华北地区典型农宅采暖能耗模拟及节能分析

摘要：对华北地区农村住宅进行实地调查，用DeST-h模拟软件对新、旧两种典型的农村住宅进行了冬季采暖能耗的模拟计算。设计了几种节能改造方案，并对各种方案做了节能敏感性分析，提出适合华北地区使用的外窗类型和选择原则，探讨了各种围护结构的保温性能在降低采暖能耗中的作用大小，并对新、旧住宅的保温性能进行了对比，总结出农村住宅的节能改造意见。

随着中国经济的发展，农民收入水平逐步提高，农村建筑能耗已经成为我国建筑节能不可忽略的问题，特别是农村商品能消耗量呈现快速上升的趋势。2007年我国农村建筑面积为240亿m2，占全国总建筑面积的56%，总耗电量为900亿度/年[1]。1995年我国农村生活用煤为8611万吨标准煤，到2005年，增加到16684万吨标准煤[2]，是1995年的1.94倍，平均年增长率为3.4%。根据《2008年中国统计年鉴》中2001~2008年逐年煤炭平衡表中数据进行分析，农村生活用能消耗的煤炭已经占我国煤炭生产量的10.8%。

减少农村商品能耗，降低农村生活用商品能总量，改善农村住宅环境状况，提高农村能源利用效率，实现农村的可持续发展成为新农村建设的一个重要方面。我国学者对严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷的建筑节能与保温方面进行了研究[3]-[5]，对农村住宅的节能与保温有参考意义。近年来，农村住宅环境状况，已引起人们的重视，太阳能技术与吊炕技术在农村住宅中得到推广应用，并有学者对农宅建筑能耗进行模拟分析，提出改进措施[6][7]。

本文主要通过对华北地区的农宅用能情况进行研究，提出改善华北地区农村住宅的节能措施。

2009年冬季，我们对华北地区15个地方的农村进行用能情况调查，从调研的情况看，华北地区农村住宅主要的特点及主要问题：

（1）外墙传热系数大，热损失严重

目前华北农村新建房屋外围护结构65%采用370mm实心砖，35%采用240mm实心砖，其中95%无任何外保温措施，只有5%的外墙加外保温层。旧住宅中有四分之三的外墙使用240mm实心砖+土坯，纯土坯墙现已少见。屋顶一般为平屋顶和坡屋顶两种，平屋顶占到四分之三。出于美观要求，新建房屋中三分之一有吊顶，材料以石膏板为主。

（2）地面和屋顶无保温措施

农村住宅的地面和屋顶基本未采取保温措施，部分仅考虑到地面防潮的要求。坡屋顶住宅屋顶以砖瓦材料为主，近十年的新建住宅中大部分平屋顶住宅使用水泥预制板或现浇混凝土结构，冬季屋顶有结露现象，影响室内环境。旧住宅和少部分新建平屋顶住宅使用木制结构屋顶，透气性和保温性较好。

（3）外窗传热系数大，密闭性不好，保温效果差

华北地区农村住宅各种外窗构成比例为：单层玻璃46%，双层玻璃37.4%，纸糊2%，半玻璃半纸糊4.6%；木窗占五分之三，其它大多为铝合金窗。木窗基本都由当地木工加工定做，使用一段时间后容易发生形变，造成较大的缝隙，冬季冷风渗透现象严重，其它类型窗户因未采取很好的密封措施，也存在这种现象。

（4）采暖效率低，能耗大，室内温度低

在华北地区冬季，相当多的农户全家集中到一两间卧室中生活以减少采暖用能。目前农村新建住宅，98%采用土暖气采暖，每户商品煤消耗约为13kg/天，2%采用空调器采暖。旧式住宅每户平均有两个蜂窝煤炉取暖，每户商品蜂窝煤消耗约为7kg/天。采暖室内平均温度10℃-12℃左右。耗煤量高达30-40千克标准煤/m2，为城市采暖能耗的1.5～2倍。

