北方農村住宅供熱能耗實測與分析

于克成， 譚羽非， 李佳楠

(1.哈爾濱工業大學 建筑學院, 黑龍江 哈爾濱 150006； 2.寒地城鄉人居環境科學與技術工業和信息化部重點實驗室， 黑龍江 哈爾濱 150090)

1 概述

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

近年來很多學者對既有建筑的能耗測量進行了研究。鄧琴琴等人[5]對4種不同的圍護結構建筑進行了能耗測試，測試結果表明外保溫結構能有效削弱建筑的熱橋效應，減少熱量流失。秦力等人[6]對學生公寓的建筑能耗進行了測試，發現圍護結構傳熱系數超標同時室內溫度過熱，存在著設計不合理等問題。馬鵬飛等人[7]對既有建筑的能耗進行了測試分析，并分析了建筑朝向及位置對建筑能耗的影響。根據檢索的資料可知，目前對東北不同類型農宅的供熱能耗，還沒有系統全面的比較測試。

本文選取了吉林省榆樹縣于家鎮五家村3棟農宅作為測試對象，連續測試了冬季室內外溫度變化以及維持室內溫度的耗電量，計算分析能耗狀況，為北方農宅的建筑節能提供理論依據。

2 被測農宅建筑概況

1號農宅為新型節能型住宅，農宅的東西向尺寸為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厚非粘土實心磚墻+100 mm厚EPS苯板與120 mm厚非粘土實心磚墻+內、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。外墻結構與1號農宅相同，外窗和外門類型、尺寸、數量也均與1號農宅相同。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棟被測農宅建筑的外觀分別見圖1～3。

圖1 1號農宅外觀

圖2 2號農宅外觀

圖3 3號農宅外觀

3 測試原理與方案

3.1 建筑物室內、外溫度測點布置及數據處理

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

圖4 溫度采集記錄器

3.2 墻體傳熱系數測試

對農宅外墻進行了傳熱系數測量。在現場采用熱阻式熱流計(包含熱流傳感器、溫度傳感器)進行測量。熱流傳感器采用粘貼式安裝，安裝在墻體的內表面上，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、外表面溫度測量數據采用BES-G智能多路溫度、熱流檢測儀(見圖5)自動儲存，記錄時間間隔為15 min。利用測量獲得的墻體內外表面溫度差以及墻體熱流密度，即可求得墻體的熱阻，進一步得到墻體的熱導率，然后結合對流傳熱系數得到總的傳熱系數。

圖5 BES-G智能多路溫度、熱流檢測儀

3.3 建筑物累計耗能量測試

被測農宅采用電散熱器分時段間歇供暖(每天22：00至次日5：00 運行)，采用三相電能表集中計量檢測持續時間內電散熱器的累計耗電量。

3.4 測試方案及儀器

本次農宅能耗測試的時間段為：2017年11月20日至2017年12月2日。測試期間通過在室內布置電散熱器供暖以維持室內溫度，采用電散熱器的總耗電量作為農宅總能耗?？偤碾娏繙y量結束后，通過下式計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——檢測持續時間內建筑物的累計耗電量，MJ

A——建筑物總建筑面積，m2

t——檢測持續時間，h

在測試過程中，由于室內溫度存在波動，不能保證不同農宅的室內外溫差相同，因此將能耗計算結果折算到標準氣象條件下，以進行不同農宅的能耗對比。計算方法如下：

(2)

式中Φb——折算到標準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——室內計算溫度，℃，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——檢測持續時間內建筑物的平均室溫、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 農宅實測結果分析

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 室內溫度變化

隨著室外氣溫的變化，室內溫度也呈現出周期性變化，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，室內溫度也相對較高，隨后溫度有所下降，且波動趨于平穩。測試1號、2號和3號農宅的室內平均溫度分別為14.75 ℃、11.99 ℃、10.86 ℃，均低于民用建筑冬季供暖的室內設計最低溫度16 ℃，說明室內熱舒適性存在提升的空間。

圖7 測試期間室內溫度變化曲線

4.3 農宅能耗測試結果分析

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

能耗計算時，地面耗熱量采用地帶法計算(只需要考慮保溫層的厚度和傳熱系數)，苯板的傳熱系數為0.042 W/(m2·K)；外墻耗熱量根據實測的墻體傳熱系數計算；屋面耗熱量計算時傳熱系數取0.41 W/(m2·K)；門窗耗熱量計算時傳熱系數取2.7 W/(m2·K)；總耗熱量為以上各項計算結果之和。3棟農宅的實測能耗及分項耗熱量計算結果見表2。

表2 3棟農宅的實測能耗及分項耗熱量計算結果 W/m2

計算總耗熱量與實測能耗之間存在差異的原因主要是在計算耗熱量時未考慮冷風滲透耗熱量。表2中不同圍護結構計算耗熱量的對比結果顯示外墻耗熱量占總耗熱量的比例較高。對墻體傳熱系數的測量結果顯示，3號農宅的墻體傳熱系數為1.07 W/(m2·K)，而1、2號農宅的新型保溫墻體傳熱系數為0.38 W/(m2·K)，比3號農宅減少了70%。體現在外墻耗熱量上是1、2號農宅相對于3號農宅分別減少了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。

為修正不同室內溫度對能耗的影響，將不同農宅的實測能耗根據式(2)折算到標準氣象條件下，然后進行對比。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號農宅相較于3號農宅，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號農宅相對于2號農宅，由于對地面以及屋頂進行了保溫處理，單位面積能耗降低了35.0%。相比于3號農宅這種傳統民居，采用保溫墻體的2號農宅以及采用保溫墻體和地面、屋頂保溫的1號農宅能有效降低單位面積供暖能耗。因此對圍護結構進行保溫處理可以有效降低建筑能耗，以達到節能減排的目標。

5 結論

① 1號、2號和3號農宅的室內平均溫度分別為14.75 ℃、11.99 ℃、10.86 ℃，可見通過改善圍護結構的保溫性能可以有效地改善室內熱環境。

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

③ 1、2號農宅與3號農宅對比，折算單位面積供暖能耗分別降低56.9%、33.8%，證明傳統農宅存在很大的節能潛力，對圍護結構進行保溫能有效降低單位面積能耗，達到節能減排的目標。