北方农村住宅供热能耗实测与分析

于克成， 谭羽非， 李佳楠

(1.哈尔滨工业大学 建筑学院, 黑龙江 哈尔滨 150006； 2.寒地城乡人居环境科学与技术工业和信息化部重点实验室， 黑龙江 哈尔滨 150090)

1 概述

我国农村地区人口众多，建筑面积庞大，农村建筑基本是自建[1]。农村用能主要以村镇建筑炊事、供暖、热水、照明和家电等生活用能为主[2]。根据《中国能源统计年鉴2017》，目前农村地区生活消费用能已占全国商品能源消费总量的15.6%[3]。地处严寒地区的北方各省，冬季供暖耗能更占到农村地区生活消费用能的80%以上[4]。

近年来很多学者对既有建筑的能耗测量进行了研究。邓琴琴等人[5]对4种不同的围护结构建筑进行了能耗测试，测试结果表明外保温结构能有效削弱建筑的热桥效应，减少热量流失。秦力等人[6]对学生公寓的建筑能耗进行了测试，发现围护结构传热系数超标同时室内温度过热，存在着设计不合理等问题。马鹏飞等人[7]对既有建筑的能耗进行了测试分析，并分析了建筑朝向及位置对建筑能耗的影响。根据检索的资料可知，目前对东北不同类型农宅的供热能耗，还没有系统全面的比较测试。

本文选取了吉林省榆树县于家镇五家村3栋农宅作为测试对象，连续测试了冬季室内外温度变化以及维持室内温度的耗电量，计算分析能耗状况，为北方农宅的建筑节能提供理论依据。

2 被测农宅建筑概况

1号农宅为新型节能型住宅，农宅的东西向尺寸为12 m，南北向尺寸为8 m，高4 m。外墙厚度为500 mm，外墙为240 mm厚非粘土实心砖墙+100 mm厚EPS苯板与120 mm厚非粘土实心砖墙+内、外抹灰。外窗为双层玻璃窗，长2.7 m，高1.8 m，南北各3个，尺寸相同。外门1个，宽0.9 m，高2.4 m。地面采取了相关的保温措施(50 mm厚的EPS苯板+50 mm厚混凝土+面层等，共厚110 mm)，第一地带面积80 m2，第二地带面积32 m2。屋面也采取了保温措施(100 mm厚的EPS苯板+石膏板+水泥砂浆+油毛毡)。

2号农宅的东西向尺寸为14 m，南北向尺寸为8.5 m，高3 m。外墙结构与1号农宅相同，外窗和外门类型、尺寸、数量也均与1号农宅相同。屋面、地面未采取保温措施，地面第一地带面积90 m2，第二地带面积42 m2，第三地带面积3 m2。

3号农宅的东西向尺寸为11.5 m，南北向尺寸为8 m，高2.8 m。外墙为370 mm普通砖墙。玻璃窗为单层塑钢窗，南北各2个，尺寸相同，长1.5 m，高1.5 m。外门1个，宽0.9 m，高2.2 m，外门两侧的小窗已被封死。屋面、地面均未采取保温措施，地面第一地带面积78 m2，第二地带面积30 m2。3栋被测农宅建筑的外观分别见图1～3。

图1 1号农宅外观

图2 2号农宅外观

图3 3号农宅外观

3 测试原理与方案

3.1 建筑物室内、外温度测点布置及数据处理

建筑物内每个卧室和客厅各布置一个室温测点(共布置了3个室温测点)，建筑室外布置一个温度测点。采用温度采集记录器(见图4)对室内、外温度同步测量，记录时间间隔为5 min。后续进行建筑耗热量计算时的室内外温度取测试得到的室内外平均温度。

图4 温度采集记录器

3.2 墙体传热系数测试

对农宅外墙进行了传热系数测量。在现场采用热阻式热流计(包含热流传感器、温度传感器)进行测量。热流传感器采用粘贴式安装，安装在墙体的内表面上，为避免形成空气热阻，采用凡士林粘贴。温度传感器安装在被测墙体两侧表面，热电偶与被测表面的接触形式采用等温线接触。

墙体热流密度及其内、外表面温度测量数据采用BES-G智能多路温度、热流检测仪(见图5)自动储存，记录时间间隔为15 min。利用测量获得的墙体内外表面温度差以及墙体热流密度，即可求得墙体的热阻，进一步得到墙体的热导率，然后结合对流传热系数得到总的传热系数。

图5 BES-G智能多路温度、热流检测仪

3.3 建筑物累计耗能量测试

被测农宅采用电散热器分时段间歇供暖(每天22：00至次日5：00 运行)，采用三相电能表集中计量检测持续时间内电散热器的累计耗电量。

3.4 测试方案及仪器

本次农宅能耗测试的时间段为：2017年11月20日至2017年12月2日。测试期间通过在室内布置电散热器供暖以维持室内温度，采用电散热器的总耗电量作为农宅总能耗。总耗电量测量结束后，通过下式计算建筑物单位面积能耗：

