于克成， 譚羽非， 李佳楠

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 建筑學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱 150006； 2.寒地城鄉(xiāng)人居環(huán)境科學(xué)與技術(shù)工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 黑龍江 哈爾濱 150090)

1 概述

我國農(nóng)村地區(qū)人口眾多，建筑面積龐大，農(nóng)村建筑基本是自建[1]。農(nóng)村用能主要以村鎮(zhèn)建筑炊事、供暖、熱水、照明和家電等生活用能為主[2]。根據(jù)《中國能源統(tǒng)計(jì)年鑒2017》，目前農(nóng)村地區(qū)生活消費(fèi)用能已占全國商品能源消費(fèi)總量的15.6%[3]。地處嚴(yán)寒地區(qū)的北方各省，冬季供暖耗能更占到農(nóng)村地區(qū)生活消費(fèi)用能的80%以上[4]。

近年來很多學(xué)者對既有建筑的能耗測量進(jìn)行了研究。鄧琴琴等人[5]對4種不同的圍護(hù)結(jié)構(gòu)建筑進(jìn)行了能耗測試，測試結(jié)果表明外保溫結(jié)構(gòu)能有效削弱建筑的熱橋效應(yīng)，減少熱量流失。秦力等人[6]對學(xué)生公寓的建筑能耗進(jìn)行了測試，發(fā)現(xiàn)圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)超標(biāo)同時(shí)室內(nèi)溫度過熱，存在著設(shè)計(jì)不合理等問題。馬鵬飛等人[7]對既有建筑的能耗進(jìn)行了測試分析，并分析了建筑朝向及位置對建筑能耗的影響。根據(jù)檢索的資料可知，目前對東北不同類型農(nóng)宅的供熱能耗，還沒有系統(tǒng)全面的比較測試。

本文選取了吉林省榆樹縣于家鎮(zhèn)五家村3棟農(nóng)宅作為測試對象，連續(xù)測試了冬季室內(nèi)外溫度變化以及維持室內(nèi)溫度的耗電量，計(jì)算分析能耗狀況，為北方農(nóng)宅的建筑節(jié)能提供理論依據(jù)。

2 被測農(nóng)宅建筑概況

1號農(nóng)宅為新型節(jié)能型住宅，農(nóng)宅的東西向尺寸為12 m，南北向尺寸為8 m，高4 m。外墻厚度為500 mm，外墻為240 mm厚非粘土實(shí)心磚墻+100 mm厚EPS苯板與120 mm厚非粘土實(shí)心磚墻+內(nèi)、外抹灰。外窗為雙層玻璃窗，長2.7 m，高1.8 m，南北各3個，尺寸相同。外門1個，寬0.9 m，高2.4 m。地面采取了相關(guān)的保溫措施(50 mm厚的EPS苯板+50 mm厚混凝土+面層等，共厚110 mm)，第一地帶面積80 m2，第二地帶面積32 m2。屋面也采取了保溫措施(100 mm厚的EPS苯板+石膏板+水泥砂漿+油毛氈)。

2號農(nóng)宅的東西向尺寸為14 m，南北向尺寸為8.5 m，高3 m。外墻結(jié)構(gòu)與1號農(nóng)宅相同，外窗和外門類型、尺寸、數(shù)量也均與1號農(nóng)宅相同。屋面、地面未采取保溫措施，地面第一地帶面積90 m2，第二地帶面積42 m2，第三地帶面積3 m2。

3號農(nóng)宅的東西向尺寸為11.5 m，南北向尺寸為8 m，高2.8 m。外墻為370 mm普通磚墻。玻璃窗為單層塑鋼窗，南北各2個，尺寸相同，長1.5 m，高1.5 m。外門1個，寬0.9 m，高2.2 m，外門兩側(cè)的小窗已被封死。屋面、地面均未采取保溫措施，地面第一地帶面積78 m2，第二地帶面積30 m2。3棟被測農(nóng)宅建筑的外觀分別見圖1～3。

