夏热冬冷地区农村建筑冬季热环境测试与改善

2018-12-11王金莉邹钺

建筑热能通风空调 2018年10期

王金莉邹钺

东华大学环境科学与工程学院

0 引言

随着农村经济的快速发展和人们生活水平的不断提高，农村居民对居住环境的要求也越来越高。据统计我国民用建筑面积约为400亿m2，其中农村建筑面积约为240亿m2，占总建筑面积的60%[1]。目前我国正在大力开展新农村建设，而新农村建设的重要组成部分中就包含了为改善农民居住环境进行的农村居住建筑建设。所以了解农村现有居住建筑室内热环境状况和人们所处的热舒适性水平以及相应的需求很有必要。

目前不少学者对我国部分地区居住建筑的室内热环境进行了测试分析，对居民的热舒适水平进行了调查研究[2-4]。但对于夏热冬冷地区农村居住建筑冬季室内热环境的研究还比较少。本文主要以浙江省绍兴市为例，对夏热冬冷地区农村居住建筑冬季室内热环境进行了测试和分析，并在此基础上设计出基于当地气候特点的围护结构优化方案，为该地区农村新建居住建筑的节能设计及改善农村居民的居住条件提供参考依据。

1 当地建筑特点及热环境测试现状

浙江属于典型的夏热冬冷地区，夏季炎热高温，冬季潮湿阴冷，四季分明。当地仍有人居住的自建房多数建于20世纪80、90年代，根据走访调查当地的建筑风俗习惯，农村房与城市居住房比较具有以下几个不同的特点：

1）面积大。城市中一般人均居住面积为25～35 m2左右，而农村自建房由于居住人数少，人均居住面积大约在30～60 m2之间。

2）层高高。经调查，浙江城市民用住宅的层高一般为2.8～3 m之间，农村由于风俗习惯，喜欢高堂，也没有复杂的吊顶，一般一楼的层高在3.3～3.5 m之间，楼上作为主要的卧室休息区，层高会稍微低一些，但也在3～3.3 m之间，仍然明显高出城市住宅层高。

3）房子四周通透。由于农村没有形成统一的规划，房子户与户之间一般都会留有小巷子方便人或小车通过，这就形成了房子四周通透的特点。再加上丘陵地区有山谷聚风的影响，导致室外温度较低。

4）房间利用度不高。经统计，非假期农村自建房平常居住的人数并不多，但逢年过节的居住人数便会大大增加。因此平常时间里房间的利用度并不高，但特定的日期又会有较大的需求。

1.1 测试建筑和记录仪器简介

根据以上特点，本文选取了一栋代表性建筑进行室内热环境测试。测试建筑外墙均是240 mm的砖墙，内侧水泥砂浆抹灰，外侧贴有白色瓷砖。测试房间1为一层堂屋，北外墙，东、西内墙均为240 mm的砖墙，楼板是100 mm的混凝土楼板，水泥地面，房间面积约为 23 m2，长、宽、高分别为 6.25 m×3.7 m×3.5 m。测试房间2为二楼东面卧室，墙体均为240 mm砖墙，内侧进行了水泥砂浆抹灰，地面为水泥地板，贴有白色地砖，楼板为100 mm混凝土楼板，石灰粉刷，房间面积约为16.4 m2，尺寸为4.75 m×3.75 m×3.3 m。测试房间3为二楼阳台，与一直二楼楼梯连通，东面和南面均有玻璃窗围护。

建筑平面图如图1所示，测试点选择为一楼堂屋，二楼主卧和阳台，共三个测点。

温度记录仪选用精创公司的RC-4型温湿度记录仪，室外温度探头置于室外不受阳光直射处，室内温度探头高度为离地1.1 m。

图1 建筑平面图

1.2 测试结果及分析

测试期间无辅助内热源采暖，测试时间为2017年1月20日至2017年1月26日。分析这几天的温度变化情况与当地气象局历年统计记录的气温数据对比，选取2017年1月21日作为典型日进行数据分析，温度测试记录结果见图2。

