西北村镇建筑热环境提升与能源高效利用关键技术及应用*

0 引言

全面提升西北村镇建筑宜居水平、改善当地人民生活质量已是紧迫任务，是解决我国区域发展不平衡、不充分的重要举措。西北村镇居民生活方式、地域建筑文化、热工构造样式、能源供给水平等均有别于城市，造成现有针对城市建筑的室内环境标准、建筑节能技术、能源供给方式等难以直接沿用，其特殊性主要体现为：

1) 村镇居民对室内温度在空间和时间上的期望存在差异。西北村镇建筑由原有冬季无供暖逐步发展为有供暖，进而升级为标准化供暖，此模式是长期热适应、生活习惯、能源成本投入之间协调的综合结果，而且村镇居民对于不同空间、不同时段的热环境需求也存在显著差异。倘若沿用目前北方城市的统一室温标准、全面持续供暖模式势必会造成能源浪费。

2) 村镇建筑热工物性参数及节能技术手段和方法特殊。随着现代建筑新材料不断涌现，原有建材物性参数数据库已凸显陈旧，而在西北地区强辐射、干燥、低温等地域性特殊条件下物性参数也将发生变化。西北村镇特殊的建筑文化、宜居需求，造成村镇建筑的空间布局、形态特征、构造方式等具有强烈的地域特征；加之建筑节能的目标和技术手段差异极大，城市采用的现行保温、被动节能等技术难以直接套用。

3) 村镇能源利用方式受制于当地资源条件与技术水平。西北村镇住区分散、能源供给体系不完善、经济与环境承受力不同，加之量大面广的分布特征，沿用城市集约化能源供给方式必将造成能耗高、代价大的问题。而西北地区太阳能、风能等可再生能源丰富，且村镇建筑密度小、层数低，收集面充足，具备可再生能源技术发展的先决条件。

因而，需要建立符合西北村镇居民生活特征的梯级室内热环境设计参数，提出适宜的村镇建筑热工及低成本被动节能技术体系，因地制宜地提出基于可再生能源的全链条建筑用能支撑方式。构建西北村镇宜居环境提升的整体技术思路，以典型工程案例为引导，形成政府激励、居民自发的建筑节能推广模式。

1 项目总体思路

围绕西北村镇建筑宜居环境提升的紧迫任务，针对农村室内环境差、热工水平低、用能系统不完善等现实问题，在“十二五”国家科技支撑计划、国家自然科学基金等项目持续支持下，在西北村镇人群差异化热需求及室内热环境参数、地域建筑热工物性参数及节能设计原理与方法、太阳能等可再生能源低成本高效供暖技术等方面取得了系列研究成果，初步构建了适用于西北村镇建筑的室内热环境提升与全链条建筑用能支撑体系。

研究形成了以西北村镇建筑室内差异化热需求为目标、高效被动建筑节能技术及关键参数为基础、全链条可再生能源供暖系统设计优化方法为支撑的成套技术方法，提出了多技术和多环节分担、依次递进的节能技术思路，有效缓解了单项技术成本大、可靠性低的问题。在陕西、甘肃、青海等西北地区建设了20余处村镇建筑综合节能示范工程，有效改善了西北村镇建筑的宜居水平，提升了建筑能源利用效率。

2 项目研究成果

该项目在西北村镇人员差异化热需求与梯级室内环境调控原理与方法、建筑热工及被动节能设计原理与技术、可再生能源全链条高效供暖优化设计方法等方面取得了一定创新成果。

2.1 西北村镇人员差异化热需求及梯级环境参数

对于西北村镇“原有无供暖—逐步有供暖—标准化供暖”的发展事实，现有城市采用的高标准温度参数难以适用。研究提出了西北村镇人员差异化热需求的梯级室内环境调控原理与方法，一定程度上克服了现有的统一室内设计参数、无差别供暖、浪费能源的问题[1]。

