覆膜缓冲空间对农宅室内光热环境的影响——以辽中地区为例

张雪研，赵佳艺，杨一鸣，苏媛

(1.大连理工大学建设工程学部，辽宁大连，116024；2.大连理工大学建筑与艺术学院，辽宁大连，116024)

随着农村住宅向城镇化转变，农宅设计宽敞化趋势明显[1]，农村居民对生活品质及室内舒适性的要求不断提高，农宅供暖能耗居高不下。2008年至2018年，农村住宅建筑煤耗总量从1.57亿t增加到1.65亿t，增长了5.09%[2]，农宅热损失问题严重[3]。东北地区传统农村既有住宅建筑多为农民自建砖混结构，围护结构热工性能差，墙体传热系数超标448%[4]，室内热舒适性显著降低。为了减少建筑围护结构的热量损失，抵御室外冷空气，改善室内热不舒适问题，多数经济条件一般的居民选择在农宅南北两侧搭建可拆卸式覆膜缓冲空间。王秀萍等[5]发现应用可拆卸的覆膜缓冲空间，在相同的燃料消耗下，室内温度可提高2～3 ℃。新农村建设强调充分利用太阳能等可再生能源，董海荣等[6]对冀北地区进行充分调研，提出了在农宅南侧建阳光间等被动式太阳能利用方法的建议。金虹[7]发现农宅外门因频繁开启不可避免冷风侵入，可采用门斗、双层门的方式减少冷风侵入量。李智卓等[8]通过Design Builder软件对辽西地区农宅节能改造措施进行模拟，发现增设玻璃门斗或阳光间可以使农宅入门走廊温度平均提升3.5 ℃。有关严寒地区覆膜缓冲空间的研究中，多数将覆膜缓冲空间视作热环境改善措施，但缺乏定量计算分析；此外，直接将城市建筑应用较多、造价较高的玻璃阳光间与农宅集成设计，脱离了农村实际。秦鑫等[9]发现农户通过对外窗铺订塑料薄膜可起到保温作用，但这同时导致室内水蒸气无法排出，在气温较低时易凝结，严重影响居室采光。因此，需要利用科学合理的研究分析手段，使覆膜缓冲空间的设计更利于降低农宅能耗，改善农宅室内光热环境。南侧的覆膜缓冲空间与阳光间的作用类似。REMPEL等[10]通过EnergyPlus模拟研究了俄勒冈州现有阳光间的热量传递特点，发现受到植物遮挡是阳光间得热的主要影响因素，竖向玻璃被植被遮挡不易得热，屋顶玻璃窗透射的能量占总得热量60%～70%。BATAINEH 等[11]也通过DEROB-LTH软件模拟探究了阳光间热性能的影响因素，证明阳光间玻璃围护结构的倾斜表面比垂直表面好，使用双层玻璃替代单层玻璃可以提高阳光间的热性能。此外，在能耗计算方面，常见的模拟软件有DOE-2，EnergyPlus，DeST，Design Builder 等。朱丹丹等[12]运用EnergyPlus 和DOE-2 软件对标准算例进行模拟得出，在计算邻室传热问题时，DOE-2没有严格考虑房间热平衡。同时，EnergyPlus软件采用各向异性的天空模型来增强倾斜表面的天空辐射强度，其效果比DeST软件的好。对于辽中地区农宅来说，相邻房间温度存在差异，邻室传热问题不可忽略，且缓冲空间表面存在倾角，故选择Design Builder 软件具有可行性。综上所述，针对北方农村地区既有建筑利用塑料薄膜搭建缓冲空间的应用研究只提出了措施建议，而未见针对该技术与农宅集成应用的实际效果分析及设计依据的定量分析。因此，本文作者利用Design Builder和Ecotect软件模拟分析覆膜缓冲空间材料、构造、尺寸等设计参数对降低农宅能耗、改善光热环境、提高生活品质等方面的影响。

