新疆地区既有农宅被动式改造与供暖初期运行效果分析

李 洁，徐 鑫，姚新强，赵家伟

(石河子大学水利建筑工程学院，石河子 832003)

截至2017年，新疆地区主要能源消费仍以煤炭消费为主，煤炭消费占能源消费总量的66.5%，其中用于供热的煤炭消费折合标准煤可达2 745×104t[1]。冬季采暖期间大量化石燃料的消耗，不仅是大量一次能源的浪费，还对环境造成了极大的破坏。随着城镇化建设的加速，众多学者关注到分散式燃煤供暖的农村地区[2]，建筑节能设计尤其是被动式设计技术对于改善农村地区建筑采暖能耗现状是不可忽视的[3-6]。针对新疆地理环境的附加阳光间[7]、被覆结构蓄热[8]、集热墙耦合地下室系统[9]等被动式设计方案被相继提出并发展。但目前新疆农村既有住宅围护结构缺乏有效的保温措施，在被动式改造之前也亟待开展外围护结构节能改造。因此，在落实目前被动式技术过程中，如何将外围护改造与被动式改造相结合，提升农宅太阳能的利用效率是一个值得研究的问题。

以石河子地区的既有农宅为研究对象，根据石河子地区气候条件，从外围护结构保温和南墙被动式改造两方面对其进行被动式节能改造设计；在改造前后的冬季供暖初期，对其进行室内热环境测试，并针对改造后农宅测试其围护结构耗热量变化，检验供暖初期被动式供暖运行节能效果。以期通过本试验既有农宅被动式改造的经验，为新疆地区既有农宅的改造工作提供实践参考依据。

1 既有农宅概况

设计改造的对象为新疆石河子市郊区某既有农宅。该农宅坐北朝南，层高为3.0 m，建筑面积为93.34 m2，窗墙面积比为：南向0.25，北向0.13，东向0.10，建筑体型系数为0.742。由于建成时间较长，其围护结构相对老旧且基本没有保温措施，如屋面的防水层、窗户玻璃及外墙勒脚等个别部位已经破损严重。其围护结构经过实地调查如表1所示，根据《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》(JGJ 26—2010)的要求[10]，低于三层的居住建筑其屋面、外墙、周边地面和外窗的传热系数的限值分别为0.30、0.35、0.20、1.8 W·m-2·K-1，该建筑各围护结构性能均不能满足节能设计标准的要求。

表1 改造前农宅围护结构情况

2 农宅改造方案

2.1 外围护结构改造方案

对于严寒地区，夏季制冷需求相比冬季采暖需求要小很多，节能改造措施应主要考虑冬季保温问题[11]。农宅外墙总面积127.47 m2，采用粘贴 80 mm 厚聚苯乙烯(EPS)板薄抹灰涂料饰面的做法，传热系数为0.28 W·m-2·K-1；屋面总面积87.93 m2，在原保温构造的基础上，铺设100 mm厚的挤塑聚苯乙烯(XPS)板和 80 mm 厚的细石混凝土，传热系数为0.34 W·m-2·K-1；同时，地面铺设40 mm厚的XPS板并做50 mm厚的细石混凝土找平，传热系数为0.17 W·m-2·K-1；相比于外墙与屋面，外窗面积为17.01 m2，选用75系列钢铝塑复合框的低辐射玻璃窗。传热系数为1.63 W·m-2·K-1。改造后的农宅南立面如图1所示。

图1 农宅南立面

2.2 南墙被动式改造方案

由于新疆风沙较大，被动式改造时不宜采用改造附加阳光间，而选用集热墙式改造较为实用[12]。改造方案如图2所示，实体墙式集热墙通常是利用建筑南立面的外墙，在其表面涂以高吸收系数的无光深色涂料，并以密封的玻璃盖板覆盖而成。为了高效利用太阳能，合理的空气间层和通风口设计是增强集热能力的关键[13]。

