新疆地區既有農宅被動式改造與供暖初期運行效果分析

李 潔，徐 鑫，姚新強，趙家偉

(石河子大學水利建筑工程學院，石河子 832003)

截至2017年，新疆地區主要能源消費仍以煤炭消費為主，煤炭消費占能源消費總量的66.5%，其中用于供熱的煤炭消費折合標準煤可達2 745×104t[1]。冬季采暖期間大量化石燃料的消耗，不僅是大量一次能源的浪費，還對環境造成了極大的破壞。隨著城鎮化建設的加速，眾多學者關注到分散式燃煤供暖的農村地區[2]，建筑節能設計尤其是被動式設計技術對于改善農村地區建筑采暖能耗現狀是不可忽視的[3-6]。針對新疆地理環境的附加陽光間[7]、被覆結構蓄熱[8]、集熱墻耦合地下室系統[9]等被動式設計方案被相繼提出并發展。但目前新疆農村既有住宅圍護結構缺乏有效的保溫措施，在被動式改造之前也亟待開展外圍護結構節能改造。因此，在落實目前被動式技術過程中，如何將外圍護改造與被動式改造相結合，提升農宅太陽能的利用效率是一個值得研究的問題。

以石河子地區的既有農宅為研究對象，根據石河子地區氣候條件，從外圍護結構保溫和南墻被動式改造兩方面對其進行被動式節能改造設計；在改造前后的冬季供暖初期，對其進行室內熱環境測試，并針對改造后農宅測試其圍護結構耗熱量變化，檢驗供暖初期被動式供暖運行節能效果。以期通過本試驗既有農宅被動式改造的經驗，為新疆地區既有農宅的改造工作提供實踐參考依據。

1 既有農宅概況

設計改造的對象為新疆石河子市郊區某既有農宅。該農宅坐北朝南，層高為3.0 m，建筑面積為93.34 m2，窗墻面積比為：南向0.25，北向0.13，東向0.10，建筑體型系數為0.742。由于建成時間較長，其圍護結構相對老舊且基本沒有保溫措施，如屋面的防水層、窗戶玻璃及外墻勒腳等個別部位已經破損嚴重。其圍護結構經過實地調查如表1所示，根據《嚴寒和寒冷地區居住建筑節能設計標準》(JGJ 26—2010)的要求[10]，低于三層的居住建筑其屋面、外墻、周邊地面和外窗的傳熱系數的限值分別為0.30、0.35、0.20、1.8 W·m-2·K-1，該建筑各圍護結構性能均不能滿足節能設計標準的要求。

表1 改造前農宅圍護結構情況

2 農宅改造方案

2.1 外圍護結構改造方案

對于嚴寒地區，夏季制冷需求相比冬季采暖需求要小很多，節能改造措施應主要考慮冬季保溫問題[11]。農宅外墻總面積127.47 m2，采用粘貼 80 mm 厚聚苯乙烯(EPS)板薄抹灰涂料飾面的做法，傳熱系數為0.28 W·m-2·K-1；屋面總面積87.93 m2，在原保溫構造的基礎上，鋪設100 mm厚的擠塑聚苯乙烯(XPS)板和 80 mm 厚的細石混凝土，傳熱系數為0.34 W·m-2·K-1；同時，地面鋪設40 mm厚的XPS板并做50 mm厚的細石混凝土找平，傳熱系數為0.17 W·m-2·K-1；相比于外墻與屋面，外窗面積為17.01 m2，選用75系列鋼鋁塑復合框的低輻射玻璃窗。傳熱系數為1.63 W·m-2·K-1。改造后的農宅南立面如圖1所示。

圖1 農宅南立面

2.2 南墻被動式改造方案

由于新疆風沙較大，被動式改造時不宜采用改造附加陽光間，而選用集熱墻式改造較為實用[12]。改造方案如圖2所示，實體墻式集熱墻通常是利用建筑南立面的外墻，在其表面涂以高吸收系數的無光深色涂料，并以密封的玻璃蓋板覆蓋而成。為了高效利用太陽能，合理的空氣間層和通風口設計是增強集熱能力的關鍵[13]。