1 覆膜缓冲空间设计模式及应用现状

1.1 集成农宅设计模式

辽中地区处于东北亚中心地带，主要包括沈阳、鞍山、抚顺等8 个城区，在建筑气候分区中，属于ID区，1月份平均气温为-16～-10 ℃，冬季供暖周期为151 d，年日照时数大于3 000 h，水平太阳辐射强度高于5 000 MJ/m2，太阳辐射强度年总量为5 020～6 280 MJ/m2[13]，在太阳能资源分区中属于资源较丰富地区。辽中地区农村建筑多以“三开间”或“四开间”模式为主，三开间模式的中间位置为厨房，内置灶台，东西两侧房间为卧室，采用火炕和土暖气联合供暖；四开间则在西侧或东侧多设计1间客厅或卧室。为防止冬季寒风侵入室内增加热负荷、降低室内热舒适性，多数农户采用覆膜缓冲空间与建筑集成应用的方式解决上述问题，集成设计模式如图1所示，此缓冲空间可根据季节特征更替材料，同时实现冬季防寒、夏季遮阳的功能。农村建筑围护结构材料及物性参数见表1，外窗传热系数5.8 W/(m2·K)，窗框修正系数为1.07，缓冲空间塑料膜的性能参数见表2。本文针对农宅南北两侧分别增加缓冲空间是否有利于降低建筑热损失及如何，营造室内舒适光热环境的问题进行研究，分别探讨缓冲空间材料、构造、尺寸对室内环境的影响，最终提出最佳设计参数。

表1 围护结构的构造及热工参数Table 1 Structure and thermal parameters of building envelope

表2 塑料薄膜的性能参数Table 2 Performance parameters of plastic film

1.2 测试仪器及方法

本文作者团队分别于2019年1月和2020年1月对辽中地区某典型农村建筑围护结构温度和热流密度、室内外空间温湿度、覆膜缓冲空间壁面温度及热流密度、火炕和土暖气等供热设备表面温度及热流密度等进行了测试，时间间隔为5 min，同时针对该农户居民生活行为进行了跟踪监测。主要测试参数及所用仪器见表3。测点布置及测试方法分别参照GB/T 50785—2012“民用建筑室内热湿环境评价标准”、GB/T 15405—1994“被动式太阳房技术条件与热性能测试方法”、JGJ/T 358—2015“农村火炕系统通用技术规程”，图1(b)所示为测点布置。

表3 测试仪器及参数Table 3 Test instrument and parameters

图1 覆膜缓冲空间与建筑集成设计形式Fig.1 Film-covered buffer space and architectural integrated design form

1.3 应用现状分析

1.3.1 温度和湿度

室外及农宅南侧缓冲空间及室内各主要功能房间温度实测结果如图2(a)所示。由图2(a)可以看出：室内各功能房间的空气温度出现2次峰值，主要与供暖设备(灶炕-土暖气)2次/d的间歇运行方式直接相关；而缓冲空间内温度变化与室外温度变化规律基本一致，日间受太阳辐射得热直接影响，覆膜缓冲空间透过短波太阳辐射后，内部空气温度升高至27 ℃，高出各功能房间4.3 ℃，可通过对流换热的方式提高室内温度；而夜间缓冲空间与室外空气发生对流换热，并受天空冷辐射影响散热。图2(b)所示为农宅南侧入户门的开关情况及室内外空气温度的变化。当外门频繁开启时，室外空气温度对室内空气温度影响较小。

图2 农宅室内外温度与农宅入户门开关情况Fig.2 Indoor and outdoor air temperature versus opening and closing condition of rural house

冬季，建筑北侧为迎风面，故在北侧搭建覆膜缓冲空间可有效降低冷风渗透量，并起到一定的保温作用。但其内部温度的测量结果显示，温度范围集中在-20～-10 ℃，接近图2(a)中的室外空气温度，热缓冲效果有限。故本研究将北向缓冲空间作为模拟计算的基础边界条件，主要探讨南向覆膜缓冲空间的光热性能。

1.3.2 供暖设备表面温度

图3所示为供热设备表面温度。由图3可见：土暖气表面温度变化分别在8:30—10:00和14:30—16:00 时段出现峰值，为80 ℃，供回水温差为40 ℃，比城市集中供暖的供回水温差高；22:00之后，燃料燃烧结束，土暖气表面温度降至20 ℃以下，受表面覆盖物影响，火炕表面温度最高值出现在20:00—23:00，此时炕面覆盖被褥，增大了炕面热阻，温度上升至55 ℃左右；在07:30左右，炕表面温度骤降，与农户起床后收起被褥有关；此外，还有2 个峰值分别出现在10:00—10:30 和16:30—18:00，炕面温度达到40 ℃，这与居民间歇式供暖相关。