图2 农宅被动式改造方案

冬季，被集热墙吸收的太阳辐射热会通过两种途径传入室内：其一是通过墙体热传导和墙体内表面通过对流及辐射将热量传入室内；其二主要由玻璃内表面和集热墙外表面通过对流方式将热量传给夹层空气，再由被加热后的夹层空气传入将热量室内，达到升温的目的。因此，集热墙供给室内的瞬时供热量可表示为[14]

qcg=qcod+qcov

(1)

式(1)中：qcg为集热墙供给室内的瞬时供热量，W；qcod为经集热墙传导进入室内的热量，W；qcov为经上下通风口自然对流进入室内的热量，W。qcod和qcov可分别按式(2)及式(3)进行计算：

qcod=λ(Tm-Tr)

(2)

(3)

(4)

式(4)中：Ag、Av分别为空气间层横断面积和集热墙上、下风口面积，m2；h为上下通风口中心之间的垂高，m；g为重力加速度，m·s-1。

根据上述公式，可得出集热墙供给室内的瞬时供热量与三个因素有关，即因素A(集热墙上、下通风口直径)、因素B(空气间层厚度)、因素C(上、下通风口距离)。因此，以瞬时太阳辐射量在500 W·m-2，室内温度在14 ℃为前提条件，引入正交模拟计算的方法[16]，每个因素取三个水平。正交模拟计算结果如表2所示。

表2 正交模拟计算结果

采用瞬时供热量的平均值大小来反映同一个因素的各个不同水平对瞬时供热量影响的大小，同时用同一因素各水平下平均瞬时供热量的极差R来反映各因素的水平变动对瞬时供热量影响的大小。由表2得到因素的主次顺序依次为通风口直径(因素A)、上下通风口距离(因素C)、空气间层间距(因素B)。并得出最优的改造方案为A3B2C3，即在通风口直径选取150 mm，空气间层间距选取100 mm，上下通风口距离选取 2.5 m 时，集热墙可获得最佳的瞬时供热量。

3 试验方法

根据外围护结构改造方案和南墙被动式改造方案，试验农宅在2018年9月完成了改造工作，改造后的农宅外景图如图3所示。为测试改造后运行效果，采用短期详细测试的方法，测试时间为2017年11月和2018年11月，分别测试试验农宅改造前后供暖初期的热工性能，试验建筑的测点布置见图4。改造前后室内壁面温度的测点和热流测点由JTSOFT-DL温度与热量动态数据采集系统监测；室内温湿度由记录；通风口风速采用JTR07B多通道微风测试仪记录；JTR08多通道温湿度测试仪每隔30 min记录室内房间温湿度数据；室外环境数据由Vantage Pro2型自动气象站自动采集。测试仪器及参数精度如表3所示。

图3 改造后的农宅外景图

图4 农宅平面测点布置

表3 测试仪器及参数精度

4 试验结果与分析

4.1 农宅室内热环境测试结果

如图5所示，根据仪器测得的气象资料，分别选取2017年11月22—24日和2018年11月14—16日两组试验数据进行分析，测试期间均为晴天，室外气象条件平均气温为-14 ℃，低于本地区历年同时期的平均温度-11.1 ℃[17]。因此，本试验条件相较本地区的典型气候仍有一定的余量，能更好反映集热墙在低温环境下的运行效果[18]。

图5 测试期间室外温湿度变化

根据图6所示，改造前和改造后农宅平均温度分别为-0.7、10.2 ℃，改造后室内空气温度升温明显，且日间集热墙集热升温效果明显。由于室外气温远低于室内气温，农宅南向卧室在没有太阳辐射的情况下降温很快，日夜温度波动在可达6 ℃。

分析改造后农宅日间通风口分别为开启和关闭状态的太阳间和对比间可以发现，开启通风口的太阳间升温效果要好于对比间。当通风口白天开启时，气流将集热墙空气间层的热量通过对流方式传入室内，室内平均温度较通风口关闭时高1 ℃左右；而通风口关闭时，白天集热墙接收到的热量只能通过墙体传热进入室内，因此，通风口关闭时夜间室温波动较开启时小。

