
2 號(hào)農(nóng)宅：室內(nèi)屋頂東屋最高31.3W/m2，最低10.3W/m2，平均值21.7W/m2；客廳最高38.6W/m2，最低9.8W/m2，平均值20.7W/m2；餐廳最高24.4W/m2，最低7.8W/m2，平均值16.8W/m2。三者平均值19.7W/m2。
由測(cè)試結(jié)果可知，2 號(hào)農(nóng)宅室內(nèi)屋頂熱流比1 號(hào)農(nóng)宅低近10W/m2。結(jié)合圖2 和圖3 整體來(lái)看，溫度和熱流的波動(dòng)特性、平均值均呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)性，由1 號(hào)農(nóng)宅的瞬時(shí)熱流值可知，客廳的熱流密度較東屋低了近15W/m2，說(shuō)明客廳的人員活動(dòng)次數(shù)較為頻繁，餐廳和東屋的屋頂溫度相差3.5℃，而熱流密度卻持平，主要原因是采暖的鍋爐煙氣排放管道對(duì)餐廳屋頂?shù)挠绊憣?dǎo)致的。
圖3 熱流的測(cè)量值
3.3 傳熱系數(shù)
將整個(gè)屋頂視為一個(gè)整體后，采用熱電比擬的方法等效為平壁換熱過(guò)程[7]。其中外表面對(duì)流換熱系數(shù)是根據(jù)規(guī)范[6]推薦的悶頂數(shù)值，沒(méi)有采取測(cè)量值得原因是，該值受到外界變化參數(shù)的影響較大[8]，使用現(xiàn)有的儀器較難獲得相對(duì)準(zhǔn)確的數(shù)值。
根據(jù)公式（1）、（2）計(jì)算出傳熱系數(shù)，并與農(nóng)村牧區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[9]的規(guī)范值比較，見(jiàn)表1。1 號(hào)農(nóng)宅的傳熱系數(shù)是規(guī)范值的4.5 倍、是2 號(hào)農(nóng)宅的2.3 倍，2號(hào)農(nóng)宅的傳熱系數(shù)是規(guī)范值的2 倍，兩戶農(nóng)宅的屋頂傳熱系數(shù)都有大幅度降低的空間。
表1 傳熱系數(shù)的計(jì)算
3.4 火積分析
熵產(chǎn)分析的熱力學(xué)優(yōu)化理論并不適用于傳熱過(guò)程性能的優(yōu)化，火積理論可以用于定量描述系統(tǒng)的傳熱能力和不可逆性[10]。對(duì)于單位時(shí)間內(nèi)傳遞熱量為Q 的傳遞過(guò)程，總的火積耗散是Q 和溫差ΔT 的乘積，即
1 號(hào)農(nóng)宅：室內(nèi)屋頂熱流平均值29.5W/m2，屋頂面積106m2，單位時(shí)間內(nèi)Q=3127J。2 號(hào)農(nóng)宅：室內(nèi)屋頂熱流平均值19.7W/m2，屋頂面積68m2，單位時(shí)間內(nèi)Q=1340J。計(jì)算可得，1 號(hào)農(nóng)宅是2 號(hào)農(nóng)宅火積耗散的2.3 倍，與傳熱系數(shù)計(jì)算的結(jié)果相吻合。
4 結(jié)論
測(cè)試時(shí)間段內(nèi)，1 號(hào)農(nóng)宅平均值，室內(nèi)屋頂溫度12.0℃，室外溫度-8.8℃，熱流密度29.5W/m2。2 號(hào)農(nóng)宅平均值，室內(nèi)屋頂溫度14.8℃，室外溫度-15.4℃，熱流密度19.7W/m2。在波動(dòng)特性和平均值上，溫度和熱流均呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)性。1 號(hào)農(nóng)宅的傳熱系數(shù)是規(guī)范值的4.5 倍，2 號(hào)農(nóng)宅的傳熱系數(shù)是規(guī)范值的2 倍，兩戶農(nóng)宅的屋頂傳熱系數(shù)都有大幅度降低的空間?；鸱e耗散1 號(hào)農(nóng)宅是2 號(hào)農(nóng)宅的2.3 倍，與傳熱系數(shù)計(jì)算的結(jié)果相吻合。
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赤峰市目前共有嘎查村2059 個(gè)，第七次人口普查農(nóng)村牧區(qū)常住人口189 萬(wàn)余人，清潔取暖的用能方式直接影響著內(nèi)蒙古能源的規(guī)劃戰(zhàn)略。本文在赤峰地區(qū)對(duì)典型的農(nóng)宅做了實(shí)際的測(cè)試，對(duì)農(nóng)宅屋頂?shù)臒峁ば阅苷归_(kāi)研究，旨在能為北方地區(qū)農(nóng)宅的建筑減排、熱舒適性提供一定的參考價(jià)值。
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圖1 典型農(nóng)宅外觀