图3 供热设备表面温度Fig.3 Surface temperature of heating equipment

1.3.3 南向缓冲空间热工性能

根据实测数据对缓冲空间内各壁面热量传递过程进行计算分析，得到南侧单位时间缓冲空间热量传递结果如图4所示。以太阳辐照度大于100 W/m2进行划分，阳光直射时段为9:00—15:00，非阳光直射时段为15:00—次日9:00。在阳光直射时段，太阳辐射是缓冲空间的直接热源，经计算太阳辐射得热量约有5.8 kW。薄膜表层的温度比室外温度高，与建筑外表面存在辐射、对流换热过程，其换热量约为1.8 kW，占总换热量的31%，其中，非透光围护结构和地面吸收的热量相近，约占20%，部分热量传入室内，部分被储存在重质结构中。在非阳光直射时段，由于薄膜为轻质结构无蓄热能力，室外气温降低后，缓冲空间内气温迅速降低，通过农宅南向外墙和外窗向缓冲空间散热1.4 kW，是产生热损失的重要环节；地面散热约为1.2 kW。建议加强缓冲空间的密封性，并可在PO 膜外增加夜间覆盖物等来降低建筑热损失。

图4 南向覆膜缓冲空间结构及换热强度Fig.4 Structure and heat transfer of film-covered buffer space facing south

2 覆膜缓冲空间光热性能理论分析

2.1 物理模型

覆膜缓冲空间的结构包括塑料覆膜层、活动空间、建筑外围护结构(墙体、门、窗)。由图4可见：在日间状况下，太阳辐射通过2种方式进入覆膜缓冲空间，一是直接透过塑料膜，二是被塑料膜、地面和建筑墙体外表面吸收后由对流换热方式传入缓冲空间内。本文综合考虑以上2种方式探讨缓冲空间内的综合传热过程。

2.2 数学模型

2.2.1 传热方程组

基于上述物理模型，构建覆膜缓冲空间整体传热方程组。晴天，覆膜缓冲空间获得的太阳直射辐射得热比例最高[16]，在计算过程中，忽略散射辐射得热，则塑料膜吸收太阳辐射得热计算公式为

式中：q1为单位面积塑料膜吸收太阳辐射得热通量，W/m2；Hbθ为单位面积倾斜面上直接日射辐照量，kJ/(m2‧d)；α为塑料膜直接日射吸收系数，α=a为塑料大棚薄膜的吸收率；r为反射比，取0.04[15]。根据农业生物环境工程中材料种类选取聚乙烯塑料单层薄膜(厚0.10 mm，α=0.15；厚0.05 mm，α=0.05[17])；Ra为塑料膜外表面与空气之间的换热热阻，(m2‧℃)/W；Rr为塑料膜内表面与空气之间的换热热阻，(m2‧℃)/W。

塑料薄膜假设厚度为0.5 mm，薄膜内外表面温度相同，夜间吸收太阳辐射能为0 kW，则塑料薄膜热平衡方程为

式中：hs,out为塑料膜与室外空气表面对流换热系数，W/(m2‧K)；hs,out=5.7+3.8v，v为室外风速，m/s；Ts为塑料膜温度，K；Ta为室外空气温度，K；hs,in为塑料膜与缓冲空间内空气间的对流换热系数，W/(m2‧K)；Tsa为缓冲空间内空气温度，K；hrsw为膜与外墙壁面辐射换热系数，W/(m2‧K)；Tw,o为外墙壁面温度，K；hrsf为塑料膜与缓冲空间地面辐射换热系数，W/(m2‧K)；Tf,o为缓冲空间地面温度，K；hrsc为塑料膜与窗外表面辐射换热系数，W/(m2‧K)；Tc,o为窗户外表面温度，K；hs,sky为塑料膜与天空辐射换热系数，W/(m2‧K)；Tsky为有效天空温度，K，晴天时，Tsky=5.552×10-2Ta1.5，多云情况下，Tsky=Ta-6.0；S0a为塑料膜总得热，W/m2；A为塑料膜面积。考虑到日射吸收率与倾斜角度(分为水平、倾斜、垂直3 个方向)，塑料膜水平方向面积为进深与房屋外墙宽度之积。

忽略空气对太阳辐射的直接吸收，有缓冲空间内部空气流动热平衡方程为

式中：hw,o为外墙与缓冲空间内空气间的对流换热系数，W/(m2‧K)；hf,o为地面与缓冲空间内空气间的对流换热系数，W/(m2‧K)；qs,lf为单位面积冷风侵入带来的热量损失，W/m2。

