赤峰地区典型农宅屋顶的热工性能研究

石宏岩 赵胜男

（赤峰学院 资源环境与建筑工程学院，内蒙古 赤峰 024000）

工业、交通和建筑是能源消耗的三大领域，是直接或者间接造成碳排放的主力原因[1]。北方供暖能耗占到农村地区生活用能的80%以上，屋顶的耗热量占20%是不容忽视的能耗影响因素[2]。屋顶是整个农宅的最高部分，接触太阳辐射最多[3]，处于外界气候变化最剧烈的位置，是直接影响居民舒适度和能耗的关键参数[4]。对南山村和好鲁库嘎查，总计约百余户进行了实地的调研考察，主要针对于建成年限、围护结构、采暖用能、屋顶结构和相关建筑材料等[5]，发现农区屋面形式多为双坡水泥瓦面，牧区屋面形式多为四坡彩钢瓦面，高度在1.5～2.0m 之间，绝大多数住宅室内用5mmPVC 板吊顶。

赤峰市目前共有嘎查村2059 个，第七次人口普查农村牧区常住人口189 万余人，清洁取暖的用能方式直接影响着内蒙古能源的规划战略。本文在赤峰地区对典型的农宅做了实际的测试，对农宅屋顶的热工性能展开研究，旨在能为北方地区农宅的建筑减排、热舒适性提供一定的参考价值。

1 农宅概况

1 号农宅位置：赤峰市巴林左旗隆昌镇南山村（北纬43°、东经119°、海拔440 米），所在村落属于农区。2 号农宅位置：克什克腾旗浩来呼热苏木乡好鲁库嘎查（北纬42°、东经116°、海拔1330 米），属于牧区，具体的农宅外观见图1 所示。两户农宅均为南北朝向，1 号农宅建于2002 年，是传统墙体厚370mm 非粘土实心砖墙，屋顶采用木质架空覆盖泥土加彩色水泥瓦，2 号农宅建于2012 年，是墙体厚240mm 混凝土砖加盖XPS 保温板，屋顶采用50mm 厚岩棉瓦楞夹芯板复合彩钢瓦。

图1 典型农宅外观

2 实际测量

2.1 测量原理

对于屋顶而言，在时间维度上，以整个采暖季的变化情况来看，在设计围护结构的时候更关注一个相对稳定的状态[6]，故而，在进行热工计算的时候，可以取严寒期内相对稳定的温度平均值进行计算。在空间维度上，整个屋顶是一个三维的结构，从太阳辐射和空气对流换热到瓦面，瓦面经架空闷顶内部、PVC 板、室内对流换热、物体辐射换热等的复杂过程。整个换热过程彼此相互影响，故而，将整个屋顶视为一个整体进行热工性能的计算，这样在不影响主要反映物理问题的前提之下，尽可能的减少数学上计算的复杂性。

根据传热学知识[7]：

式中：q 是传热热流密度，单位W/m2；k 是传热系数，其大小反映的是传热过程的强弱，单位W/（m2·K）；h 是对流换热系数，其大小表示对流传热过程的强弱，单位W/（m2·K）；Δt 是温差，单位K 或℃。在知晓了热流密度和温差后，就可以进行传热系数的计算，传热系数的大小就能够衡量屋顶热工性能的好坏。

2.2 测量布点

选取室外和室内两处测量温度，其中室外将温度自记仪放在距离农宅5 米远、空旷、距离地面1.5 米的架空位置。室内分别对东屋（主卧）、客厅和餐厅三处人员活动密集的区域进行屋顶温度和热流密度的测试，测点位置位于该房间几何中心的屋顶内侧，温度自记仪探头用保温棉密封好，防止浸入空气对温度测试产生影响，热流自记仪板子用锡纸遮盖防止灯光辐射产生影响。

2.3 使用仪器

采用北京天建华仪科技发展有限公司出产的温度自记仪和热流自记仪。温度自记仪的主要参数：测量范围-50～+100℃，测温分辨率0.1℃，测温精度±0.4℃。热流自记仪：测量范围-2000～+2000W/m2，测量精度小于等于5%，仪器的数值读取时间间隔为5min。

3 结果分析

3.1 温度

1 号农宅：测试时间2022 年01 月29 日06：00～01月31 日06：00 的48h 数据，其中室内屋顶东屋最高18.8℃，最低6.6℃，平均值13.2℃（均指算数平均值）；客厅最高20.0℃，最低5.2℃，平均值13.1℃；餐厅最高13.4℃，最低3.5℃，平均值9.7℃；整个屋顶的平均值12.0℃；室外最高5.9℃，最低-17.7℃，平均值-8.8℃。