圖2 農宅被動式改造方案

冬季，被集熱墻吸收的太陽輻射熱會通過兩種途徑傳入室內：其一是通過墻體熱傳導和墻體內表面通過對流及輻射將熱量傳入室內；其二主要由玻璃內表面和集熱墻外表面通過對流方式將熱量傳給夾層空氣，再由被加熱后的夾層空氣傳入將熱量室內，達到升溫的目的。因此，集熱墻供給室內的瞬時供熱量可表示為[14]

qcg=qcod+qcov

(1)

式(1)中：qcg為集熱墻供給室內的瞬時供熱量，W；qcod為經集熱墻傳導進入室內的熱量，W；qcov為經上下通風口自然對流進入室內的熱量，W。qcod和qcov可分別按式(2)及式(3)進行計算：

qcod=λ(Tm-Tr)

(2)

(3)

(4)

式(4)中：Ag、Av分別為空氣間層橫斷面積和集熱墻上、下風口面積，m2；h為上下通風口中心之間的垂高，m；g為重力加速度，m·s-1。

根據上述公式，可得出集熱墻供給室內的瞬時供熱量與三個因素有關，即因素A(集熱墻上、下通風口直徑)、因素B(空氣間層厚度)、因素C(上、下通風口距離)。因此，以瞬時太陽輻射量在500 W·m-2，室內溫度在14 ℃為前提條件，引入正交模擬計算的方法[16]，每個因素取三個水平。正交模擬計算結果如表2所示。

表2 正交模擬計算結果

采用瞬時供熱量的平均值大小來反映同一個因素的各個不同水平對瞬時供熱量影響的大小，同時用同一因素各水平下平均瞬時供熱量的極差R來反映各因素的水平變動對瞬時供熱量影響的大小。由表2得到因素的主次順序依次為通風口直徑(因素A)、上下通風口距離(因素C)、空氣間層間距(因素B)。并得出最優的改造方案為A3B2C3，即在通風口直徑選取150 mm，空氣間層間距選取100 mm，上下通風口距離選取 2.5 m 時，集熱墻可獲得最佳的瞬時供熱量。

3 試驗方法

根據外圍護結構改造方案和南墻被動式改造方案，試驗農宅在2018年9月完成了改造工作，改造后的農宅外景圖如圖3所示。為測試改造后運行效果，采用短期詳細測試的方法，測試時間為2017年11月和2018年11月，分別測試試驗農宅改造前后供暖初期的熱工性能，試驗建筑的測點布置見圖4。改造前后室內壁面溫度的測點和熱流測點由JTSOFT-DL溫度與熱量動態數據采集系統監測；室內溫濕度由記錄；通風口風速采用JTR07B多通道微風測試儀記錄；JTR08多通道溫濕度測試儀每隔30 min記錄室內房間溫濕度數據；室外環境數據由Vantage Pro2型自動氣象站自動采集。測試儀器及參數精度如表3所示。

圖3 改造后的農宅外景圖

圖4 農宅平面測點布置

表3 測試儀器及參數精度

4 試驗結果與分析

4.1 農宅室內熱環境測試結果

如圖5所示，根據儀器測得的氣象資料，分別選取2017年11月22—24日和2018年11月14—16日兩組試驗數據進行分析，測試期間均為晴天，室外氣象條件平均氣溫為-14 ℃，低于本地區歷年同時期的平均溫度-11.1 ℃[17]。因此，本試驗條件相較本地區的典型氣候仍有一定的余量，能更好反映集熱墻在低溫環境下的運行效果[18]。

圖5 測試期間室外溫濕度變化

根據圖6所示，改造前和改造后農宅平均溫度分別為-0.7、10.2 ℃，改造后室內空氣溫度升溫明顯，且日間集熱墻集熱升溫效果明顯。由于室外氣溫遠低于室內氣溫，農宅南向臥室在沒有太陽輻射的情況下降溫很快，日夜溫度波動在可達6 ℃。

分析改造后農宅日間通風口分別為開啟和關閉狀態的太陽間和對比間可以發現，開啟通風口的太陽間升溫效果要好于對比間。當通風口白天開啟時，氣流將集熱墻空氣間層的熱量通過對流方式傳入室內，室內平均溫度較通風口關閉時高1 ℃左右；而通風口關閉時，白天集熱墻接收到的熱量只能通過墻體傳熱進入室內，因此，通風口關閉時夜間室溫波動較開啟時小。