图2 温度测试记录结果

从图2可见，室内温度基本按照室外温度变化规律而变化。由于该地人的生活习惯，早晨6:00～7:00左右起床之后会打开堂屋的大门，因此6:00左右室内温度有个急降的过程。二楼卧室和阳台温度高于一楼堂屋。当天室外平均温度为1.5℃，堂屋平均温度为5.2℃，二楼卧室平均温度为7.4℃，阳台平均温度为6.7℃。堂屋由于当地风俗，通透且采光不足，导致其平均温度明显低于卧室和阳台。

《采暖通风与空气调节设计规范》（GB 50019-2003）中规定，冬季住宅卧室和起居室舒适性空调的室内温度应为18～22℃，经研究[5]，提出由于该地区冬季人体衣服热阻的增加，冬季人体可接受的热环境为室内空气温度偏低，在11.2～16.8℃之间。基于规范及之前学者的研究结果，比较所测得的数据，认为该地农村自建房冬季热舒适性很差，而且受当地生活水平的限制，大多数农村家庭没有空调或是因为空调使用费用过高而选择不开启空调，因此寒冷的冬季通常采用的是电烤火和木炭烤火这样的局部供暖方式，只能满足少数人体的局部热需求，整体室内热环境没有得到明显的改善。因此可以该地说冬季室内热环境相当恶劣，人们感到非常寒冷和不舒适。如果能找到性价比较高的改善方法，将对该地冬季室内热环境舒适度的提升有很好的指导意义。

2 建筑耗热量分析

在当地，冬季人们最常用的房间是堂屋，客厅和卧室，故本文研究对象为三个房间，分别计算分析该三个房间的耗热量。

2.1 围护结构耗热量

建筑围护结构的耗热量包括基本耗热量和附加耗热量两部分组成。

本建筑中玻璃窗层数均为单层，建筑物的高度<4.5m，故选定渗透耗热量占围护结构总耗热量的百分率为25%[6]。

2.3 建筑围护结构总耗热量及分析

根据上述计算方法，选定计算参数为：室外计算温度-2℃，供暖室内计算温度18℃，外墙、内墙、外窗、外门、内门、楼板、地面的传热系数分别为2.08、1.72、6.4、4.65、2.91、0.93、0.47 W/(m2·℃)。

笔者分别计算了三个房间的建筑耗热量，各围护结构的耗热量及各部分耗热量百分比如图3所示：

图3 建筑各围护结构的耗热量及其百分比

由图3容易得出，该建筑各个房间的墙体，外窗及空气渗透所占的耗热量百分比超过了80%，其中墙体耗热量占到40%，空气渗透与外窗结构的气密性有很大关系，因此，该建筑可以主要对墙体、外窗的传热系数进行分析，并对其构造形式进行优化。由于夏热冬冷地区外墙保温性能优化已有研究可以借鉴[7]，本文只讨论外窗的优化。

3 外窗的热工参数分析与优化

由上面计算结果已知，门窗的传热和空气渗透耗热量约占总耗热量的40%，所以外窗的传热系数对建筑热损失及室内温度具有显著影响。若能整体改善一下外窗的传热系数，并做好相应的气密性措施，不仅能提高寒冷冬季的室内温度，也能减小由于冷风渗透引起的室内局部冷风感，人体所感受到的室内环境舒适度便将大大提高。

测试建筑采用的外窗是老式的钢材料—单框单层玻璃窗，没有中空玻璃层，该种玻璃窗的传热系数高达6.4（W/m2K），而且由于老式的施工技术，该建筑窗户与窗框、窗框与墙体之间连接部位已出现腐蚀风化，漏风比较严重。考虑到窗户结构的牢固性，仍然选择钢、铝窗框的玻璃窗，查阅常用外窗的传热系数[9]，综合当地经济条件与材料资源状况，选取传热系数为3.5 W/(m2·K)的双层玻璃窗，进行分析。

经计算，对该建筑进行外窗优化后，各围护结构耗热量与改善前各围护结构耗热量比较如下，见图4。