张瑞凤，王浩，刘际洲，叶泉，高瑞滢，赵鲁，徐振军
(青岛农业大学建筑工程学院，山东青岛 266109)
有关资料显示，2015年，中国农村居住建筑总建筑面积已达到238亿m2，与农村居住建筑相配套的能源设备消耗的能源达2.13亿t标准煤，占全国总建筑能耗的25%左右[1]。另据文献[2]报道，2016年，中国居住建筑运行能耗占全国建筑能耗的61.5%，其中城镇居住建筑能耗占37.7%，农村居住建筑能耗占23.7%。可以看出，农村居住建筑能耗占比有所下降，但农村居住建筑能耗总量并没有下降，而是呈逐年上升态势。近年来，中国经济继续以较高的速度平稳发展，农民收入水平也显著提高，尤其在2020年全国脱贫攻坚取得全面胜利后，农民对生活品质的要求越来越高，农村居住建筑面积越来越大，农民对居室内热湿环境的要求越来越高，能耗也越来越大。因此，农村建筑，尤其是农村居住建筑的节能问题应该受到更多的关注[3]。中国北方地区受地理位置、气候特点的影响，农村居住建筑的能耗主要体现在冬季供暖上，而农村居住建筑围护结构热工性能普遍较差，实现全面供暖能耗巨大[4]。众多的科研工作者针对建筑供暖进行了大量的研究，主要集中在建筑热工性能和能源种类等方面。Nair等[5]对瑞典的3 000栋居住建筑进行了调查，研究影响居住建筑能耗的因素，并提出降低能耗的有效方法；
Aste等[6]对农用建筑外墙的热惰性进行研究，发现了建筑外墙的热惰性和建筑能耗之间的关系，并给予量化；
Carrilho da Graça等[7]对一典型独栋住宅进行研究，并论证应用太阳能实现净零能耗的可行性；
Warren等[8]对美国采用天然气采暖的居住建筑进行研究时得出，采暖度日数和天然气采暖能耗呈线性关系。国内的研究一般聚焦在建筑的围护结构、能源利用形式等方面[9-11]。受农村经济发展水平限制，不可能立即对农村居住建筑围护结构热工性能进行大规模改造，而城市集中供暖模式又因热源、管网等前期投入巨大，不适宜在农村全面推广。本文在不改变农村居住建筑围护结构热工性能的条件下，采用理论计算和现场测试等方式，从建筑形式、局部供暖范围、简易太阳房的增设、室内供暖温度的改变等方面，研究农村居住建筑能源消耗规律，为农村居住建筑其他供暖方式的应用提供理论基础。
1.1 物理模型
如图1所示，典型农村居住建筑包括4个卧室和1个客厅，建筑面积约为85 m2，面宽10.6 m，进深8 m，高3 m，坡屋顶，正南正北朝向。该建筑可供四口之家居住，建筑结构尺寸及温度测点如图1所示。表1为农村居住建筑围护结构热工参数。
图1 物理模型平面图
表1 物理模型围护结构热工参数
1.2 能耗计算模型
选用了几种不同形式局部供暖农村居住建筑模型，分别记为N1、N2、N3、N4、N5、N6模型。N1、N2、N5、N6模型是对2个房间进行部分供暖，其中N1模型是对南向向阳面2个房间进行供暖，N2模型是对北向背阳面2个房间进行供暖，N5、N6模型是从南向向阳面房间和北向背阳面房间中各取1间进行供暖。N3模型是对南向向阳面2个房间及客厅进行供暖，N4模型是对北向背阳面2个房间及客厅进行供暖。计算模型如图2所示。
1.3 数学模型
农村居住建筑围护结构的基本耗热量为：
Qj=AjKj(tR-tow)a
(1)
式中：Aj，围护结构的传热面积，m2；
Kj，围护结构的传热系数，W·m-2·K-1；
tR，冬季供暖室内温度，℃；
tow，冬季供暖室外温度，℃；
a，围护结构的温差修正系数；
Qj，基本耗热量，kJ。
门窗缝隙渗入冷空气的耗热量为：
Qi=0.278Lρaocp(tR-tow)
(2)
式中：L，渗透冷空气量，m3·h-1；
ρao，空气密度，kg·m-3；
cp，空气定压热容，J·kg-1·K-1；
Qi，门窗渗透耗热量，kJ。
农村居住建筑室内空气温度场的通用微分方程为：
(3)
A. N1模型；
