农村住宅建筑热负荷影响因素分析

2019-10-18毕海静

资源节约与环保 2019年9期

毕海静

（张家口飞扬新能源科技有限公司河北张家口 075000）

引言

农村居民住宅面积随着新农村建设的不断发展和人民生活水平的提高而迅速增加。农村供热需求不断增加。56%以上的农村能源消耗来自于北方，这其中有80%消耗在了供暖上。大多数农村建筑没有隔热，且一般采用分布式供暖，供暖设施相对落后，地区供热能耗高，污染严重[1]。以北京典型农村建筑为例，通过计算不同室内设计温度和不同围护结构下建筑物的热负荷，研究影响建筑热负荷的主要因素[2]。

1 农村供暖的现状

1.1 供暖能耗

在农村居民的日常生活中，供热能耗占比最大，占国内能源消费的59%。北京农村住宅单位面积热能消耗为28.3km/m2。但在室内温度方面，农村住房远远低于城市建筑的供暖能耗14.6kg/m2。主要原因是，在北京80%以上的农村住宅是体形因子为0.8 以上，超过城镇住宅的2 倍以上。实心粘土砖是墙体材料的主流选择，其隔热和气密性能极差，因此是减少农村供暖能耗和改善农村居住舒适度可以从隔热性着手。在供暖所使用的能源种类方面，90%以上的农村住户选择煤，剩余的10%则包含了木柴、天然气和沼气等。这种不合理能耗结构，与国家节能减排的战略方针相悖[3]。

1.2 设备使用情况

表1 显示了2015 年至2018 年北京农村居民使用的各种供暖设备的比例，其中的“其他供暖设备”主要包含加热装置包括电加热器、燃气壁炉等。根据表1 中的数据，土暖气是在当下农村住户使用最广泛的加热设备；其次是火炕，由于历史遗留的原因，使用量仍然较高，但在国家的倡导下土暖气与火炕的使用比例总体呈逐年下降趋势。热泵空调等供暖设备比例的不断提高，随着当地人民的生活水平逐步提高，人们对供暖质量的要求越来越高，新供暖设备的使用也逐年增加。

表1 2015-2018 年北京农村居民各种类型供暖设备的使用比例（百分比）

2 寒冷地区农村主要的供暖方式

在寒冷地区，冬天室外温度极低，且由于房屋建筑材料的隔热性能差，房间内的热量损失过大，因此房间需要持续加热，以满足人体的热舒适性需求。室内加热系统通过热辐射提供较高的温面，保持较高的平均室温。在农村地区住宅密度低，单户和单院住宅是主流模式，如果采用集中供暖，在传输过程中的热量损失显著，因此并不适合城市地区的集中供热，分布式的自供暖方式成为了必由之路。农村住户的分布式自供暖方式主要分为火炕、土暖气和火炉三种形式[4]。

2.1 火炕采暖

在我国寒冷地区，火炕是最常见的农村供暖方式。传统的火炕主要是由砖形成，并且内置炕洞、炉灶和烟道。通过燃烧秸秆等常见可燃物使得热量沿着烟道实现对于炕板的加热[5]。由于烟囱效应，厨房空气通过热压的作用进入炉子，热烟和空气流通过烟道加热炕板，充分利用了烟气的余热后向外排出。随着农村建筑居住面积增加，对室内的洁净度也有了一定的需求，更倾向于将炉子与火炕分离，通过烟道来传递烟气进行加热，同时可更好的利用炊事活动中所产生的热能，提高能源的利用效率。近年来，农村居民对于热舒适度有了进一步的要求，只有7%的家庭在冬季采用单一供暖方式。在传统火炕中，主要是通过对于可燃物的直接燃烧来产生热能，通气量小、燃烧不充分且热效率低。燃烧产生的烟气、CO 和PM2.5 等有害物质不可避免的会有部分进入室内，在冬季通风不好的额条件下，严重威胁住户的健康。

2.2 土暖气—散热器采暖

土暖气是一种老式加热系统，它依赖于由于温度差异而导致的供水和回水之间的密度差异，而无需电气设备。在寒冷地区，通过居民的烹饪余热，对炉内盘管中的水进行加热，通过热水流经每个房间的散热器将热量交换到室内，与城镇居民所使用的暖气原理相类似。热量以热对流和热辐射的形式传递到室内，以提高室内的环境温度，从而加热房间。与其他农村供暖方式相比，土暖气不仅可以显著改善室内洁净度，还避免了有害气体和颗粒物对住户的健康威胁。