(1)

式中Φ——建筑物单位面积能耗，W/m2

Q——检测持续时间内建筑物的累计耗电量，MJ

A——建筑物总建筑面积，m2

t——检测持续时间，h

在测试过程中，由于室内温度存在波动，不能保证不同农宅的室内外温差相同，因此将能耗计算结果折算到标准气象条件下，以进行不同农宅的能耗对比。计算方法如下：

(2)

式中Φb——折算到标准气象条件下建筑物的单位面积供暖能耗,简称折算单位面积供暖能耗,W/m2

θi——室内计算温度，℃，取18 ℃

θeh——供暖室外平均温度，℃，查得榆树县供暖室外平均温度为-9.5 ℃

θia、θea——检测持续时间内建筑物的平均室温、室外平均温度，℃

测试过程中所用仪器的型号、误差范围等基本信息见表1。

表1 测量仪器基本信息

4 农宅实测结果分析

4.1 室外温度变化

测试期间室外温度呈周期性变化，见图6，室外平均温度为-10.6 ℃，最高温度为10.04 ℃，最低温度为-21.02 ℃。

图6 测试期间室外温度变化曲线

4.2 室内温度变化

随着室外气温的变化，室内温度也呈现出周期性变化，且变化趋势与室外温度大致相同，见图7。前几日室外温度较高时，室内温度也相对较高，随后温度有所下降，且波动趋于平稳。测试1号、2号和3号农宅的室内平均温度分别为14.75 ℃、11.99 ℃、10.86 ℃，均低于民用建筑冬季供暖的室内设计最低温度16 ℃，说明室内热舒适性存在提升的空间。

图7 测试期间室内温度变化曲线

4.3 农宅能耗测试结果分析

测试期间1号农宅电散热器用电3 179.48 MJ，2号农宅电散热器用电5 592.6 MJ，3号农宅电散热器用电6 560.6 MJ，将实测得到的用电量代入公式(1)即可得到3栋农宅的实测能耗。

能耗计算时，地面耗热量采用地带法计算(只需要考虑保温层的厚度和传热系数)，苯板的传热系数为0.042 W/(m2·K)；外墙耗热量根据实测的墙体传热系数计算；屋面耗热量计算时传热系数取0.41 W/(m2·K)；门窗耗热量计算时传热系数取2.7 W/(m2·K)；总耗热量为以上各项计算结果之和。3栋农宅的实测能耗及分项耗热量计算结果见表2。

表2 3栋农宅的实测能耗及分项耗热量计算结果 W/m2

计算总耗热量与实测能耗之间存在差异的原因主要是在计算耗热量时未考虑冷风渗透耗热量。表2中不同围护结构计算耗热量的对比结果显示外墙耗热量占总耗热量的比例较高。对墙体传热系数的测量结果显示，3号农宅的墙体传热系数为1.07 W/(m2·K)，而1、2号农宅的新型保温墙体传热系数为0.38 W/(m2·K)，比3号农宅减少了70%。体现在外墙耗热量上是1、2号农宅相对于3号农宅分别减少了45.3%、64.0%，可见采用保温墙体能有效降低通过外墙的耗热量，从而降低能耗。

为修正不同室内温度对能耗的影响，将不同农宅的实测能耗根据式(2)折算到标准气象条件下，然后进行对比。折算单位面积供暖能耗对比见图8。

图8 折算单位面积供暖能耗对比

由图8可知，2号农宅相较于3号农宅，由于采用了保温墙体，可以有效减少通过外墙的热量损失，单位面积能耗降低了33.8%。1号农宅相对于2号农宅，由于对地面以及屋顶进行了保温处理，单位面积能耗降低了35.0%。相比于3号农宅这种传统民居，采用保温墙体的2号农宅以及采用保温墙体和地面、屋顶保温的1号农宅能有效降低单位面积供暖能耗。因此对围护结构进行保温处理可以有效降低建筑能耗，以达到节能减排的目标。

5 结论

① 1号、2号和3号农宅的室内平均温度分别为14.75 ℃、11.99 ℃、10.86 ℃，可见通过改善围护结构的保温性能可以有效地改善室内热环境。

② 相比于3号农宅无保温的墙体，1、2号农宅均采用保温墙体，能有效降低墙体传热系数，减少通过外墙的热量损失。

③ 1、2号农宅与3号农宅对比，折算单位面积供暖能耗分别降低56.9%、33.8%，证明传统农宅存在很大的节能潜力，对围护结构进行保温能有效降低单位面积能耗，达到节能减排的目标。