寒冷區(qū)農(nóng)村住宅建筑節(jié)能研究

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摘要：寒冷地區(qū)農(nóng)村住宅建筑具有體量大、分布散的特點(diǎn)，且節(jié)能處于較低水平。基于建筑能耗分析軟件DeST建立了農(nóng)村住宅建筑模型，從提升圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能和改變其建筑結(jié)構(gòu)方面對(duì)建筑模型進(jìn)行優(yōu)化，將模擬輸出的房間自然室溫和熱負(fù)荷作為節(jié)能指標(biāo)并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，同時(shí)論證了建筑氣密性和可再生能源應(yīng)用對(duì)農(nóng)村住宅建筑節(jié)能優(yōu)化的重要性，并給出了相關(guān)建議。

關(guān)鍵詞：寒冷地區(qū)；農(nóng)村；住宅建筑；節(jié)能分析

引言

據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局2018年數(shù)據(jù)顯示，我國城鎮(zhèn)化率為59.58%，可見，還未得到規(guī)劃的農(nóng)村地區(qū)仍高達(dá)40.42%，而要實(shí)現(xiàn)農(nóng)村地區(qū)節(jié)能改造工作的基本全覆蓋將是一項(xiàng)任重又艱巨的使命。寒冷地區(qū)農(nóng)村住宅建筑具有體量大、分布散等特點(diǎn)，建筑無節(jié)能保溫措施，且用能方式不一等特點(diǎn)，總體處于能耗高且能效低的水平。在圍護(hù)結(jié)構(gòu)方面，農(nóng)村房屋建筑外墻采用普通磚墻的約占85%，其中大部分為黏土磚；屋頂多采用瓦片和木框架組成的坡屋頂或混凝土制平屋頂；門窗多以氣密性較差的木制窗和鋁合金窗為主，而地面常用水泥、磚鋪或者瓷磚等做法簡單處理，無地面保溫防潮措施[1]。在用能形式方面，農(nóng)村居民在供暖、生活、炊事等用能端多以煤炭、柴草木枝及電為主，而華北地區(qū)農(nóng)村居民各用能形式占比約為30%~50%[2]。以上現(xiàn)狀，是導(dǎo)致農(nóng)村住宅建筑能耗高的主要原因，也是文中對(duì)農(nóng)村既有建筑進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化的重點(diǎn)研究內(nèi)容。通過DeST能耗分析軟件，建立了一個(gè)典型農(nóng)村住宅建筑模型，從提升圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能和改變其建筑結(jié)構(gòu)方面對(duì)建筑模型進(jìn)行優(yōu)化，將模擬結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，論證了建筑氣密性和可再生能源應(yīng)用對(duì)農(nóng)村住宅建筑節(jié)能優(yōu)化的重要性，并給出了相關(guān)建議。

1構(gòu)建農(nóng)村住宅建筑模型

以山東濟(jì)南某農(nóng)村住宅為研究對(duì)象，構(gòu)建農(nóng)村典型住宅模型，其建筑房間功能包括臥室、客廳、餐廳、廚房、衛(wèi)生間和儲(chǔ)物室，如圖1所示，其中供暖房間為臥室、客廳和餐廳，供暖面積為65m2，如圖2所示。根據(jù)農(nóng)村住宅傳統(tǒng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工特性現(xiàn)狀和DeST軟件圍護(hù)結(jié)構(gòu)特性數(shù)據(jù)庫，統(tǒng)計(jì)此模型主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)表（見表1）。

2節(jié)能改造分析

2.1優(yōu)化圍護(hù)結(jié)構(gòu)