2.1.1西北村镇居民室内活动轨迹及热适应机理

西北村镇居民的特有生产生活方式、长期热适应过程，造成人体主观热反应和热环境需求有别于城市居民。而且，西北村镇居民冬季室内活动轨迹具有典型规律性[2]，且对于室内温度在空间和时间上的期望也存在显著差异。经过10余年对西北村镇地区建筑热环境测试及逾万人的主观热反应调查，掌握了西北村镇居民长期热适应评价(见图1)及室内典型活动规律，明确了昼间15.0～16.5 ℃、夜间11.5～13.0 ℃的典型热中性温度范围特征，还阐明了建筑室内环境参数对人体皮肤温度、散热方式和热舒适的影响关系。

图1 居民长期热适应评价

2.1.2西北村镇人体时空差异化热舒适需求机理

依据西北村镇建筑室内人员实际活动规律，提出了“室内全空间—人员活动区—夜间休眠区”的热环境调节空间递进、能耗递减节能设计原理；提出了适用于人员头部和躯干两段式热舒适的“被褥—房间—辐射”温度参数匹配方法，如图2所示；揭示了村镇人员进入热舒适区和离开不可接受区的差异化调控目标，据此确定出时间、空间双维度的差异化主被动调控模式转换条件。睡眠热舒适度评价如图3所示。

图2 人员睡眠热舒适分析

图3 睡眠热舒适度评价

2.1.3西北村镇分时分区室内热环境设计参数体系

依据村镇人群长期热适应机理，结合村镇建筑卧室、客厅、卫生间等功能特征，揭示了人体热舒适和热环境营造目标在时间、空间上的分布规律。基于此，在原供暖室内设计温度“单一恒定”的基础上，增加了不同功能空间差异化温度、非供暖时段可接受温度、睡眠被褥-空间组合温度等“多段梯级”代替现有“单一恒定”的分时分区系列室内温度取值，不同体周热阻、不同活动强度下昼夜分时各房间期望温度分别如图4、5所示。初步获得白天(约16 ℃)、夜间空间(约12 ℃)/被褥(约30 ℃)的基本室温推荐[3]。当然，在社会经济水平持续提升、人民对美好生活向往不断追求下，逐步实现乡村建筑达到更高标准室内舒适度是共同愿望。

图4 不同体周热阻条件下昼夜分时各房间期望温度

图5 不同活动强度条件下昼夜分时各房间期望温度

2.2 西北村镇建筑热工参数与被动节能原理和方法

针对原有建筑材料物性参数数据库陈旧，西北典型使用条件下数据缺失，村镇建筑空间形态、构造方式特殊，建筑节能目标和技术手段与城市相比差异极大等问题，提出了西北村镇常用建筑材料物性参数修正计算方法，建立了适宜的被动节能设计原理与技术。

2.2.1西北村镇常用建材物性参数修正计算方法

通过大量调研，归纳掌握了西北地区典型的干热、干冷气候特征及村镇建筑常用建材类型[4]；研究揭示了村镇建筑围护结构内部热湿动态分布规律，通过实验研究明确了典型热湿条件与建筑材料导热系数等物性参数之间的定量关系[5]；提出了西北村镇常用建筑材料附加导热系数修正计算方法；进而建立了村镇建筑围护结构传热量准确计算模型，完成了围护结构传热系数整体修正[6]；增加了40余种常用建材含湿状态下的导热系数、蓄热系数、比热容等基础数据，见表1。

表1 典型条件下建材物性参数(干燥状态)

2.2.2西北村镇建筑热工节能设计原理与优化方法

分析阐明了西北地区太阳辐射在建筑中的时间、空间差异化分布特征，建立了太阳辐射、气温双波动建筑动态热过程分析模型；提出了太阳能富集区建筑朝向修正率重构方法。创建了南向无保温、东西向适当保温、北向加强保温的朝向依次增强保温节能设计方法，以及昼夜动态保温原理与方法。进而依据西北村镇经济水平现状，兼顾建筑得热与投资成本关系，形成了村镇建筑围护结构保温体系优化顺序及热阻配比计算方法。