B. N2模型；
C. N3模型；
D. N4模型；
E. N5模型；
F. N6模型。
总热量利用热平衡原理计算，即：
Φ=Φ1+Φ2-Φ3-Φ4
(4)
式中：Φ，总热量，J；
Φ1，太阳辐射得热量，J；
Φ2，天空辐射得热，J；
Φ3，对流散热，J；
Φ4，表面辐射散热，J。
通过单层玻璃进入室内的太阳辐射热量可表述为：
Qg=τsb，iIb，i+τsdId+
[hn/(hn+hw)](αsb，iIb，i+αsdId)
(5)
式中：Qg，单层玻璃进入室内的太阳辐射热量，kJ；
τsb，i、αsb，i分别为单层玻璃对入射角为i的太阳直射辐射的透过率和吸收率；
τsd、αsd分别为单层玻璃对太阳散射辐射的透过率和吸收率；
Ib,i，投射到玻璃表面上的太阳直射辐射强度，W·m-2；
Id，投射到玻璃上的太阳散射辐射强度，W·m-2；
hn，单层玻璃初始温度，K；
hw，单层玻璃改变温度，K。
以山东省潍坊市某农村居住建筑作为研究对象，在计算能量消耗时，气象数据参数选用潍坊地区气象参数，在农村居住建筑内外进行图1所示8个温度测点布置，记录室内外温度变化。能耗计算仅考虑建筑物的供暖需求，未考虑建筑物的供冷、照明等的能耗[12]。农村居住建筑局部供暖能耗的影响因素较多，既有建筑自身热工因素(如房间的内外墙传热系数、热阻程度、窗户透光性等)，又有建筑外部影响因素(如有无被动式太阳房、局部供暖的供暖区域位置和面积、控制供暖温度等)，本文分析建筑外部影响因素对农村居住建筑局部供暖的影响。根据实际居住情况，只研究对2个或3个房间进行局部供暖的情况。
2.1 单一区域局部供暖对农村居住建筑日能耗的影响
在农村，坡屋顶建筑容易被人们广泛接受。如图3所示，坡屋顶农村居住建筑局部供暖时供暖位置对室内日能耗的影响较为明显，日能耗受房间控制供暖温度的影响较大。N1模型日能耗最低。在农村居住建筑阳面外围搭建玻璃(或透明塑料)与彩钢复合板等材料组合而成的被动式太阳房，室内温度为15～18 ℃，则农村居住建筑日能耗情况如图4所示。加装被动式太阳房后的农村居住建筑房间日能耗大于坡屋顶农村居住建筑，且室内温度的变化对日能耗的影响较大。
根据图3和图4，有被动式太阳房的农村居住建筑，向阳面房间局部供暖日能耗最低，室内温度为15 ℃时，日能耗仅为24.85 kW·h，明显低于坡屋顶的32.29 kW·h，降低约23%。若以2个房间(一个房间为向阳面，另一个房间为背阳面)作为局部供暖区域，2种建筑形式的能耗差值接近0。
图3 屋顶坡度对供暖能耗的影响
图4 搭建被动式太阳房前后室内温度变化对能耗的影响
2.2 局部供暖区域面积对农村居住建筑日能耗的影响
对2个房间或3个房间进行局部供暖，选取N1、N2、N5、N6模型，并以最常见的坡屋顶农村居住建筑进行计算。
如图5所示，增加局部供暖区域面积会对农村居住建筑能耗产生显著影响。室内温度为10 ℃，N1模型的日能耗为31.46 kW·h，N3模型的日能耗为45 kW·h，增加约43%；
N2模型日能耗为35.97 kW·h，N4模型的日能耗为49.37 kW·h，增加37%。增加局部供暖区域面积，能耗随室内温度的升高而明显升高，说明增加农村居住建筑供暖区域面积后，日能耗受室内温度影响的反馈更大。
图5 局部供暖区域面积和室内温度对能耗的影响
农村居住建筑在局部供暖条件下可以明显降低室内供暖能耗。单一供暖区域时，相同室内温度下，选择向阳面房间作为供暖区域比选择背阳面房间的能耗小。选择向阳面房间供暖时，能耗变化率最大；
选择背阳面房间供暖时，能耗变化率最小：能耗变化率相差20%～30%。室内温度相同时，农村居住建筑外围搭建被动式太阳房也可显著降低供暖能耗。供暖区域面积明显影响农村居住建筑能耗，增加供暖区域面积，能耗随室内温度升高明显增大，每增加一个供暖房间，日能耗增加30%～40%。