西北农村住宅建筑热工性能及节能策略分析

马 超，刘艳峰，王登甲，王莹莹

（西安建筑科技大学环境与市政工程学院，西安 710055）

我国西北大部分地区处于严寒和寒冷气候区，冬季室外空气温度较低，采暖期较长，农村地区受经济发展水平限制，且农村住宅建筑节能设计缺少相关设计标准做指导，农村住宅建筑热工性能较差，导致住宅建筑室内热环境差，建筑能耗大[1-2]．农村建筑面积大，随着经济的发展，人们对室内热环境要求的提高，建筑能耗所占比例越来越大，农村建筑节能越来越受到重视，然而，西北地区太阳能资源丰富，农村住宅建筑的节能潜力较大．

文献[2-4]通过对西北地区乡村建筑室内热环境的调查分析，发现住宅建筑冬季室内温度低、热舒适性差且采暖能耗高．研究指出在西北地区采用被动式太阳能采暖技术可有效改善室内热环境[4-5]．对于农村建筑可通过提高建筑围护结构的保温隔热性能、门窗的密闭性能、充分利用太阳能等措施来降低建筑能耗[6-7]．然而目前尚未形成对西北农村住宅建筑热工现状的典型描述，仍缺少开展农村住宅建筑节能技术的热工基础．

西北地区地域跨度大，各地农村住宅建筑形式和围护结构构造形式等有其地域性特点，然而同类型建筑，如砖瓦建筑，其围护结构材料相差不大，且建筑能耗评价的方法和参数一致．因此，可以西北地区农村住宅热工参数和能耗分析统一归纳处理．本文以问卷调查的方法对西北地区农村住宅建筑形态、围护结构构造形式及材料进行调查统计，并对建筑体形系数、窗墙比、外围护结构热工性能和建筑能耗进行分析，提出适宜于西北农村住宅建筑建筑节能和采暖策略，同时也为西北农村建筑具体节能技术实施提供基础热工参数．

1 调查统计

于2011年12月至2012年3月以及2012年11月至2013年3月，通过问卷调查的方式对西北农村住宅建筑形态、围护结构构造形式、建筑热工条件等进行问卷调查．调查共收回有效问卷360份，调查地区涵盖陕西、甘肃、宁夏、青海和新疆西北五省农村地区．

问卷具体调查内容包括建筑形态、建筑朝向，建筑外墙、屋顶、外窗、外门、地面等围护结构构造形式、尺寸、材料、厚度等．通过对问卷统计分析，获得建筑体形系数、窗墙比、围护结构传热系数等热工性能等．

2 调查结果分析

西北农村住宅建筑主要分为砖瓦建筑、生土建筑和窑洞建筑．西北地区农村住宅建筑中砖瓦建筑所比例最大，约为67.4%，生土建筑和窑洞建筑分别约为24.8%和7.8%．由于窑洞建筑具有明显的地区性，建筑围护结构形式和热工性能与其他住宅建筑不同，其节能技术措施有别于其他建筑类型，因此，研究对象主要为砖瓦建筑和生土建筑，不包括窑洞建筑．

2.1 建筑体形系数

根据调查分析，西北农村住宅建筑体形系数平均值约为0.9．体形系数大于0.9的建筑，所占比例约为45.5%．西北农村建筑多为独立式建筑，层数较少，多为一层，一般建筑有二面或三面外墙，因此体形系数较大．

2.2 窗墙比

西北农村住宅建筑大多是正面开窗．南、东、西和北向窗墙比平均值分别约为 0.17、0.14、0.14和0.12．可见西北农村建筑窗墙比相对较小．在西北太阳能资源丰富地区及较丰富地区，冬季窗户太阳辐射得热量和窗户与室外空气传热失热量之差随窗墙比变大而变大[8]．因此，增大南向窗墙比，同时增强夜间外窗保温，有利于建筑被动太阳能利用以及降低建筑能耗．

2.3 建筑围护结构热工性能分析

统计分析获得外墙、屋面、外窗、地面和外门类型及传热系数，其传热系数值根据文献[9-10]取值或计算而得．

2.3.1 建筑外墙热工性能

在西北地区农村住宅建筑中，外墙类型主要有实心砖、生土、石材、混凝土、空心砖、多孔砖墙等，外墙内壁面多进行水泥砂浆或草泥浆抹灰，基本未进行保温．如图1，外墙中实心砖墙所占比例最高，约53.8%，其次为生土墙，所占约为28.5%．实心砖墙中，240墙和370墙所占比例较大，分别约为68.6%和20.0%．生土墙厚度主要在300～600 mm之间，且主要以400 mm为主，所占生土墙比例约51.4%．空心砖和多孔砖墙所占比例较少约为4.6%．可见外墙多为厚重型墙体，墙体材料蓄热性能好．