建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能直接影響了其自身與外界環(huán)境熱量交換的程度，因此，對(duì)農(nóng)村住宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化提升，將有效降低能源的消耗，提升居民的生活質(zhì)量。在提升圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能和改變建筑構(gòu)造形式方面對(duì)農(nóng)村住宅建筑進(jìn)行優(yōu)化，并將房間自然室溫和熱負(fù)荷作為節(jié)能指標(biāo)，進(jìn)行優(yōu)化前后的比對(duì)分析。根據(jù)我國《嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ26—2010）要求規(guī)定，對(duì)農(nóng)村住宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工特性重新設(shè)定，具體數(shù)據(jù)如表2所示。其次，在圍護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的基礎(chǔ)上，在建筑臥室、客廳房間南面加設(shè)一條門廳，模型立體圖如圖3所示。模型構(gòu)建完成且參數(shù)設(shè)定完成后，對(duì)農(nóng)村住宅建筑模型進(jìn)行自然年8760個(gè)小時(shí)的逐時(shí)自然室溫和熱負(fù)荷模擬計(jì)算，得出西臥室、客廳+餐廳和東臥室在同一種室外溫度條件下的每個(gè)房間自然室溫和熱負(fù)荷逐時(shí)動(dòng)態(tài)變化曲線圖，如圖4~圖9所示。由模擬結(jié)果可以得出在同一室外溫度環(huán)境下，每個(gè)房間在設(shè)定的3種不同條件下的自然室溫和熱負(fù)荷的變化值，具體數(shù)據(jù)如表3和表4所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能的提升和增設(shè)門廳的改造，房間冬季自然室溫明顯提高，約為2.5~3℃；與冬季室外最低溫對(duì)比，房間可在自然狀態(tài)下提升10℃溫差。并且，每個(gè)房間的冬季熱負(fù)荷也明顯降低，約為500W。因此，提升圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能并對(duì)房間構(gòu)造加以合理改造將有效降低了居民用戶的能源消耗。

2.2建筑氣密性

彭琛[3]等以哈爾濱、北京、上海等3個(gè)地區(qū)典型城市為研究對(duì)象，分析了建筑氣密性8個(gè)不同等級(jí)對(duì)供暖能耗的影響，分析得出建筑氣密性越高，供暖能耗越低，但是氣密性高于5級(jí)，會(huì)出現(xiàn)換氣次數(shù)不足0.5h-1的現(xiàn)象。豐曉航[4]等將建筑氣密性和采用的通風(fēng)方式相結(jié)合，在考慮人體健康需求和節(jié)能的基礎(chǔ)上，分析了建筑氣密性對(duì)住宅能耗的影響。劉偉[5]等在建筑氣密性、新風(fēng)系統(tǒng)熱回收效率和新風(fēng)系統(tǒng)控制模式綜合影響機(jī)制的基礎(chǔ)上，分析了建筑氣密性對(duì)近零能耗居住建筑新風(fēng)系統(tǒng)能耗的影響。由此可見，為優(yōu)化農(nóng)村住宅建筑的節(jié)能性能，提高建筑氣密性等級(jí)是一項(xiàng)不得不考慮的因素。與農(nóng)村新建的新型社區(qū)和近零耗居住建筑相比，農(nóng)村既有住宅建筑并不具備加設(shè)新風(fēng)系統(tǒng)和熱回收系統(tǒng)的先進(jìn)條件，因此在確定建筑氣密性等級(jí)時(shí)，不宜太高?？紤]到目前農(nóng)村取暖仍靠煤炭、柴火、草木為主，在室內(nèi)會(huì)產(chǎn)生CO等有害氣體，為保證居民安全問題，推薦采用至少保證換氣次數(shù)為0.5h-1且建筑氣密性等級(jí)為5的可開啟外窗，不僅一定程度上達(dá)到節(jié)能目的，而且還保證了室內(nèi)空氣品質(zhì)。其中，建筑氣密性等級(jí)（見表5）[6]。