2.2.2 假设条件

本次研究建立的覆膜缓冲空间传热过程数学模型假设条件如下：1)围护结构材料的热物性参数与其温度变化无关；2)缓冲空间内气体充分混合，忽略空气对太阳辐射的直接吸收；3)空气的物性参数符合Boussinesq近似；4)塑料膜、玻璃吸热面温度分布均匀且无蓄热量。

2.2.3 边界条件

室外气候参数采用《中国标准气象数据库》中沈阳市的典型气象年数据进行全年能耗模拟。农宅取暖时段为10月15日至次年4月15日。按照DB 64/1068—2015“农村住宅节能设计标准”，农宅卧室和客厅的室内设计温度为14 ℃，厨房温度为11 ℃，杂物间走廊不设置供暖[18]。

2.2.4 相关系数确定

对流换热系数hs,in由经验公式计算得到[19]，其值与膜表面温度有关，可用格拉晓夫数Gr表示，Gr约为9×1014，同理可求得hw,o和hf,o。结合辐射换热系数计算公式确定hrsf，hrsw，hrsc，hrfw和hs,sky，进而计算辐射换热量。参照单层玻璃的分析计算方法[15]，确定塑料薄膜的穿透比、吸收比和反射比。

2.2.5 模型验证

通过Design Builder 模拟得到农宅室内温度变化，时间间隔为30 min，温度模拟结果与实测数据，如图5所示。由图5可知：西卧室和缓冲空间内的空气温度模拟值与实测值基本一致。评价模型优劣的指标见表4，由表4可知：温度模拟结果与实测结果的误差在允许范围内[20]。当农宅未设置缓冲空间时，房间设计温度为16 ℃[20]，计算得到单位面积热负荷为122 W/m2，与文献[21]给出的沈阳地区非节能村镇住宅建筑热指标计算值116 W/m2基本一致，相对误差小于5%，证明通过Design Builder计算得到的结果较可靠。

表4 模型修正与评价方法Table 4 Model modification and evaluation method

图5 室内空气温度模拟与实测结果对比Fig.5 Comparisons between simulation results and measured results of indoor air temperature

由图5可以看出：西卧室室内空气温度模拟值呈现每天2次升温现象，与实测数值变化趋势基本一致，这是居民日间炊事和取暖所致。缓冲空间内空气温度主要受太阳辐射照度的影响，由于模拟软件使用的气象太阳辐射照度与实测的太阳辐射照度的变化时间滞后约1 h，因此，缓冲空间温度模拟值较实测值出现时间延迟现象，但总体变化趋势相近。这说明该模型对于本研究具有适用性。

3 结果分析

3.1 缓冲空间材料对保温效果的影响

通过调研得到，缓冲空间搭建材料多为塑料膜(PO 膜、PE 膜、EVA 膜等)、3 mm(厚度，下同)单玻、5 mm+12 mm空气层+3 mm low-e玻璃，对这3 种材料进行对比，其传热系数分别为5.36，5.89 和1.79 W/(m2·K)，太阳能总透射比分别为0.75，0.86 和0.58。图6所示为不同材料的缓冲空间室内空气温度对比。由图6可知：当应用不同材质时，西卧室内温度差异小于0.5 ℃，说明缓冲空间材质对供暖房间温度影响较小。采用low-e玻璃可使缓冲空间温度提升8～10 ℃；应用另2 组材料的日间温度相近，当采用3 mm单玻时，缓冲空间夜间温度低至-20 ℃。这说明PO 膜作为缓冲空间搭建材料具有日间温度适宜、夜间保温效果好的特点，因此，推荐优先选用PO膜。

图6 不同材料缓冲空间室内空气温度对比Fig.6 Comparisons of indoor air temperature in buffer space with different materials

3.2 缓冲空间形式对保温效果的影响

图7所示为不同形式缓冲空间室内空气温度对比。由图7可知：当应用门斗式缓冲空间时，卧室内温度整体下降4 ℃，其原因是门斗仅具有局部保温特性；利用倾斜式构造(结合实测调查，取倾角为60°)具有较好的温度提升作用，室内温度可提高4～5 ℃，效果最好。

图7 不同形式缓冲空间室内空气温度对比Fig.7 Comparisons of indoor air temperature in buffer space with different structures