图1 外墙类型Fig.1 The types of exterior wall

在农村住宅建筑中，由于外墙类型较多，且以砖墙居多，为对比外墙的热工性能，根据砖墙传热系数大小对外墙进行分类，如表1．由表1可知，外墙类型一所占比例最大，约为52.3%，且传热系数大于等于2.15 W/(m2·K)，其次为类型三，所占比例为23.1%，所占比例最小为类型四，约为5.4%．由于外墙基本未进行保温，外墙热工性能整体较差，外墙传热系数平均值约为1.98 W/(m2·K)，平均热惰性指标为4.14．

表1 外墙类型及热工参数Tab.1 The types and thermal parameter of external walls

2.3.2 建筑屋顶热工性能

在西北地区，建筑屋顶的形式主要有坡屋顶和平屋顶．坡屋顶所占比例较多，约为59.7%，坡屋顶结构主要为小青瓦/红机瓦+草泥浆+木板，并多以木构架作为屋顶骨架，坡屋顶厚度主要为 120 mm左右．平屋顶约占比例为40.3%，平屋顶结构主要以浇筑混凝土和楼板为主，其中楼板使用率较高，约占平屋顶 58.3%，平屋顶厚度主要在 150～200 mm之间．

从调查中可知，屋顶大多未不进行保温，因此传热系数相对较大，坡屋顶和平屋顶的传热系数约2.27 W/(m2·K)和 3.05 W/(m2·K)．屋顶平均传热系数约为2.52 W/(m2·K)，平均热惰性指标为3.87．住宅建筑中，有吊顶的屋顶建筑约占51%，吊顶的材料是以石膏板和木板为主，吊顶的设置增强了屋顶隔热性能．

表2 主要屋顶类型及热工参数Tab.2 The main types and thermal parameter of roofs

2.3.3 建筑外窗热工性能

1）外窗热工性能

住宅建筑外窗窗框材料主要有木质、塑料、铝合金和铁质窗框等，其中木质框利用率最高，约为68.0%，其次为铁质和铝合金框，约为27.8%．外窗层数主要为单层和双层，其中单层窗使用率最高，约为79.9%．

由表3可知，外窗整体热工性能较差，外窗传热系数平均值为4.74 W/(m2·K)．

表3 外窗类型及热工性能Tab.3 Types and thermal parameter of external windows

2）外窗内置窗帘的类型

住户建筑中，外窗设置窗帘建筑所占比例约81.2%；外窗无窗帘的建筑所占比例约18.7%．内置窗帘主要有布帘、棉帘和纱帘，其中以布窗帘为主，所占比例约75.0%，棉帘和纱帘所占比例分别约为14.3%和11.6%．

在冬天夜间，外窗设置窗帘更能有效的减少冷风渗透和冷风侵入耗热量，内置窗帘使窗户内侧与窗帘之间形成空气层，从而增大了外窗热阻，文献[11]显示外窗内置窗帘后，对于单层窗，设置棉帘、布帘和纱帘，其附加热阻值分别大约0.22，0.19和0.18 m2·K/W，外窗总传热系数分别可减小约55%，54%和50%；对于双层窗，其附加热阻值分别可增大约0.21，0.17和0.16 m2·K/W，外窗总传热系数分别减小约40%，32%和30%．可见外窗夜间设置窗帘可有效增强外窗热工性能．

2.3.4 建筑外门热工性能

住宅建筑的外门主要以木门为主，所占比例为71.0%，铁门和铝合金门所占比例分别为 26.1%和2.9%木质外门传热系数在4.65 m2·K/W左右，铁门和铝合金门传热系数一般要大于木质外门．可见住宅建筑外门热工性能较差．在冬季，约55.1%的住户外门设置保温棉帘，保温门帘设置可有效减少外门传热损失．

2.3.5 建筑地面热工性能

在西北农村住宅建筑中，地面结构从上到下主要是面层、结合层、垫层和地基．地面按面层材料分主要有生土地面、实心砖地面、瓷砖地面、水泥地面和水磨石地面等．生土和实心砖地面垫层主要为生土，垫层厚度约300 mm；瓷砖、水泥、水磨石地面垫层主要为碎石混凝土，垫层厚度约 100 mm．建筑主要以砖和生土地面为主，所占比例的约52.3%，瓷砖、水泥和水磨石地面，占总比例约37.7%．地面均未进行保温，根据文献[12]可得周边地面和非周边地面传热系数分别约为 0.34和 0.08 W/(m2·K)．

3.黑社会组织。如前所述，目前我国大陆还不存在黑社会组织这种有组织犯罪的最高发展形态。从现阶段的国情以及“打黑”形势来看，在未来一段时间内，我国大陆出现黑社会组织的可能性非常小。

3 建筑能耗分析

根据对西北农村建筑形式和热工现状调查分析结果以及相关文献[13-14]对西北农村建筑形式描述，选择典型住宅建筑，并确定其建筑体形系数、窗墙比和围护结构热工参数，对其进行能耗分析．典型建筑为平屋顶、三开间独立式建筑．建筑长宽高分别为 12、4.5和 3.5 m．建筑体形系数为0.9，南向和北向窗墙比为分别为 0.17和 0.12．根据西北农村住宅建筑围护结构热工现状，确定围护结构热工参数如表4．