2 實(shí)際測(cè)量
2.1 測(cè)量原理
對(duì)于屋頂而言，在時(shí)間維度上，以整個(gè)采暖季的變化情況來(lái)看，在設(shè)計(jì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的時(shí)候更關(guān)注一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)[6]，故而，在進(jìn)行熱工計(jì)算的時(shí)候，可以取嚴(yán)寒期內(nèi)相對(duì)穩(wěn)定的溫度平均值進(jìn)行計(jì)算。在空間維度上，整個(gè)屋頂是一個(gè)三維的結(jié)構(gòu)，從太陽(yáng)輻射和空氣對(duì)流換熱到瓦面，瓦面經(jīng)架空悶頂內(nèi)部、PVC 板、室內(nèi)對(duì)流換熱、物體輻射換熱等的復(fù)雜過(guò)程。整個(gè)換熱過(guò)程彼此相互影響，故而，將整個(gè)屋頂視為一個(gè)整體進(jìn)行熱工性能的計(jì)算，這樣在不影響主要反映物理問(wèn)題的前提之下，盡可能的減少數(shù)學(xué)上計(jì)算的復(fù)雜性。
根據(jù)傳熱學(xué)知識(shí)[7]：
式中：q 是傳熱熱流密度，單位W/m2；k 是傳熱系數(shù)，其大小反映的是傳熱過(guò)程的強(qiáng)弱，單位W/（m2·K）；h 是對(duì)流換熱系數(shù)，其大小表示對(duì)流傳熱過(guò)程的強(qiáng)弱，單位W/（m2·K）；Δt 是溫差，單位K 或℃。在知曉了熱流密度和溫差后，就可以進(jìn)行傳熱系數(shù)的計(jì)算，傳熱系數(shù)的大小就能夠衡量屋頂熱工性能的好壞。
2.2 測(cè)量布點(diǎn)
選取室外和室內(nèi)兩處測(cè)量溫度，其中室外將溫度自記儀放在距離農(nóng)宅5 米遠(yuǎn)、空曠、距離地面1.5 米的架空位置。室內(nèi)分別對(duì)東屋（主臥）、客廳和餐廳三處人員活動(dòng)密集的區(qū)域進(jìn)行屋頂溫度和熱流密度的測(cè)試，測(cè)點(diǎn)位置位于該房間幾何中心的屋頂內(nèi)側(cè)，溫度自記儀探頭用保溫棉密封好，防止浸入空氣對(duì)溫度測(cè)試產(chǎn)生影響，熱流自記儀板子用錫紙遮蓋防止燈光輻射產(chǎn)生影響。
2.3 使用儀器
采用北京天建華儀科技發(fā)展有限公司出產(chǎn)的溫度自記儀和熱流自記儀。溫度自記儀的主要參數(shù)：測(cè)量范圍-50～+100℃，測(cè)溫分辨率0.1℃，測(cè)溫精度±0.4℃。熱流自記儀：測(cè)量范圍-2000～+2000W/m2，測(cè)量精度小于等于5%，儀器的數(shù)值讀取時(shí)間間隔為5min。
3 結(jié)果分析
3.1 溫度
1 號(hào)農(nóng)宅：測(cè)試時(shí)間2022 年01 月29 日06：00～01月31 日06：00 的48h 數(shù)據(jù)，其中室內(nèi)屋頂東屋最高18.8℃，最低6.6℃，平均值13.2℃（均指算數(shù)平均值）；客廳最高20.0℃，最低5.2℃，平均值13.1℃；餐廳最高13.4℃，最低3.5℃，平均值9.7℃；整個(gè)屋頂?shù)钠骄?2.0℃；室外最高5.9℃，最低-17.7℃，平均值-8.8℃。
2 號(hào)農(nóng)宅：測(cè)試時(shí)間2022 年01 月20 日16：00～01月21 日16：00 的24h 數(shù)據(jù)，其中室內(nèi)屋頂東屋最高22.7℃，最低10.8℃，平均值16.4℃；客廳最高23.7℃，最低8.8℃，平均值15.1℃；餐廳最高21.7℃，最低7.4℃，平均值12.8℃；整個(gè)屋頂?shù)钠骄?4.8℃；室外最高14.7℃，最低-24.4℃，平均值-15.4℃。瞬時(shí)的變化值和平均值分布見(jiàn)圖2 所示。
圖2 溫度的測(cè)量值
2 號(hào)農(nóng)宅在室外平均溫度比1 號(hào)農(nóng)宅低6.6℃的情況下，整個(gè)屋頂?shù)钠骄鶞囟雀叱?.8℃，溫度差異的主要原因是，2 號(hào)農(nóng)宅的冬季供暖用煤4t+5t 左右牛糞，是1號(hào)農(nóng)宅冬季供暖用煤2.5t+3t 左右薪柴的近兩倍。由1 號(hào)農(nóng)宅的瞬時(shí)溫度值可知，在室外溫度呈現(xiàn)簡(jiǎn)諧波周期性波動(dòng)的時(shí)候，室內(nèi)屋頂也呈現(xiàn)出該趨勢(shì)，在06：00～次日06：00 觀察較為明顯，在18：00～21：00 時(shí)左右，屋頂?shù)臏囟葧?huì)呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，原因是在這個(gè)時(shí)間段進(jìn)行間歇式土暖氣供暖和土炕薪柴加熱，二者疊加導(dǎo)致屋頂溫度有小幅度的提升。