2.3 火炉采暖

炉子用木柴或燃煤来实现室内供暖，热量主要来自三部分：第一部分是炉内高温，通过热辐射和热对流进行热交换；第二部分是燃料通过燃烧产生的高温烟气流经烟道，其中有部分热量被释放到房间内；最后一部分来自火炉烧水，水沸腾产生的蒸汽对室内的加热。

与土暖气相比，将煤炉放置在室内，减少过程中的散热，具有更高的热效率。然而，煤炉中的煤很难充分燃烧，一氧化碳气体被释放到室内，有爆炸的隐患并且当一氧化碳浓度达到一定水平后人体已因缺氧死亡，难以自救。因此在北方农村火炉采暖使用较少。

3 热负荷计算

考虑到北方建筑的结构特点，根据实际情况，在北京的典型农村建筑中选取建筑面积为70 平方米的农村住宅。农村房屋多为独门独户，建筑物大多为1-2 层，因此其形状因子通常为0.58至0.88。选取的典型农村住宅的形状因子为0.83。

3.1 室内热负荷

3.1.1 通过围护结构耗热

室内热负荷计算中包括的参数是冬季室内外温度、基本热损失、围护结构传热系数和传热面积。围护结构耗热可用如下公式表示：

3.1.2 围护结构附加耗热

围护结构的附加耗热是通过特定的环境参数修正所计算的耗热量，可用如下公式表示：

相关参数为：方向校正，风校正系数，双面外墙校正，高度加成因子和间歇加成因子。

3.1.3 冷风渗透耗热

通过门和窗户之间的间隙穿过房间的空气总量以及空气密度，计算冷风渗透所造成的热消耗：

3.1.4 冷风侵入耗热

冷风侵入造成的热消耗主要与冷空气的涌入有关：

3.2 热负荷影响因素

3.2.1 围护结构影响

根据以上计算结果，可以确定每种围护结构在16℃的条件下的热负荷，并且负载与每个保持结构的总热负荷的比率如图1所示。

图1 各围护结构占总热负荷的比例

从图中可以看出，外墙在总热负荷的比例最高为55%，排在第二位的是屋面为18%，随后是外窗为14%，地面为11%，占比最少的外门仅为2%。根据农村家庭的习惯，经常出入各房间，玄关的门不在考虑范围内。

3.2.2 外墙结构对建筑热负荷的影响

在寒冷的农村地区，外墙通常没有隔热层，即便是在新建住宅。一方面，由于在设计和施工阶段缺少专业人员的技术指导；另一方面则是，农村居民有着相当强的从众心态，对节能的意识较为淡薄。根据计算，其他支撑结构参数不变，对外墙采取保温措施，建成住宅的热负荷后建筑物的热负荷显著降低，若采用实心砖墙，热负荷降幅可达37.8%，主要是由于建筑物的墙壁面积较大。因此，在寒冷地区，有必要对农村地区的外墙采取隔热措施。

3.2.3 外窗对建筑热负荷的影响

北京农村住宅的外窗框材料主要有木窗、铝合金窗以及塑钢窗；外窗玻璃主要为单层玻璃和双层玻璃。总体上，双层窗的隔热性能要优于单层窗，从经济性以及保温性能两个方面来考虑，建议冬季使用双层玻璃的木窗。在北京农村新建住宅和翻修住宅中铝合金窗和塑钢窗逐年增多。在这两种外窗中，中空玻璃的绝佳隔热性能可利于减少热量散失，以达到节能减排的目标，居民可按经济能力进行选择。

3.2.4 屋面对建筑热负荷的影响

北京地区农村住宅的屋顶按照主要分为平坦和斜坡两种形式，同时按照材质又可分为混凝土和木质两种。其中，新住宅中混凝土屋顶居多，木质屋顶则主要是老旧房屋。按照农村居民的生活习惯，混凝土材质的屋顶砌成平屋顶形式，有利于晾晒谷物，但造价更高；另一方面，木质材料主要用于倾斜屋顶，木屋顶相对便宜。屋顶隔热层的性能与建筑的热负荷负相关，使用聚苯乙烯板增加屋顶隔热可以将建筑物的热负荷降低近7%。屋顶面积远小于外墙面积，隔热的影响相较外墙更低。

3.2.5 地面对建筑热负荷的影响

北方农村住宅地面多采用水泥地面和砖铺地面，基本没有隔热性可言。随着农村住户对于热舒适度的需求逐渐增长，逐渐意识到风湿病和关节炎等疾病与室内地面温度的关联性，增强室内地面的保温性能是必要的。