圖1 1號農(nóng)宅外觀

圖2 2號農(nóng)宅外觀

圖3 3號農(nóng)宅外觀

3 測試原理與方案

3.1 建筑物室內(nèi)、外溫度測點(diǎn)布置及數(shù)據(jù)處理

建筑物內(nèi)每個臥室和客廳各布置一個室溫測點(diǎn)(共布置了3個室溫測點(diǎn))，建筑室外布置一個溫度測點(diǎn)。采用溫度采集記錄器(見圖4)對室內(nèi)、外溫度同步測量，記錄時(shí)間間隔為5 min。后續(xù)進(jìn)行建筑耗熱量計(jì)算時(shí)的室內(nèi)外溫度取測試得到的室內(nèi)外平均溫度。

圖4 溫度采集記錄器

3.2 墻體傳熱系數(shù)測試

對農(nóng)宅外墻進(jìn)行了傳熱系數(shù)測量。在現(xiàn)場采用熱阻式熱流計(jì)(包含熱流傳感器、溫度傳感器)進(jìn)行測量。熱流傳感器采用粘貼式安裝，安裝在墻體的內(nèi)表面上，為避免形成空氣熱阻，采用凡士林粘貼。溫度傳感器安裝在被測墻體兩側(cè)表面，熱電偶與被測表面的接觸形式采用等溫線接觸。

墻體熱流密度及其內(nèi)、外表面溫度測量數(shù)據(jù)采用BES-G智能多路溫度、熱流檢測儀(見圖5)自動儲存，記錄時(shí)間間隔為15 min。利用測量獲得的墻體內(nèi)外表面溫度差以及墻體熱流密度，即可求得墻體的熱阻，進(jìn)一步得到墻體的熱導(dǎo)率，然后結(jié)合對流傳熱系數(shù)得到總的傳熱系數(shù)。

圖5 BES-G智能多路溫度、熱流檢測儀

3.3 建筑物累計(jì)耗能量測試

被測農(nóng)宅采用電散熱器分時(shí)段間歇供暖(每天22：00至次日5：00 運(yùn)行)，采用三相電能表集中計(jì)量檢測持續(xù)時(shí)間內(nèi)電散熱器的累計(jì)耗電量。

3.4 測試方案及儀器

本次農(nóng)宅能耗測試的時(shí)間段為：2017年11月20日至2017年12月2日。測試期間通過在室內(nèi)布置電散熱器供暖以維持室內(nèi)溫度，采用電散熱器的總耗電量作為農(nóng)宅總能耗。總耗電量測量結(jié)束后，通過下式計(jì)算建筑物單位面積能耗：

(1)

式中Φ——建筑物單位面積能耗，W/m2

Q——檢測持續(xù)時(shí)間內(nèi)建筑物的累計(jì)耗電量，MJ

A——建筑物總建筑面積，m2

t——檢測持續(xù)時(shí)間，h

在測試過程中，由于室內(nèi)溫度存在波動，不能保證不同農(nóng)宅的室內(nèi)外溫差相同，因此將能耗計(jì)算結(jié)果折算到標(biāo)準(zhǔn)氣象條件下，以進(jìn)行不同農(nóng)宅的能耗對比。計(jì)算方法如下：

(2)

式中Φb——折算到標(biāo)準(zhǔn)氣象條件下建筑物的單位面積供暖能耗,簡稱折算單位面積供暖能耗,W/m2

θi——室內(nèi)計(jì)算溫度，℃，取18 ℃

θeh——供暖室外平均溫度，℃，查得榆樹縣供暖室外平均溫度為-9.5 ℃

θia、θea——檢測持續(xù)時(shí)間內(nèi)建筑物的平均室溫、室外平均溫度，℃

測試過程中所用儀器的型號、誤差范圍等基本信息見表1。

表1 測量儀器基本信息

4 農(nóng)宅實(shí)測結(jié)果分析

4.1 室外溫度變化

測試期間室外溫度呈周期性變化，見圖6，室外平均溫度為-10.6 ℃，最高溫度為10.04 ℃，最低溫度為-21.02 ℃。

圖6 測試期間室外溫度變化曲線

4.2 室內(nèi)溫度變化

隨著室外氣溫的變化，室內(nèi)溫度也呈現(xiàn)出周期性變化，且變化趨勢與室外溫度大致相同，見圖7。前幾日室外溫度較高時(shí)，室內(nèi)溫度也相對較高，隨后溫度有所下降，且波動趨于平穩(wěn)。測試1號、2號和3號農(nóng)宅的室內(nèi)平均溫度分別為14.75 ℃、11.99 ℃、10.86 ℃，均低于民用建筑冬季供暖的室內(nèi)設(shè)計(jì)最低溫度16 ℃，說明室內(nèi)熱舒適性存在提升的空間。