2.2.3西北村镇建筑保温与被动节能技术及参数

基于太阳能在建筑中利用的实际情况，开发了动态保温窗帘、太阳能蓄热屋顶、通风供暖墙等低成本建筑保温与被动节能关键技术；提出了以“有效得热”代替“总得热”的建筑保温及被动节能优化原理[7]，重新构建了建筑热工及被动构件优化设计参数；并开发出被动村镇建筑动态热环境与负荷计算程序，进而揭示了被动技术室内热环境营造特征，提出了村镇建筑各功能房间室内热需求与被动节能技术优化匹配关系，如表2所示，实现了被动太阳能技术高效精准利用。

表2 建筑空间需求模式与被动太阳能技术匹配关系

2.3 西北村镇建筑全链条用能系统优化设计方法

注：Es为主源输出的量；ηeq为设备系统传递效率；ηp为建筑端有效收益率。图6 能源系统全链条热力过程及统一流程

2.3.2系列精准供暖末端及能源高效利用关键技术

研究建立了基于“移峰填谷”热蓄调的可再生能源热源设计方法[10]；提出了南北分环、床房分控供暖系统，有效缓解了原有无差别供暖室内温度过高、能源浪费的问题。研发了太阳能相变取暖器、强化对流辐射地板[11]、低温盘管暖床等分别适用于房间、床、局部空间的灵活高效末端设备[12-14]，如图7所示，并给出了散热量计算方法和选型依据，实现了有限可再生能源的高效精准利用。

图7 床房分控供暖系统(单位：mm)

2.3.3全链条可再生能源供暖设计方法及运行策略

提出了“村镇节能规划—适宜建筑模式—建筑高效保温—被动技术优先—可再生能源补充—常规能源备用”的多技术依次有机组合的节能设计思路。通过优化分析揭示了各项技术配合逻辑关系及热负荷分担份额，形成了多层级递进的组合式全链条可再生能源供暖节能技术体系(见图8)，避免了单项技术成本高、代价大的问题[15]。

图8 可再生能源供暖全链条节能技术思路

3 推广应用情况及效果

研究形成的适用于西北村镇的建筑热环境设计参数、建筑热工节能设计方法、低成本被动节能关键技术、高效可再生能源供暖全链条优化设计方法等成果，先后在西北20余处村镇建筑综合节能示范工程中进行了应用，基本实现了新建乡村建筑近零能耗运行，既有乡村建筑改造降低供暖能耗50%以上，有效提升了西北村镇建筑宜居环境水平，经济、社会和环境效益显著。

1) 青海刚察县藏农牧民定居主被动组合式太阳能供暖示范工程。针对青海海北藏族自治州农牧区特有的气候资源条件、地域建筑文化导致的现有设计标准不适用问题，提出了适宜于该藏农牧区定居工程的住宅室内热环境设计、被动太阳能技术，配合主动太阳能高效供暖系统建成示范建筑100余户，约1万m2，实现了建筑近零能耗运行。

2) 陕西、甘肃等省份典型村镇建筑综合节能示范工程。针对陕西、甘肃、宁夏等省份特殊的气候资源条件、建筑形式、宜居环境需求等条件，分别针对乡村农宅、中小学校舍、乡村公共服务站等类型建筑提出综合采用梯级室内环境参数、高效保温措施、低成本被动节能技术等全链条节能技术体系，建成10余处典型综合节能示范工程，节能效果显著。

4 结语

当然，西北村镇地区宜居环境全面提升除了理论技术层面问题之外，还受当地经济水平等因素制约，只有国家政策、技术方法、民众自发等几个方面同时得到落实和保障，才会彻底解决西北村镇建筑节能、环境宜居问题。