冀東沿海穿堂式農宅冬季室內熱濕環境實測及節能改造分析

張 峰 趙金玲 朱禹昊 韓 雪

（大連理工大學建設工程學部 大連 116024）

0 引言

根據國家發改委等十部委聯合發布的《北方地區冬季清潔取暖規劃（2017-2021年）》，北方地區農村供熱平均綜合能耗為27kgce/m2，約為城鎮建筑的1.4 倍[1]。“清潔供、節約用”是農村清潔取暖的基本路徑。盡管我國已經于2013年發布《農村居住建筑節能設計標準》[2]，但是由于各地農宅的營造模式、建筑材料和施工水平差異較大，既有農宅圍護結構熱工性能差仍是取暖能耗大的主要原因，從需求側上提高農宅圍護結構熱工性能、降低取暖能耗是農村地區清潔取暖的重要前提。

京津冀地區人口密集，常住1 億人口的四成以上是農村人口，因此，京津冀地區的農村建筑節能是重中之重。河北省東部的唐山、秦皇島等地區瀕臨渤海，當地農宅的營造模式與內陸地區有所差別。王斐[3]對冀東濱海鄉村住居形態的調查研究表明：穿堂式三開間農宅是唐山、滄州及秦皇島等地區農宅的主要形式。穿堂式農宅設計不僅方便居民通行，還能夠強化自然通風，在湖南、安徽等南方潮濕炎熱地區也有較多應用[4]。對于冀東沿海地區農宅，岳麗芳[5]基于DeST 軟件分析唐山市農宅本體節能改造的節能潛力，發現墻體保溫改造的節能率可達33%，屋面保溫改造的節能率可達12%；嚴龍山[6]對秦皇島市農村進行了風光互補供暖系統研究，經濟性分析表明該系統壽命周期在20年以上時，每年可平均節省采暖費用400 余元；薛會文[7]設計了適宜河北省的太陽能生物質能互補采暖房，改造后室內溫度可達14℃以上。對于冀東附近地區農宅的研究，陳夢源[8]以天津市農宅為例，基于PHPP 和Matlab 軟件對節能改造方案進行了經濟性分析，以降低門窗傳熱系數、提高太陽得熱系數為主的節能改造方案。總體上看，關于冀東沿海地區農宅節能的研究多聚焦于清潔能源互補采暖系統的研發，針對冀東沿海農宅建筑構造特點的節能改造研究有待深入。

為分析冀東沿海農宅室內環境現狀及主要成因、制定因地制宜的農宅節能改造方案，本文對唐山地區沿海農宅進行實測研究，分析地域氣候及圍護結構熱工水平對當地農宅室內環境的影響，提出以熱緩沖空間為主的節能改造方案，并通過數值模擬預測改造后室內熱環境，為當地農宅節能改造技術提供理論依據。

1 實測農宅概況

1.1 地理位置及氣候特點

冀東沿海地區（唐山、秦皇島等）屬暖溫帶濱海半濕潤大陸性季風型氣候，春季干燥多風，夏季悶熱多雨，秋季晝暖夜寒，冬季寒冷少雪。最冷月平均氣溫-4.1～-7.7 ℃，最熱月平均氣溫24.9～26.6℃[10]；年平均日照時數2527.8h，年總太陽輻照量5.0～5.3GJ/m2[11]。為了考察冀東沿海與京津冀內陸地區氣候的差別，以唐山市樂亭縣作為冀東沿海地區代表，與同緯度的北京、保定兩市進行氣候參數對比[12]，如圖1所示。冀東沿海地區的氣候特點表現在：受海洋蓄熱作用影響，春夏季溫度低于內陸地區2～3℃；相對濕度明顯高于內陸地區，冬季室外空氣相對濕度在55%以上；太陽輻射水平與同緯度內陸地區比較接近；春夏過渡季室外風速最大可近3.5m/s，同期高于內陸地區0.5m/s。

圖1 冀東沿海與同緯度內陸地區氣候參數對比Fig.1 Comparison of Climate Parameters between Eastern Hebei Coast and Inland Areas at the Same Latitude

1.2 穿堂式農宅建筑布局

冀東沿海農宅的院落布局一般呈矩形。主房位于院落中間，坐北朝南，南北有院，各農戶之間的主房東西向聯排呈“一字型”。主房的典型構造為穿堂式三開間，如圖2所示。堂屋設置在中間，南北均設置外門，連通南北院子，便于居民進出。廚房位于堂屋南門進口處，臥室位于堂屋的東西兩側。

圖2 冀東沿海地區典型穿堂式農宅平面示意圖Fig.2 Layout of Typical Coastal Through-hall Rural House in Eastern Hebei

1.3 實測農宅基本信息

本研究以唐山市樂亭縣的農宅為對象開展實測研究。樂亭縣（東經39°，北緯119°）海岸線長達100 多公里，有河北省沿海第一縣之稱，緊鄰京唐港、曹妃甸港兩大港區，交通便利，經濟發展良好，當地居民外流少，對該地區農宅進行節能改造具有較大實用價值。

