農村住宅建筑熱負荷影響因素分析

畢海靜

（張家口飛揚新能源科技有限公司 河北張家口 075000）

引言

農村居民住宅面積隨著新農村建設的不斷發展和人民生活水平的提高而迅速增加。農村供熱需求不斷增加。56%以上的農村能源消耗來自于北方，這其中有80%消耗在了供暖上。大多數農村建筑沒有隔熱，且一般采用分布式供暖，供暖設施相對落后，地區供熱能耗高，污染嚴重[1]。以北京典型農村建筑為例，通過計算不同室內設計溫度和不同圍護結構下建筑物的熱負荷，研究影響建筑熱負荷的主要因素[2]。

1 農村供暖的現狀

1.1 供暖能耗

在農村居民的日常生活中，供熱能耗占比最大，占國內能源消費的59%。北京農村住宅單位面積熱能消耗為28.3km/m2。但在室內溫度方面，農村住房遠遠低于城市建筑的供暖能耗14.6kg/m2。主要原因是，在北京80%以上的農村住宅是體形因子為0.8 以上，超過城鎮住宅的2 倍以上。實心粘土磚是墻體材料的主流選擇，其隔熱和氣密性能極差，因此是減少農村供暖能耗和改善農村居住舒適度可以從隔熱性著手。在供暖所使用的能源種類方面，90%以上的農村住戶選擇煤，剩余的10%則包含了木柴、天然氣和沼氣等。這種不合理能耗結構，與國家節能減排的戰略方針相悖[3]。

1.2 設備使用情況

表1 顯示了2015 年至2018 年北京農村居民使用的各種供暖設備的比例，其中的“其他供暖設備”主要包含加熱裝置包括電加熱器、燃氣壁爐等。根據表1 中的數據，土暖氣是在當下農村住戶使用最廣泛的加熱設備；其次是火炕，由于歷史遺留的原因，使用量仍然較高，但在國家的倡導下土暖氣與火炕的使用比例總體呈逐年下降趨勢。熱泵空調等供暖設備比例的不斷提高，隨著當地人民的生活水平逐步提高，人們對供暖質量的要求越來越高，新供暖設備的使用也逐年增加。

表1 2015-2018 年北京農村居民各種類型供暖設備的使用比例（百分比）

2 寒冷地區農村主要的供暖方式

在寒冷地區，冬天室外溫度極低，且由于房屋建筑材料的隔熱性能差，房間內的熱量損失過大，因此房間需要持續加熱，以滿足人體的熱舒適性需求。室內加熱系統通過熱輻射提供較高的溫面，保持較高的平均室溫。在農村地區住宅密度低，單戶和單院住宅是主流模式，如果采用集中供暖，在傳輸過程中的熱量損失顯著，因此并不適合城市地區的集中供熱，分布式的自供暖方式成為了必由之路。農村住戶的分布式自供暖方式主要分為火炕、土暖氣和火爐三種形式[4]。

2.1 火炕采暖

在我國寒冷地區，火炕是最常見的農村供暖方式。傳統的火炕主要是由磚形成，并且內置炕洞、爐灶和煙道。通過燃燒秸稈等常見可燃物使得熱量沿著煙道實現對于炕板的加熱[5]。由于煙囪效應，廚房空氣通過熱壓的作用進入爐子，熱煙和空氣流通過煙道加熱炕板，充分利用了煙氣的余熱后向外排出。隨著農村建筑居住面積增加，對室內的潔凈度也有了一定的需求，更傾向于將爐子與火炕分離，通過煙道來傳遞煙氣進行加熱，同時可更好的利用炊事活動中所產生的熱能，提高能源的利用效率。近年來，農村居民對于熱舒適度有了進一步的要求，只有7%的家庭在冬季采用單一供暖方式。在傳統火炕中，主要是通過對于可燃物的直接燃燒來產生熱能，通氣量小、燃燒不充分且熱效率低。燃燒產生的煙氣、CO 和PM2.5 等有害物質不可避免的會有部分進入室內，在冬季通風不好的額條件下，嚴重威脅住戶的健康。

2.2 土暖氣—散熱器采暖

土暖氣是一種老式加熱系統，它依賴于由于溫度差異而導致的供水和回水之間的密度差異，而無需電氣設備。在寒冷地區，通過居民的烹飪余熱，對爐內盤管中的水進行加熱，通過熱水流經每個房間的散熱器將熱量交換到室內，與城鎮居民所使用的暖氣原理相類似。熱量以熱對流和熱輻射的形式傳遞到室內，以提高室內的環境溫度，從而加熱房間。與其他農村供暖方式相比，土暖氣不僅可以顯著改善室內潔凈度，還避免了有害氣體和顆粒物對住戶的健康威脅。

2.3 火爐采暖

爐子用木柴或燃煤來實現室內供暖，熱量主要來自三部分：第一部分是爐內高溫，通過熱輻射和熱對流進行熱交換；第二部分是燃料通過燃燒產生的高溫煙氣流經煙道，其中有部分熱量被釋放到房間內；最后一部分來自火爐燒水，水沸騰產生的蒸汽對室內的加熱。