图6 测试期间室内空气温度变化

4.2 农宅集热墙被动式采暖测试结果

为评估改造后农宅的被动式采暖效果，选取2018年11月14日作为典型运行工况进行分析。其集热墙集热效果随时间的变化如表4所示。

由表4可知，集热墙集热效果随太阳辐射强度增强而增强，空气间层的温度和上通风口气流的平均风速均在太阳辐射最强时达到最高，此时集热墙的集热效率是最高的。同时，当太阳辐射极低时，空气间层温度会迅速下降，此时应将通风口关闭，防止室内热量向外流失[19]。

试验时间段内农宅围护结构热流变化如图7所示，农宅围护结构热流在夜间波动不大，但白天受到太阳辐射的影响，北墙和窗户部位热流随太阳辐射强度的增加而减小。在改造后，外窗仍是建筑保温的薄弱处，平均热流密度为31.65 W·m-2。通过实测热流计算围护结构耗热量以及冷风渗透损失，可知典型日的建筑耗热量为256.82 MJ·d-1。

如图8所示，由于外墙外表面增设隔热性能较好的EPS板，墙体传热量较小，集热墙导入室内的热量较少，墙体平均热流密度在3.1 W·m-2。而通风口对流得热的瞬时得热量最高可接近70 W·m-2，是农宅被动式采暖的热量主要来源。在天气晴好的情况下，综合计算墙体传热量和通风口自然对流得热量，集热墙向室内的供热量可达 42.6 MJ·d-1。

图7 不同时刻围护结构热流密度变化

图8 集热墙向室内的瞬时供热量变化

4.3 农宅被动式改造后节能分析

研究发现新疆地区供暖初期太阳辐射较充足，农宅改造前后的两个试验月太阳辐射量大于 4 MJ·d-1·m-2的晴天数分别可达到26、24 d。不同于大雪频繁的供暖中期，长期的晴天非常有利于被动式集热墙的集热。表5为试验农宅在两个试验月的供暖运行效果。

表5 供暖初期农宅供暖运行效果

注：燃煤供暖热效率为50%[20]，耗煤量折算标准煤系数为 0.714 3 kgce·kg-1；CO2排放量为2.71 g·kgce-1。

从表5可以看出，在相近的测试环境下，改造前非节能农宅的日均围护结构耗热量高达577.65 MJ·d-1；而在改造后，日均围护结构耗热量降低至228.46 MJ·d-1，仅为改造前的39.55%。测试期间，改造后耗煤量折合成标煤相比改造前降低了 29.73 kgce·d-1，仅为改造前的34.86%。被动式供热为 27.07 MJ·d-1，降低了11.85%的供暖能耗。以上数据可以表明，既有农宅外围护改造是建筑节能的基础，仅有被动式改造远远不能满足节能农宅的耗热量要求，被动式改造在农宅围护结构满足节能要求的基础上可以取得良好的节能效果。

5 结论

针对新疆地区既有农宅外围护结构保温改造和被动式改造相结合的设计方案，通过对改造前后农宅室内热环境和被动式改造后采暖效果的测试，得出以下结论。

(1)通过对新疆地区既有农宅的被动式改造分析可知，在进行农宅南墙被动式设计时，在通风口直径选取150 mm，空气间层间距选取100 mm，上下通风口距离选取2.5 m时，集热墙可获得最佳的瞬时供热量。

(2)完成外保温改造的被动式集热墙，墙体传热量较小，墙体平均热流在3.1 W·m-2。在而通风口对流得热的瞬时得热量最高时可接近70 W·m-2，能有效提升农宅日间平均气温，是农宅被动式采暖的热量主要来源。

(3)对于目前新疆地区农村住宅存在的一系列问题，有针对性地从外围护结构改造和南墙被动式改造两方面入手。在相同的环境温度下，改造后的室内温度相比改造前，提升温度可达10.9 ℃。供暖初期，农宅改造后的耗煤量降低至改造前的34.86%，被动式供热降低了11.85%的供暖能耗。在供暖初期，被动式改造后的农宅具有明显的节能效果，所需维持室内温度的辅助热量大幅降低，为本地区其他农村住宅被动式改造提供了改造方案和运行经验。