根據現場考察，當地的典型農宅采用穿堂式三開間布局，約占農宅總數的90%以上。典型農宅一般于2010年前建成，采用磚木結構，屋頂使用葦簾作為防潮層，采暖設備以火炕和土暖氣為主。另外，當地還有少量新型農宅，多為近10年內新建的農宅，布局上保留了穿堂式構造，采用磚混結構，使用以爐灶為熱源的地板采暖系統，房間布局多樣化，于南北側增加了南向陽光間和北向熱緩沖空間。本研究在當地典型農宅和新型農宅中各選取一戶作為實測對象，實測農宅的平面圖如圖3所示，建筑熱工基本信息列于表1。

圖3 實測農宅建筑平面圖Fig.3 Layout of Measured Rural House

表1 實測農宅基本信息Table 1 Basic Information of the Measured Rural Houses

續表1 實測農宅基本信息

1.4 測試方法

于2019年1月11日至1月15日對典型農宅和新型農宅同時進行連續5 天的實測，對兩戶農宅主要房間溫度、相對濕度及室內風速、風溫進行測試。測點布置如圖3所示。溫濕度自記儀（型號：Testo 175-H1；測試精度：0.1℃）測點布置于房間中心區域附近，遠離采暖設備，另外為防止太陽輻射對實測結果產生影響使用錫箔紙包裹儀器探頭；風速儀（型號：WFWZY-1；測試精度：0.1m/s、0.1℃）布置于堂屋門口附近。

2 典型農宅和新型農宅室內熱濕環境參數分析

2.1 農宅室內溫度的變化及分布

測試期間，典型農宅和新型農宅室內外逐時溫度變化曲線如圖4所示，各房間溫度分布如圖5所示。結合圖4 與圖5 可見，典型農宅東、西臥室的室內溫度70%以上時間高于12℃，廚房溫度高于12℃的時間不足20%，北向房間日最高溫度低于10℃。采暖與非采暖房間之間溫度差距較大，日平均溫度相差近8℃。新型農宅東、西臥室的室內溫度近70%以上時間高于14℃，北臥室也有60%的時間高于12℃，各房間日平均溫度相差低于5℃。

圖4 農宅各房間逐時溫度變化Fig.4 Temperature Change in Each Room of the Rural Houses

圖5 農宅各房間溫度分布Fig.5 Temperature Distribution in Every Room of the Rural Houses

由于靠近經常開啟的南外門，圖4 中典型農宅的廚房溫度日較差為10℃，新型農宅的客廳溫度日較差為6～7℃，是溫度波動最劇烈的房間，也是造成建筑熱損失的關鍵區域。由于沒有南向熱緩沖空間，典型農宅廚房溫度日較差比新型農宅客廳高50%以上。

《農村居住建筑節能設計標準》[2]規定，寒冷地區農宅室內計算溫度應取14℃，其條文說明指出：80%的農戶認為13～16℃是冬季較為舒適的采暖室內溫度。因此，本研究取室內溫度在14±2℃時較為適宜。由此，典型農宅僅有南向臥室的室內溫度70%以上的時間處于舒適區，廚房僅有20%的時間溫度高于12℃，北向房間日最高溫度不足10℃。而新型農宅全部房間60%以上的時間處于舒適區。

2.2 農宅相對濕度

受海洋氣候影響，冀東沿海農宅冬季室內濕環境較為適宜。如圖6所示，實測期間室外平均相對濕度約為65%；新型農宅相對濕度水平略低于典型農宅，典型農宅室內平均相對濕度約為45%，新型農宅室內平均相對濕度在35%～40%之間。

圖6 農宅主臥相對濕度Fig.6 Relative Humidity of Bedrooms in Rural Houses

2.3 堂屋入口處風速

典型農宅和新型農宅南向外門附近的室內風速及風溫變化曲線如圖7所示。從風速變化趨勢上看，兩戶農宅日間風速普遍高于夜間，最大相差近0.1m/s；對比兩戶農宅的風速，日間兩戶農宅風速水平比較接近，夜間新型農宅風速低于典型農宅，最大相差0.5m/s。從測點處空氣溫度上看，新型農宅堂屋入口處空氣溫度高于典型農宅10℃以上，夜間兩者溫度相差不大。南向陽光間對室內風速水平的影響不大，但是其日間堂屋入口處溫度水平有所提高，削弱冷風侵入、冷風滲透的傳熱損失。

圖7 農宅室內堂屋風環境Fig.7 Wind Environment of the Hall of the Rural House

2.4 農宅室內環境影響因素分析

2.4.1 圍護結構熱工水平的影響

針對典型農宅，由表1 可知，所測試的農宅圍護結構傳熱系數普遍低于寒冷地區農村建筑傳熱系數限值（門窗傳熱系數限值2.5W/(m2·K)；外墻傳熱系數限值0.65W/(m2·K)；屋面傳熱系數限值0.50W/(m2·K)；地面傳熱系數限值1.6W/(m2·K)）[12]，其中門窗與傳熱限值的差距最大，門窗當前傳熱系數是傳熱系數限值的兩倍。