（5）室内外环境污染严重

农村新建住宅室内环境比较好。旧式住宅室内环境比较差，一般煤炉采用薄铁皮烟筒向外排烟，室内烟气较重。冬季烹饪有30%农户采用秸秆，60%农户采用煤炉，10%农户采用罐装煤气。由于炉具、灶具设计不合理，燃烧效率低，造成室外空气环境的严重污染。

因此，根据华北地区农村住宅的特点，提高传统采暖方式的采暖效率，降低能耗，同时提高各种可再生资源的使用效率，推广新能源，新技术找到采暖问题的解决方案是当前农村建筑节能的重点。下面对华北农村典型住宅的既有建筑及其几种节能改造方案进行模拟能耗分析，提出农村住宅的节能改造措施。

从华北农村住宅中选取新、旧两栋具有代表性的实际住宅作为基准建筑，在此基础上进行节能改造，对基准建筑和节能改造后的建筑进行能耗分析。

农村住宅有正方与厢房之分，厢房中很少有人员活动，故本文只针对提供居民主要休息活动场所的正房进行能耗模拟和节能改造的研究，对于厢房仅考虑其对正房的遮阳效果，不作为采暖计算对象。

3.1 基准旧住宅及节能改造方案

选取有四间正房和两间厢房的农村住宅为基准旧住宅，屋顶为平屋顶，正房层高3.3米，厢房层高3米，建筑平面图如图1所示，外墙为内外120mm红砖中间夹220mm土坯，内表面抹灰10mm，传热系数为0.769W/(m2•K)，屋顶为木制结构，上铺苇箔、麦秆、粘土、抹灰、水泥砖，传热系数为1.631W/(m2K)，外窗为3mm单层玻璃木窗，传热系数为5.9 W/(m2K)，外窗尺寸见图1，无遮阳措施。

根据旧住宅围护结构的特征，采用的节能改造方案为：（1）更换外窗；（2）屋顶保温；（3）增加吊顶。

    

图1 基准旧住宅建筑平面图                     图2 基准新住宅建筑平面图

3.2 基准新住宅及节能改造方案

基准新住宅的正房与东侧厢房相连，东厢房作为冬季供暖的土暖气放置房间，屋顶为平屋顶，正房层高3.8米，厢房层高3.5米，建筑平面图如图2所示，外墙为内外370mm红砖外墙，内表面抹灰10mm，传热系数为0.969W/(m2K)，屋顶为预制水泥板结构，传热系数为3.0W/(m2K)，外窗为3mm单层玻璃木窗，传热系数为5.9W/(m2K)，外窗尺寸见图2，南侧有1.5m外挑屋檐作为遮阳设施。

新住宅在外观上虽比旧住宅美观很多，但外墙和屋顶传热系数都远高于旧住宅，保温效果反而不如旧住宅，故提出的节能改造方案为：（1）更换外窗；（2）屋顶保温；（3）外墙保温；（4）增加吊顶；（5）南向设附加阳光间；（6）改善门窗的密封性，减小通风量。

采用建筑能耗模拟软件DeST-h模拟以上两种住宅在节能改造前后的冬季采暖能耗，计算中室内人员、灯光、设备、通风量的设定均按农村居民的生活习惯设置。

4.1 基准旧住宅及其节能改造的能耗模拟分析

4.1.1 更换外窗

华北地区属于寒冷地区，夏季炎热湿润、冬季寒冷干燥，日照率大，冬季供暖期（四个月左右）长于夏季供冷期（两个月左右），该地区住宅建筑的冬季供暖能耗远高于夏季供冷能耗，尤其对于农村住宅来说，夏季几乎不用空调，主要以冬季采暖为主，故外窗的选择以高透射率低传热系数玻璃为最好的选择[7]。

本文选择了三种传热系数不同的外窗作为节能改造的备选玻璃窗来进行住宅冬季采暖能耗的模拟，模拟结果如下表1所示。各种不同的玻璃窗构造不仅在传热系数和太阳得热系数上有差异，在密封性能上同样有所不同，通风量的大小就会不一样，这样就会造成冬季的冷风渗透量不同，故本文在计算更换外窗后的采暖能耗时，分考虑外窗的通风性能差别与不考虑通风性能差别两种情况，使用各种外窗时的住宅采暖能耗如图3所示。