3.3 缓冲空间最佳进深

缓冲空间围护结构距离建筑围护结构外表面的进深直接影响建筑室内的采光效果和太阳辐射得热能力，进而影响农宅热负荷，因此，需要给出缓冲空间的最佳设计进深。通过Design Builder模拟各功能空间的太阳辐射得热，并结合GB 50352—2019“民用建筑设计统一标准”中“住宅走道净宽不应小于1 000 mm”的规定，取进深为1.0～2.0 m。图8所示为覆膜缓冲空间进深与太阳辐射得热的关系。由图8可见：当缓冲空间进深从1.0 m增至2.0 m时，缓冲空间年累计太阳辐射直接得热由29 000 kW·h增至38 000 kW·h，建筑室内空间太阳辐射直接得热由800 kW·h增至1 000 kW·h，增加约25%。

图8 覆膜缓冲空间进深与太阳辐射得热的关系Fig.8 Relationships between depth of film-covered buffer space and solar heat gain

缓冲空间内太阳辐射得热量与进深的变化呈正相关关系，其线性回归方程为式中：Y1为缓冲空间太阳辐射得热，kW·h；x1为进深，m；R2为判定系数。

房间整体太阳辐射直接得热随进深增加而增加，呈正比关系，其线性回归方程为

式中：Y2为房间太阳辐射直接得热，kW·h；x2为进深，m。

图9所示为覆膜缓冲空间进深对房间全年累计热负荷及中午12:00时房间最低照度的影响。由图9可知：当进深为1.5～1.7 m 时，全年累计热负荷处于极小值；当进深从1.6 m 增至2.0 m 时，房间热负荷仅增加2%；当缓冲空间进深由1.2 m 增加至2.0 m 时，房间最低照度增加2 倍。综合考虑光热性能参数的变化，缓冲空间的最佳进深范围应为1.5～1.7 m。

图9 覆膜缓冲空间进深对房间最低照度及全年累计热负荷变化的影响Fig.9 Influence of depth of film-covered buffer space on lowest indoor illumination and annual total heat load

3.4 节能率分析

通过Design Builder 分别对供暖面积为60.5 m2的基准建筑和改造建筑全年供热能耗进行模拟，得到全年累计热负荷分别为4 989 kW·h 和2 315 kW·h，说明改造后建筑能耗降低了53%。对于未增设缓冲空间的情况，全年累计热负荷为4 989 kW·h；对于仅在南向设置进深1.6 m 的倾斜式覆膜缓冲空间，其全年累计热负荷为3 435 kW·h，仅在北向设置进深1.6 m 的倾斜式覆膜缓冲空间时，其全年累计热负荷为3 825 kW·h。南北向同时设置进深1.6 m的倾斜式覆膜缓冲空间时，其年累计热负荷为2 315 kW·h，证明利用缓冲空间能够有效降低农宅建筑能耗。

3.5 经济性分析

通过与增加围护结构保温层的方式(外墙保温、吊顶保温)进行对比，综合考虑建造成本、供暖能耗降低量、运行收益[22]、静态投资回收期和全生命周期收益投资比(SIRM)[23]对3 种改造方式进行经济性分析，对比结果如表5所示。从表5可见：燃煤价格约850 元/t。覆膜缓冲空间的初投资为外墙保温初投资的1/3左右，且运行收益比外墙保温和吊顶保温这2种方式的收益高。因此，覆膜缓冲空间具有建造成本低、运行收益高、投资回收期快的特点，适合农户自主设计搭建使用。其主要问题是存在覆膜材料易损坏、使用寿命周期短的缺点，在全生命周期评价中，最优的是外墙保温方式，其次是覆膜缓冲空间。

表5 投资收益效果评价Table 5 Evaluation of effect of investment income

4 结论

1)对比不同材料、不同形式的覆膜缓冲空间，倾斜式PO膜缓冲空间可有效提升室内空间温度4～5 ℃。

2)当缓冲空间进深为1.5～1.7 m 时，覆膜缓冲空间对于改善农宅热负荷和保持房间照度的综合作用最佳。

3)增设最优覆膜缓冲空间(PO膜倾斜式、进深1.5 m)可使农宅全年能耗约降低53%。

4)覆膜缓冲空间的初投资是外墙保温初投资的1/3左右，且运行收益比外墙保温和吊顶保温这2种方式的高，这说明覆膜缓冲空间具有建造成本低、运行收益高、投资回收期快的特点，适合农户自主设计搭建使用。