當地農宅的施工比較粗糙，尤其是外門、外窗、墻角等節點處存在明顯的熱橋效應。如圖8（a）所示，典型農宅的外門邊框溫度比墻體高5.1℃。如圖8（b）和（c）所示，典型農宅墻角處溫度比非缺陷處低5.3℃，新型農宅的墻角處溫度也比非缺陷處低約3.4℃。

圖8 建筑熱工缺陷內外表面紅外圖像Fig.8 Infrared Images of Internal and External Surfaces of Building Thermal Defects

另外，穿堂式的建筑布局使得門窗換熱面積增加、冷粉滲透也有所加劇，進而導致傳熱熱損失增加、堂屋溫度日較差增大。

2.4.2 采暖系統和設備使用不當的影響

農宅冬季室內溫度水平及溫度分布受到采暖設備末端布置范圍和散熱能力的影響。如圖9所示，對于典型農宅，在非做飯期間土暖氣的供水一般為40℃左右，散熱器表面與室內空氣的溫差較低。此外，土暖氣只布置在南向臥室，造成南北向房間溫差較大。

圖9 采暖末端表面紅外圖像Fig.9 Infrared Images of Radiator Surfaces

對于新型農宅，地板輻射采暖系統可明顯提高室內舒適性。但是，由于設計和施工不規范，存在地下盤管間距過大問題，造成局部空間溫度分布不均勻，地暖盤管處與非地暖盤管處溫差最大可達5.3℃。

3 典型農宅的熱緩沖空間節能改造及效果分析

鑒于冀東沿海農宅的冬季室內環境特點及成因分析，本研究主要從圍護結構角度針對典型農宅進行節能改造方案分析。

結合《被動式太陽能建筑技術規范》[13]及冀東沿海新型農宅的熱緩沖空間營造模式，提出對典型農宅增設南向陽光間的改造方案，其目標功能是在較低圍護結構改造成本條件下削弱南向圍護結構熱橋的熱損失，并降低冷風侵入和冷風滲透熱損失。典型農宅節能改造前后的示意圖如圖10所示。

圖10 典型農宅圍護結構節能改造前后示意圖Fig.10 Layout of the Typical Rural House before and after Envelope Energy Saving Renovation

為了預測南向陽光間的節能效果，本研究利用DesignBuilder 軟件進行建模。陽光間的設計參數設置為進深2m、窗墻比80%，為了對比不同類型門窗對陽光間傳熱的影響，分別選取常用的塑鋼門窗（K=5.0W/(m2·K)）和斷橋鋁雙層玻璃門窗（K=2.5W/(m2·K)）進行分析。選擇典型氣象年[12]冬至日12月23日至12月24日的氣象數據，對典型農宅沒有山墻的東臥室進行節能改造效果數值模擬分析。

典型農宅增設陽光間前后東臥室的溫度模擬結果如圖11所示。增設陽光間后，東臥夜間最低溫度比改造前上升1.5～2.5℃；日較差從4.5℃下降至3℃。此外，改造后12:00～18:00 溫度變化幅度不足1℃，而改造前同期溫度變化幅度約為2℃。

圖11 陽光間改造前后東臥溫度對比分析Fig.11 Comparison Analysis of the Temperature of the East Bedroom before and after the Sunspace Renovation

圖12（a）對比分析了陽光間門窗保溫性能提高對陽光間內空氣溫度的影響，陽光間門窗傳熱系數下降后，陽光間12 點之后的溫度下降趨勢變緩，其夜間最低溫度提高了2～3℃。圖12（b）反映了陽光間改造后對東臥室窗戶傳熱量的影響，該傳熱量主要包括窗戶日照得熱和傳熱損失，圖12（b）中傳熱量為正表示日照得熱大于傳熱損失，傳熱量為負表示夜間傳熱損失。可見陽光間改造后雖然東臥窗戶日照得熱有所下降，但其全天總傳熱損失減小。

圖12 陽光間改造對比分析Fig.12 Comparative Analysis of Sunsapce Renovation

4 結論

（1）據調研及實測結果，冀東沿海地區典型農宅各房間中僅主臥溫度較為舒適，其他房間溫度較低。當地農宅南側堂屋溫度日較差同比最大，是熱損失比較嚴重的區域。

（2）冀東沿海地區農宅圍護結構熱工性能不佳，其表現在圍護結構傳熱系數不滿足當地農宅傳熱系數限值要求，建筑節點熱橋效應明顯；在采暖設備上，存在散熱表面溫度不高、散熱末端布置不合理等問題。此外，穿堂式設計加劇冷風侵入現象，傳熱損失增加導致。

（3）實測表明熱緩沖空間可改善穿堂式設計對室內環境的影響，因此通過能耗模擬分析陽光間的改造效果。改造后夜間最低溫度上升2～3℃，主臥溫度日較差降低1.5℃，且提高門窗傳熱系數可進一步提高陽光間及臥室室內溫度水平，降低傳熱損失。