表4 典型建筑围护结构热工参数Tab.4 Envelope thermal parameter of the typical building

为改善农村住宅建筑室内热环境状况，使室内采暖设计达到城市住宅建筑水平，取建筑室内采暖设计温度为18℃，根据文献[12,15]建筑物耗热量指标和采暖耗煤量指标计算方法，可得到西北主要城市农村住宅建筑外围护结构耗热量、建筑耗热量和采暖耗煤量如表5．

由表5可知，西北农村住宅建筑采暖能耗平均值约为150.1 W/m2，年均耗煤量约为97.4 kg/m2．其中外墙热损失较大，约占建筑总耗热量51.2%，其次为屋顶，约占32.8%，外窗热损失相对较小，约占7.9%．我国20世纪80年代初居住建筑通用设计采暖能耗为年采暖耗煤量为25 kg/m2．可见西北农村住宅建筑达到城市建筑采暖设计水平时，农村住宅建筑能耗比80年代城市居住建筑能耗高3倍，农村建筑热工设计远未达到城市建筑没进行节能设计前水平．

表5 外围护结构及建筑耗热量(W/m2)Tab.5 The external envelope and heat consumption of the building

4 建筑节能策略建议

通过对西北农村住宅建筑热工性能和能耗分析，可知建筑体形系数较大、围护结构热工性能较差，建筑能耗大，单纯使用某项建筑节能和采暖措施很难达到住宅室内热舒适需求．因此，可采用多项节能和采暖技术相结合方式．

1) 外围护结构保温

良好的围护结构热工性能是建筑节能的前提，西北地区建筑节能措施首先应以改善外围护结构热工性能为主，且重点为提高外墙和屋顶保温性能．然而，农村住宅建筑体形系数及围护结构热工性能与城市住宅建筑均有较大差异，以当前节能设计标准[12]中围护结构热工参数限值来要求农村住宅建筑围护结构热工性能，并不合理，且难以实现．我国建筑节能措施主要通过采用增强建筑围护结构保温隔热性能和提高采暖、空调系统能效等方法，其中围护结构承担份额大于等于50%．借鉴城市建筑节能思路，对于农村住宅建筑通过改善外围护结构保温隔热性能，可使其承担50%～55%左右能耗，建筑剩余能耗以其他节能技术措施或采暖系统承担．由于外围护结构中主要失热部件是外墙和屋顶，因此，应主要加强其保温性能．

2）被动太阳能采暖

西北农村地区经济条件相对较差，且该地区太阳能资源丰富，因此，可充分利用被动太阳能采暖技术减少建筑能耗，该措施是较为经济且节能效果较好．在西北地区，考虑到住宅建筑围护结构采用保温技术之后，被动式采暖技术可使建筑能耗降低15%～30%[16-18]，建议取20%～25%．

3）主动太阳能采暖

由于西北地区多处于严寒和寒冷地区，采用被动式采暖技术，通常很难到达采暖设计要求．因此，可以采用主动式太阳能采暖方式，其与被动式采暖相结合使用，可更好发挥太阳能采暖效率．根据文献[19-20]太阳能采暖保证率可取50%～60%，主动式太阳能系统可承担15%～20%左右建筑能耗，约20～30 W/m2，根据相关文献[21-22]研究结果，西北地区太阳能资源及住宅建筑条件可满足该要求．

4）辅助热源

建筑剩余能耗相对较少，可用辅助热源系统承担，其约承担10%～15%左右能耗．

西北农村住宅建筑节能和采暖可使用外围护结构保温（尤其以外墙和屋顶为主）、主被动太阳能和辅助热源采暖相结合的策略．建议各部分承担建筑能耗份额和能耗承担量如表 6所示，然而西北地区区域较大，各地区气象条件和建筑形式也有所不同，可根据各地区的特点对节能采暖策略进行调整．

表6 住宅建筑节能及采暖策略Tab.6 The residential building energy and heating strategies

5 结论

针对西北地区农村住宅建筑，以问卷调查方法对其建筑尺寸、围护结构构造形式进行调查分析，并对建筑体形系数、窗墙比、外围护结构热工性能以及建筑能耗进行分析，提出了适宜的建筑节能和采暖策略建议，得到结论主要有：

(1) 住宅建筑平均体形系数约为0.9；南、东、西和北向窗墙比平均值约为0.17、0.14、0.14和0.12；外墙、屋顶、外窗、外门、周边以及非周边地面传热系数分别约为 1.98、2.52、4.74、4.65、0.34和0.08 W/m2．

(2) 住宅建筑外墙耗热量较大，约占建筑总耗热量51%，其次为屋顶，约占33%．

(3) 西北农村住宅建筑节能和采暖可使用外围护结构保温(尤其以外墙和屋顶为主)、被动式太阳能、主动太阳能和辅助热源采暖相结合的策略，建议各项措施承担的建筑能耗份额分别约为50%～55%、20%～25%，15%～20%和10%～15%．

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