从表1和图3中可以看出高透射率低传热系数的玻璃窗的节能效果最好，玻璃窗的密封性能对采暖能耗也有较大的影响，密封性能良好的高透射率低传热系数玻璃窗可使采暖能耗降低17.4%，节能效果非常可观。

表1  基准旧住宅采用不同外窗结构后采暖能耗模拟比较

4.1.2 屋顶保温和增加吊顶

本文中外墙和屋顶保温均采用聚苯板作为保温材料，以便于分析研究住宅的采暖能耗随保温层厚度的变化规律，模拟结果如图4所示，从图中可以看出当保温层厚度比较薄时采暖能耗降低的速率比较迅速，当保温层厚度达到50～60mm时，采暖能耗降低的速率开始变小，此时外墙传热系数为0.48～0.42W/(m2K)，降低速率变化的原因分析为屋顶传热系数的降低随保温层厚度的增加亦变得缓慢，故不可盲目地增加保温层的厚度，应考虑改造成本与运行成本的经济性分析[8]。

   

图3  旧住宅采用各种外窗时的住宅采暖能耗比较     图4  住宅采暖能耗随保温层厚度的变化

建筑节能改造时增加屋顶保温成本较大，且难以施工，故不作为建筑节能改造的推荐方式。本例中增加7mm的石膏板吊顶即可使采暖热负荷指标从31.9 W/m2降到29.75 W/m2，节能率6.7%，相当于在屋顶增加20mm的聚苯板保温，如在吊顶上另作保温措施，可取得很好的保温效果且施工难度低。另外，如将此旧住宅的土坯外墙换为37砖外墙，采暖热负荷指标将达到35.03 W/m2，增加能耗9.8%，可见土坯外墙比37砖外墙具有更好的保温作用，故对旧住宅的外墙可不考虑保温。

4.2 基准新住宅及其节能改造的能耗模拟分析

4.2.1 更换外窗

对于新建住宅本文选择了四种传热系数不同的外窗作为节能改造的备选玻璃窗来进行住宅冬季采暖能耗的模拟，模拟结果如下表2和图5所示，从中同样可以看出各种玻璃窗在华北这种寒冷地区使用时的保温性能差别，依然是高透射率低传热系数的玻璃窗保温性能最好，由于新住宅的南向外窗面积比旧住宅大，故更换外窗的节能效果更加明显，节能率最大达27.2%，农村住宅选用双层中空高投射Low-e玻璃窗是最好选择，如受经济条件限制可选用双层中空普通玻璃窗[9]。

表2  基准新住宅采用不同外窗结构后采暖能耗模拟比较

 

图5  新住宅使用各种外窗时的住宅采暖能耗比较

4.2.2 屋顶和外墙保温

由于新住宅的屋顶和外墙传热系数均较大，故需在屋顶和外墙均设保温，在以下模拟计算时新住宅外窗改选用双层中空普通玻璃，以避免外窗热损失过大对分析结果的影响，其它设置依照基准新住宅的参数，新住宅采暖能耗随保温层厚度的变化如图6所示。

   

图6  住宅采暖能耗随保温层厚度的变化             图7  住宅节能改造的采暖能耗比较

从图6中可以看出对屋顶作保温的节能敏感性最大，其次是北墙，原因是屋顶的传热系数最大，作保温后传热系数的变化也最大，另外屋顶和北墙的面积较大，做相同厚度的保温减少的热损失较大。东墙、西墙及南墙的面积较小，作保温后对整个建筑的采暖能耗影响较小，但东墙和西墙分别对东卧室和西卧室的采暖能耗有明显的影响。

屋顶的保温层厚度同样是达到50～60mm时，采暖能耗降低的速率开始明显变小，此时的屋顶传热系数是0.55～0.48W/m2，可见50～60mm保温层厚度，传热系数0.48W/m2左右，是随屋顶保温层的增加采暖能耗降低的一个变缓区域。