圖7 測試期間室內(nèi)溫度變化曲線

4.3 農(nóng)宅能耗測試結(jié)果分析

測試期間1號農(nóng)宅電散熱器用電3 179.48 MJ，2號農(nóng)宅電散熱器用電5 592.6 MJ，3號農(nóng)宅電散熱器用電6 560.6 MJ，將實(shí)測得到的用電量代入公式(1)即可得到3棟農(nóng)宅的實(shí)測能耗。

能耗計(jì)算時(shí)，地面耗熱量采用地帶法計(jì)算(只需要考慮保溫層的厚度和傳熱系數(shù))，苯板的傳熱系數(shù)為0.042 W/(m2·K)；外墻耗熱量根據(jù)實(shí)測的墻體傳熱系數(shù)計(jì)算；屋面耗熱量計(jì)算時(shí)傳熱系數(shù)取0.41 W/(m2·K)；門窗耗熱量計(jì)算時(shí)傳熱系數(shù)取2.7 W/(m2·K)；總耗熱量為以上各項(xiàng)計(jì)算結(jié)果之和。3棟農(nóng)宅的實(shí)測能耗及分項(xiàng)耗熱量計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 3棟農(nóng)宅的實(shí)測能耗及分項(xiàng)耗熱量計(jì)算結(jié)果 W/m2

計(jì)算總耗熱量與實(shí)測能耗之間存在差異的原因主要是在計(jì)算耗熱量時(shí)未考慮冷風(fēng)滲透耗熱量。表2中不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算耗熱量的對比結(jié)果顯示外墻耗熱量占總耗熱量的比例較高。對墻體傳熱系數(shù)的測量結(jié)果顯示，3號農(nóng)宅的墻體傳熱系數(shù)為1.07 W/(m2·K)，而1、2號農(nóng)宅的新型保溫墻體傳熱系數(shù)為0.38 W/(m2·K)，比3號農(nóng)宅減少了70%。體現(xiàn)在外墻耗熱量上是1、2號農(nóng)宅相對于3號農(nóng)宅分別減少了45.3%、64.0%，可見采用保溫墻體能有效降低通過外墻的耗熱量，從而降低能耗。

為修正不同室內(nèi)溫度對能耗的影響，將不同農(nóng)宅的實(shí)測能耗根據(jù)式(2)折算到標(biāo)準(zhǔn)氣象條件下，然后進(jìn)行對比。折算單位面積供暖能耗對比見圖8。

圖8 折算單位面積供暖能耗對比

由圖8可知，2號農(nóng)宅相較于3號農(nóng)宅，由于采用了保溫墻體，可以有效減少通過外墻的熱量損失，單位面積能耗降低了33.8%。1號農(nóng)宅相對于2號農(nóng)宅，由于對地面以及屋頂進(jìn)行了保溫處理，單位面積能耗降低了35.0%。相比于3號農(nóng)宅這種傳統(tǒng)民居，采用保溫墻體的2號農(nóng)宅以及采用保溫墻體和地面、屋頂保溫的1號農(nóng)宅能有效降低單位面積供暖能耗。因此對圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行保溫處理可以有效降低建筑能耗，以達(dá)到節(jié)能減排的目標(biāo)。

5 結(jié)論

① 1號、2號和3號農(nóng)宅的室內(nèi)平均溫度分別為14.75 ℃、11.99 ℃、10.86 ℃，可見通過改善圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫性能可以有效地改善室內(nèi)熱環(huán)境。

② 相比于3號農(nóng)宅無保溫的墻體，1、2號農(nóng)宅均采用保溫墻體，能有效降低墻體傳熱系數(shù)，減少通過外墻的熱量損失。

③ 1、2號農(nóng)宅與3號農(nóng)宅對比，折算單位面積供暖能耗分別降低56.9%、33.8%，證明傳統(tǒng)農(nóng)宅存在很大的節(jié)能潛力，對圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行保溫能有效降低單位面積能耗，達(dá)到節(jié)能減排的目標(biāo)。