圖6 測試期間室內空氣溫度變化

4.2 農宅集熱墻被動式采暖測試結果

為評估改造后農宅的被動式采暖效果，選取2018年11月14日作為典型運行工況進行分析。其集熱墻集熱效果隨時間的變化如表4所示。

由表4可知，集熱墻集熱效果隨太陽輻射強度增強而增強，空氣間層的溫度和上通風口氣流的平均風速均在太陽輻射最強時達到最高，此時集熱墻的集熱效率是最高的。同時，當太陽輻射極低時，空氣間層溫度會迅速下降，此時應將通風口關閉，防止室內熱量向外流失[19]。

試驗時間段內農宅圍護結構熱流變化如圖7所示，農宅圍護結構熱流在夜間波動不大，但白天受到太陽輻射的影響，北墻和窗戶部位熱流隨太陽輻射強度的增加而減小。在改造后，外窗仍是建筑保溫的薄弱處，平均熱流密度為31.65 W·m-2。通過實測熱流計算圍護結構耗熱量以及冷風滲透損失，可知典型日的建筑耗熱量為256.82 MJ·d-1。

如圖8所示，由于外墻外表面增設隔熱性能較好的EPS板，墻體傳熱量較小，集熱墻導入室內的熱量較少，墻體平均熱流密度在3.1 W·m-2。而通風口對流得熱的瞬時得熱量最高可接近70 W·m-2，是農宅被動式采暖的熱量主要來源。在天氣晴好的情況下，綜合計算墻體傳熱量和通風口自然對流得熱量，集熱墻向室內的供熱量可達 42.6 MJ·d-1。

圖7 不同時刻圍護結構熱流密度變化

圖8 集熱墻向室內的瞬時供熱量變化

4.3 農宅被動式改造后節能分析

研究發現新疆地區供暖初期太陽輻射較充足，農宅改造前后的兩個試驗月太陽輻射量大于 4 MJ·d-1·m-2的晴天數分別可達到26、24 d。不同于大雪頻繁的供暖中期，長期的晴天非常有利于被動式集熱墻的集熱。表5為試驗農宅在兩個試驗月的供暖運行效果。

表5 供暖初期農宅供暖運行效果

注：燃煤供暖熱效率為50%[20]，耗煤量折算標準煤系數為 0.714 3 kgce·kg-1；CO2排放量為2.71 g·kgce-1。

從表5可以看出，在相近的測試環境下，改造前非節能農宅的日均圍護結構耗熱量高達577.65 MJ·d-1；而在改造后，日均圍護結構耗熱量降低至228.46 MJ·d-1，僅為改造前的39.55%。測試期間，改造后耗煤量折合成標煤相比改造前降低了 29.73 kgce·d-1，僅為改造前的34.86%。被動式供熱為 27.07 MJ·d-1，降低了11.85%的供暖能耗。以上數據可以表明，既有農宅外圍護改造是建筑節能的基礎，僅有被動式改造遠遠不能滿足節能農宅的耗熱量要求，被動式改造在農宅圍護結構滿足節能要求的基礎上可以取得良好的節能效果。

5 結論

針對新疆地區既有農宅外圍護結構保溫改造和被動式改造相結合的設計方案，通過對改造前后農宅室內熱環境和被動式改造后采暖效果的測試，得出以下結論。

(1)通過對新疆地區既有農宅的被動式改造分析可知，在進行農宅南墻被動式設計時，在通風口直徑選取150 mm，空氣間層間距選取100 mm，上下通風口距離選取2.5 m時，集熱墻可獲得最佳的瞬時供熱量。

(2)完成外保溫改造的被動式集熱墻，墻體傳熱量較小，墻體平均熱流在3.1 W·m-2。在而通風口對流得熱的瞬時得熱量最高時可接近70 W·m-2，能有效提升農宅日間平均氣溫，是農宅被動式采暖的熱量主要來源。

(3)對于目前新疆地區農村住宅存在的一系列問題，有針對性地從外圍護結構改造和南墻被動式改造兩方面入手。在相同的環境溫度下，改造后的室內溫度相比改造前，提升溫度可達10.9 ℃。供暖初期，農宅改造后的耗煤量降低至改造前的34.86%，被動式供熱降低了11.85%的供暖能耗。在供暖初期，被動式改造后的農宅具有明顯的節能效果，所需維持室內溫度的輔助熱量大幅降低，為本地區其他農村住宅被動式改造提供了改造方案和運行經驗。