與土暖氣相比，將煤爐放置在室內，減少過程中的散熱，具有更高的熱效率。然而，煤爐中的煤很難充分燃燒，一氧化碳氣體被釋放到室內，有爆炸的隱患并且當一氧化碳濃度達到一定水平后人體已因缺氧死亡，難以自救。因此在北方農村火爐采暖使用較少。

3 熱負荷計算

考慮到北方建筑的結構特點，根據實際情況，在北京的典型農村建筑中選取建筑面積為70 平方米的農村住宅。農村房屋多為獨門獨戶，建筑物大多為1-2 層，因此其形狀因子通常為0.58至0.88。選取的典型農村住宅的形狀因子為0.83。

3.1 室內熱負荷

3.1.1 通過圍護結構耗熱

室內熱負荷計算中包括的參數是冬季室內外溫度、基本熱損失、圍護結構傳熱系數和傳熱面積。圍護結構耗熱可用如下公式表示：

3.1.2 圍護結構附加耗熱

圍護結構的附加耗熱是通過特定的環境參數修正所計算的耗熱量，可用如下公式表示：

相關參數為：方向校正，風校正系數，雙面外墻校正，高度加成因子和間歇加成因子。

3.1.3 冷風滲透耗熱

通過門和窗戶之間的間隙穿過房間的空氣總量以及空氣密度，計算冷風滲透所造成的熱消耗：

3.1.4 冷風侵入耗熱

冷風侵入造成的熱消耗主要與冷空氣的涌入有關：

3.2 熱負荷影響因素

3.2.1 圍護結構影響

根據以上計算結果，可以確定每種圍護結構在16℃的條件下的熱負荷，并且負載與每個保持結構的總熱負荷的比率如圖1所示。

圖1 各圍護結構占總熱負荷的比例

從圖中可以看出，外墻在總熱負荷的比例最高為55%，排在第二位的是屋面為18%，隨后是外窗為14%，地面為11%，占比最少的外門僅為2%。根據農村家庭的習慣，經常出入各房間，玄關的門不在考慮范圍內。

3.2.2 外墻結構對建筑熱負荷的影響

在寒冷的農村地區，外墻通常沒有隔熱層，即便是在新建住宅。一方面，由于在設計和施工階段缺少專業人員的技術指導；另一方面則是，農村居民有著相當強的從眾心態，對節能的意識較為淡薄。根據計算，其他支撐結構參數不變，對外墻采取保溫措施，建成住宅的熱負荷后建筑物的熱負荷顯著降低，若采用實心磚墻，熱負荷降幅可達37.8%，主要是由于建筑物的墻壁面積較大。因此，在寒冷地區，有必要對農村地區的外墻采取隔熱措施。

3.2.3 外窗對建筑熱負荷的影響

北京農村住宅的外窗框材料主要有木窗、鋁合金窗以及塑鋼窗；外窗玻璃主要為單層玻璃和雙層玻璃。總體上，雙層窗的隔熱性能要優于單層窗，從經濟性以及保溫性能兩個方面來考慮，建議冬季使用雙層玻璃的木窗。在北京農村新建住宅和翻修住宅中鋁合金窗和塑鋼窗逐年增多。在這兩種外窗中，中空玻璃的絕佳隔熱性能可利于減少熱量散失，以達到節能減排的目標，居民可按經濟能力進行選擇。

3.2.4 屋面對建筑熱負荷的影響

北京地區農村住宅的屋頂按照主要分為平坦和斜坡兩種形式，同時按照材質又可分為混凝土和木質兩種。其中，新住宅中混凝土屋頂居多，木質屋頂則主要是老舊房屋。按照農村居民的生活習慣，混凝土材質的屋頂砌成平屋頂形式，有利于晾曬谷物，但造價更高；另一方面，木質材料主要用于傾斜屋頂，木屋頂相對便宜。屋頂隔熱層的性能與建筑的熱負荷負相關，使用聚苯乙烯板增加屋頂隔熱可以將建筑物的熱負荷降低近7%。屋頂面積遠小于外墻面積，隔熱的影響相較外墻更低。

3.2.5 地面對建筑熱負荷的影響

北方農村住宅地面多采用水泥地面和磚鋪地面，基本沒有隔熱性可言。隨著農村住戶對于熱舒適度的需求逐漸增長，逐漸意識到風濕病和關節炎等疾病與室內地面溫度的關聯性，增強室內地面的保溫性能是必要的。

結語

農村的三種傳統供暖方式已經落伍，難以滿足當下的需求。本文從結構調整和供熱系統轉換的角度，提出了農村建筑結構優化的思路，并根據我國北方地區農村的資源條件和經濟條件提出四種可行、高效的供暖系統，可切實改善農村寒冷季節供暖的能耗問題。