2.3可再生能源應(yīng)用

目前，我國利用可再生能源進(jìn)行冬季供暖的技術(shù)主要有空氣源熱泵、太陽能集熱、生物質(zhì)燃料系統(tǒng)、生物質(zhì)——空氣源熱泵輔合系統(tǒng)以及太陽能——空氣源熱泵輔合系統(tǒng)等，通過可再生能源的應(yīng)用，大大減少了一次能源的使用，改善了周邊環(huán)境。李愛松[7]等通過對(duì)北京農(nóng)村地區(qū)15個(gè)已使用空氣源熱泵供暖的典型住宅用戶進(jìn)行了監(jiān)測(cè)分析，表明此項(xiàng)技術(shù)的可行性，提出了現(xiàn)有技術(shù)存在的問題并給出解決措施。王德闖[8]等進(jìn)行了太陽能供熱技術(shù)在農(nóng)村的應(yīng)用分析，從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等3方面分析得出此技術(shù)不僅解決農(nóng)村用戶冬季供暖問題，還解決了生活熱水問題。王澤龍[9]等分析了生物質(zhì)戶用供熱技術(shù)在農(nóng)村地區(qū)推廣存在的問題及發(fā)展方向，指出生物質(zhì)供熱技術(shù)的應(yīng)用，將給農(nóng)村地區(qū)帶來良好的環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。由此可見，有效地推廣可再生能源在供熱技術(shù)中的應(yīng)用，將緩解我國一次能源在供熱方面的消耗投入，更符合我國“綠水青山就是金山銀山”的發(fā)展理念。針對(duì)農(nóng)村地區(qū)住宅冬季供暖的用能問題，推薦以下選擇：（1）在具備當(dāng)?shù)卣蟹骞入妰r(jià)支持政策條件下，可選用空氣源熱泵進(jìn)行供暖，并配備蓄熱裝置。（2）在太陽能保證率充足的條件下，優(yōu)先選用太陽能集熱取暖，室內(nèi)末端供暖形式選用低溫地板輻射供暖最佳。在經(jīng)濟(jì)條件允許下，可選用太陽能——空氣源熱泵輔合供熱，以保證在連續(xù)陰雨天氣集熱不足情況。（3）在生物質(zhì)燃料充分條件下，優(yōu)先推薦生物質(zhì)戶式燃爐供暖。一般情況下，農(nóng)村地區(qū)生物質(zhì)能源豐富（包括秸稈、樹枝、草木等），當(dāng)每噸成型燃料控制在900元左右，宜選用生物質(zhì)戶式供暖。對(duì)于供暖面積在50000m2以及上的農(nóng)村新型社區(qū)，宜選用生物質(zhì)-空氣源熱泵輔合集中供暖。

3結(jié)語

農(nóng)村節(jié)能改造是一項(xiàng)任重且艱巨的任務(wù)，這不僅將改變我國能源配比現(xiàn)狀，也將為我國生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生深遠(yuǎn)意義。通過DeST對(duì)農(nóng)村住宅建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化模擬分析得出，隨著圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能的提升，房間冬季自然室溫有所上升，房間熱負(fù)荷明顯減少，一定程度上降低了能源消耗。從論證的角度，說明適當(dāng)提高建筑氣密性和推廣可再生能源的應(yīng)用也是農(nóng)村節(jié)能改造的重要措施。這將為今后農(nóng)村地區(qū)住宅建筑的節(jié)能改造提供一定參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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[7]李愛松，李忠，劉宗江，等.北京農(nóng)村地區(qū)空氣源熱泵供暖系統(tǒng)監(jiān)測(cè)分析[J].建筑節(jié)能，2018，46（10）：29-32.

[8]王德闖，劉學(xué)來，李永安.太陽能系統(tǒng)在農(nóng)村建筑中的應(yīng)用分析[J].低溫建筑技術(shù)，2018，40（9）：126-128，131.

[9]王澤龍，侯書林，趙立欣，等.生物質(zhì)戶用供熱技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及展望[J].可再生能源，2011，29（4）：72-76，83.

作者：王德曄 王世杰 單位：濟(jì)南中建建筑設(shè)計(jì)院有限公司