北墙的保温层厚度达到40～50mm，传热系数为0.45～0.40W/m2时，采暖能耗降低的速率开始明显变小，而另外三面墙的拐点则是在10mm左右，且这三面墙的变化曲线基本重合。

新住宅在不作保温时的冬季采暖热负荷指标远高于旧住宅，人们在提高住宅的美观同时却忽略了住宅的能耗，室内居住热环境得不到提高，如新住宅中使用双层窗并在外墙尤其是屋顶上作些保温可以显著提高其保温效果，减少采暖能耗，减少住宅的使用成本。

4.2.3 其它节能改造方案

新住宅增加吊顶、设附加阳光间、减小通风量三种节能改造方案的采暖能耗如图7所示。

农户出于美观要求一般在新建住宅中均采用了吊顶，使用密闭性好传热系数低的吊顶材料也可取得非常好的节能效果，本例中使用7mm的石膏板做吊顶即可达到15.8%的采暖节能率。

针对大多数新建住宅均有南向1.5m左右的外挑屋檐，可沿屋檐的外缘在南向增设附加阳光间，可以收到冬季保暖夏季遮阳的效果，还可阻挡外界灰尘，在笔者的实际调查中，有附加阳光间的居民对此都有非常满意的评价。本例中增设附加阳光间可以达到15.4%的采暖节能率，节能效果明显。在夏季应注意开启附加阳光间的外窗，增加里面的通风换气次数，否则会有小型温室的作用，使室内温度偏高。

对于密封性不好的外窗，使用密封胶封闭门窗缝隙，减小冬季冷风渗透，以非常低的成本即可取得比较可观的节能效果，本例中将室内最大通风量从5次/h降低到2次/h，即可达到8.7%的采暖节能率。

本文模拟计算结果与实际调查结果基本一致，部分节能改造方案已在新建住宅中使用。

1．北方地区农村住宅选用外窗时以高透射率低传热系数的外窗为最佳，具体来说双层中空高投射Low-e玻璃窗是最好选择，如受经济条件限制可选用双层中空或三层中空普通玻璃窗来代替，外窗的密封性能也对采暖能耗有重要影响。

2．旧住宅的外墙保温性较好，对其进行节能改造时重点是改善其外窗的隔热性能和密封性，其次可在屋顶进行保温或增设吊顶，均可收到明显的节能效果。

3．相对于旧住宅，新住宅的外墙和屋顶传热系数均较大，进行节能改造时首选增设吊顶并在屋顶作保温，其次是在北墙作保温，如果新住宅的外窗是单层窗，也宜改为双层窗。

4．借鉴旧住宅外墙保温性较好的优点，充分利用农村当地的农业资源，在将建的农村住宅中可考虑使用由两层砖墙中间加土坯或碎石块以及利用麦秆、稻草加工成的轻质墙板等材料组成的复合墙体，在屋顶的水泥或混凝土楼板上增设由麦秆、稻草组成的保温层。

5．新住宅可充分利用外挑屋檐，增设南向附加阳光间，可收到冬季保暖夏季遮阳的效果，节能率可达15.4%。

6．随着保温层厚度的增加采暖能耗降低的速率逐渐变小，使用聚苯板保温，屋顶保温层厚度达到50～60mm，传热系数在0.48 W/m2左右时，采暖能耗降低的速率开始明显变小，当使用其它保温材料时同样会在传热系数达到0.48W/ m2时，出现采暖能耗降低速率的变缓现象；对于北墙变缓区域则为50～60mm，传热系数为0.45～0.40W/m2；东、南、西三面外墙采暖能耗速率曲线的拐点在10mm附近，可见只需稍作保温即可。

7．本文仅从采暖能耗上对以上各节能改造方案进行了节能敏感性分析，提出了改造意见和外窗的选择原则，有待进一步深入进行改造费用与运行费用的经济性分析。

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