3.2 熱流密度
1 號(hào)農(nóng)宅：室內(nèi)屋頂東屋最高61.4W/m2，最低21.3W/m2，平均值35.2W/m2；客廳最高40.3W/m2，最低8.6W/m2，平均值18.8W/m2；餐廳最高63.5W/m2，最低18.5W/m2，平均值34.6W/m2。三者平均值29.5W/m2。
2 號(hào)農(nóng)宅：室內(nèi)屋頂東屋最高31.3W/m2，最低10.3W/m2，平均值21.7W/m2；客廳最高38.6W/m2，最低9.8W/m2，平均值20.7W/m2；餐廳最高24.4W/m2，最低7.8W/m2，平均值16.8W/m2。三者平均值19.7W/m2。
由測(cè)試結(jié)果可知，2 號(hào)農(nóng)宅室內(nèi)屋頂熱流比1 號(hào)農(nóng)宅低近10W/m2。結(jié)合圖2 和圖3 整體來(lái)看，溫度和熱流的波動(dòng)特性、平均值均呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)性，由1 號(hào)農(nóng)宅的瞬時(shí)熱流值可知，客廳的熱流密度較東屋低了近15W/m2，說(shuō)明客廳的人員活動(dòng)次數(shù)較為頻繁，餐廳和東屋的屋頂溫度相差3.5℃，而熱流密度卻持平，主要原因是采暖的鍋爐煙氣排放管道對(duì)餐廳屋頂?shù)挠绊憣?dǎo)致的。
圖3 熱流的測(cè)量值
3.3 傳熱系數(shù)
將整個(gè)屋頂視為一個(gè)整體后，采用熱電比擬的方法等效為平壁換熱過(guò)程[7]。其中外表面對(duì)流換熱系數(shù)是根據(jù)規(guī)范[6]推薦的悶頂數(shù)值，沒(méi)有采取測(cè)量值得原因是，該值受到外界變化參數(shù)的影響較大[8]，使用現(xiàn)有的儀器較難獲得相對(duì)準(zhǔn)確的數(shù)值。
根據(jù)公式（1）、（2）計(jì)算出傳熱系數(shù)，并與農(nóng)村牧區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[9]的規(guī)范值比較，見(jiàn)表1。1 號(hào)農(nóng)宅的傳熱系數(shù)是規(guī)范值的4.5 倍、是2 號(hào)農(nóng)宅的2.3 倍，2號(hào)農(nóng)宅的傳熱系數(shù)是規(guī)范值的2 倍，兩戶農(nóng)宅的屋頂傳熱系數(shù)都有大幅度降低的空間。
表1 傳熱系數(shù)的計(jì)算
3.4 火積分析
熵產(chǎn)分析的熱力學(xué)優(yōu)化理論并不適用于傳熱過(guò)程性能的優(yōu)化，火積理論可以用于定量描述系統(tǒng)的傳熱能力和不可逆性[10]。對(duì)于單位時(shí)間內(nèi)傳遞熱量為Q 的傳遞過(guò)程，總的火積耗散是Q 和溫差ΔT 的乘積，即
1 號(hào)農(nóng)宅：室內(nèi)屋頂熱流平均值29.5W/m2，屋頂面積106m2，單位時(shí)間內(nèi)Q=3127J。2 號(hào)農(nóng)宅：室內(nèi)屋頂熱流平均值19.7W/m2，屋頂面積68m2，單位時(shí)間內(nèi)Q=1340J。計(jì)算可得，1 號(hào)農(nóng)宅是2 號(hào)農(nóng)宅火積耗散的2.3 倍，與傳熱系數(shù)計(jì)算的結(jié)果相吻合。
4 結(jié)論
測(cè)試時(shí)間段內(nèi)，1 號(hào)農(nóng)宅平均值，室內(nèi)屋頂溫度12.0℃，室外溫度-8.8℃，熱流密度29.5W/m2。2 號(hào)農(nóng)宅平均值，室內(nèi)屋頂溫度14.8℃，室外溫度-15.4℃，熱流密度19.7W/m2。在波動(dòng)特性和平均值上，溫度和熱流均呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)性。1 號(hào)農(nóng)宅的傳熱系數(shù)是規(guī)范值的4.5 倍，2 號(hào)農(nóng)宅的傳熱系數(shù)是規(guī)范值的2 倍，兩戶農(nóng)宅的屋頂傳熱系數(shù)都有大幅度降低的空間?；鸱e耗散1 號(hào)農(nóng)宅是2 號(hào)農(nóng)宅的2.3 倍，與傳熱系數(shù)計(jì)算的結(jié)果相吻合。
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