2 号农宅：测试时间2022 年01 月20 日16：00～01月21 日16：00 的24h 数据，其中室内屋顶东屋最高22.7℃，最低10.8℃，平均值16.4℃；客厅最高23.7℃，最低8.8℃，平均值15.1℃；餐厅最高21.7℃，最低7.4℃，平均值12.8℃；整个屋顶的平均值14.8℃；室外最高14.7℃，最低-24.4℃，平均值-15.4℃。瞬时的变化值和平均值分布见图2 所示。

图2 温度的测量值

2 号农宅在室外平均温度比1 号农宅低6.6℃的情况下，整个屋顶的平均温度高出2.8℃，温度差异的主要原因是，2 号农宅的冬季供暖用煤4t+5t 左右牛粪，是1号农宅冬季供暖用煤2.5t+3t 左右薪柴的近两倍。由1 号农宅的瞬时温度值可知，在室外温度呈现简谐波周期性波动的时候，室内屋顶也呈现出该趋势，在06：00～次日06：00 观察较为明显，在18：00～21：00 时左右，屋顶的温度会呈现上升趋势，原因是在这个时间段进行间歇式土暖气供暖和土炕薪柴加热，二者叠加导致屋顶温度有小幅度的提升。

3.2 热流密度

1 号农宅：室内屋顶东屋最高61.4W/m2，最低21.3W/m2，平均值35.2W/m2；客厅最高40.3W/m2，最低8.6W/m2，平均值18.8W/m2；餐厅最高63.5W/m2，最低18.5W/m2，平均值34.6W/m2。三者平均值29.5W/m2。

2 号农宅：室内屋顶东屋最高31.3W/m2，最低10.3W/m2，平均值21.7W/m2；客厅最高38.6W/m2，最低9.8W/m2，平均值20.7W/m2；餐厅最高24.4W/m2，最低7.8W/m2，平均值16.8W/m2。三者平均值19.7W/m2。

由测试结果可知，2 号农宅室内屋顶热流比1 号农宅低近10W/m2。结合图2 和图3 整体来看，温度和热流的波动特性、平均值均呈现明显的正相关性，由1 号农宅的瞬时热流值可知，客厅的热流密度较东屋低了近15W/m2，说明客厅的人员活动次数较为频繁，餐厅和东屋的屋顶温度相差3.5℃，而热流密度却持平，主要原因是采暖的锅炉烟气排放管道对餐厅屋顶的影响导致的。

图3 热流的测量值

3.3 传热系数

将整个屋顶视为一个整体后，采用热电比拟的方法等效为平壁换热过程[7]。其中外表面对流换热系数是根据规范[6]推荐的闷顶数值，没有采取测量值得原因是，该值受到外界变化参数的影响较大[8]，使用现有的仪器较难获得相对准确的数值。

根据公式（1）、（2）计算出传热系数，并与农村牧区居住建筑节能设计标准[9]的规范值比较，见表1。1 号农宅的传热系数是规范值的4.5 倍、是2 号农宅的2.3 倍，2号农宅的传热系数是规范值的2 倍，两户农宅的屋顶传热系数都有大幅度降低的空间。

表1 传热系数的计算

3.4 火积分析

熵产分析的热力学优化理论并不适用于传热过程性能的优化，火积理论可以用于定量描述系统的传热能力和不可逆性[10]。对于单位时间内传递热量为Q 的传递过程，总的火积耗散是Q 和温差ΔT 的乘积，即

1 号农宅：室内屋顶热流平均值29.5W/m2，屋顶面积106m2，单位时间内Q=3127J。2 号农宅：室内屋顶热流平均值19.7W/m2，屋顶面积68m2，单位时间内Q=1340J。计算可得，1 号农宅是2 号农宅火积耗散的2.3 倍，与传热系数计算的结果相吻合。

4 结论

测试时间段内，1 号农宅平均值，室内屋顶温度12.0℃，室外温度-8.8℃，热流密度29.5W/m2。2 号农宅平均值，室内屋顶温度14.8℃，室外温度-15.4℃，热流密度19.7W/m2。在波动特性和平均值上，温度和热流均呈现明显的正相关性。1 号农宅的传热系数是规范值的4.5 倍，2 号农宅的传热系数是规范值的2 倍，两户农宅的屋顶传热系数都有大幅度降低的空间。火积耗散1 号农宅是2 号农宅的2.3 倍，与传热系数计算的结果相吻合。