我國農村居住建筑冬季采暖熱舒適分析

方趙嵩 李大偉 唐天巍 張毓淳 吳會軍

1 廣州大學土木工程學院

2 中國民用航空中南地區空中交通管理局

0 引言

從20 世紀20 年代開始，居住建筑的舒適性一直是科研界備受關注的熱點。國內外研究學者相繼提出室內熱環境的評價指標[1-2]。以往的住宅熱舒適研究大多以城市居民為研究對象[3-5]，鮮少關注農村居民的舒適性。我國是一個傳統的農業大國，農村住宅數量多面廣。隨著新農村建設的逐步推進，城鄉差距縮小[6-7]，農民開始富裕起來，超過半數村民更加關注美好生活“住”的方面[8]。由于農村居民的經濟水平、生活習慣、住宅環境等方面與城市居民有較大的區別，因此無法保證通過城市住宅建筑熱舒適性研究得出的結論能夠適用于農村住宅。

我國地域遼闊，不同地區氣候差異大，不僅住宅建筑圍護特性各異，居民的生活習慣也有區別。本文主要歸納整理現有農村住宅熱舒適研究成果，從不同氣候區典型城市的氣候特點、建筑圍護結構特點等方面進行對比，分析不同氣候區農村建筑的冬季采暖與室內熱舒適情況，為進一步研究提供參考。由于溫和地區氣候溫和濕潤，大部分當地居民冬季無需采用采暖設施，夏季無需采用降溫設備[9]，因此本文不予考慮。

1 不同氣候區農村建筑圍護結構特性

《民用建筑熱工設計規范》GB 50176-2016[10]將我國劃分成嚴寒地區、寒冷地區、夏熱冬冷地區、夏熱冬暖地區以及溫和地區五個大的氣候區域。由于各個區域氣候差異明顯，農村建筑的圍護結構特性也存在不同，文獻調研結果表明：農村住宅建筑所采用的圍護結構材料大多以廉價、易得為特點。外墻的厚度隨著氣候區冬季溫度范圍的上升而減小，門窗的層數也因氣候區而異。農村地區建筑的門窗以木質為主，新建住宅多采用鋁合金、塑鋼材料。屋面的形式一般有平屋頂和坡屋頂兩種，屋面形式的選取主要因氣候區的降雨特點而異，比如，受熱帶風暴和密集臺風影響嚴重的夏熱冬冷地區，屋面形式主要為坡屋頂。其他氣候區對屋頂的形式沒有特別的要求。嚴寒、寒冷地區對外圍護結構的保溫措施要求較高，而夏熱冬冷地區以及夏熱冬暖地區大多無額外保溫措施[11]。

2 不同氣候區農村建筑冬季常用采暖形式

在農村住宅建筑中，冬季的采暖方式多樣。常用的采暖形式統計于表1 中。

表1 農村住宅建筑常用采暖形式[12-15]

嚴寒、寒冷地區大部分農村住宅建筑都布置了采暖設施。舊宅最常采用的采暖方式是火炕，導致室內顆粒物濃度嚴重超標，嚴重影響健康人群心臟、呼吸系統等，而且溫度分布不均勻，人體舒適度低，在新建住宅中已少有使用。其次是火墻、土暖氣的使用，采暖效果比火炕要好些，也減少了顆粒物濃度。由于前者對墻體構造要求高，后者的氣流組織形式不夠合理，導致這兩種采暖形式下室內人體熱舒適度較差。太陽能采暖方式下的室內熱環境與室內空氣質量最好，但是它對建筑物的要求較高，受天氣影響明顯。鍋爐采暖的住宅室內熱舒適性優于火炕采暖，差于太陽能采暖。且鍋爐采暖以煤為燃料，室內顆粒物濃度超標嚴重，使用鍋爐采暖時需注意室內通風，及時更換室內空氣。總的來說，各個氣候區都有適用太陽能和燃煤鍋爐這兩種采暖形式的地區。

夏熱冬冷地區冬季濕冷，最冷月平均溫度在零度以上，一般為0～10 ℃。主要采暖形式有：太陽能、燃煤鍋爐以及分體空調。夏熱冬暖地區長夏無冬，最冷月平均溫度＞10 ℃，該地區農村住宅對采暖的要求比較低，少數住宅內裝有采暖設施，常用的采暖形式與夏熱冬冷地區相同。該氣候區的大部分農村住戶僅在極端寒冷的幾天開啟采暖設備。

3 不同氣候區農村建筑冬季室內熱環境變化特點

3.1 嚴寒與寒冷地區[16-19]

《嚴寒和寒冷地區居住建筑節能設計標準》JGJ26-2018 中第4.3.6 條對嚴寒與寒冷地區居住建筑主要計算參數進行了規定，其中，室內計算溫度要求為18 ℃。金虹[16]等對嚴寒地區農村住宅冬季室內熱環境舒適溫度的研究，提出建議室內舒適溫度為15～18 ℃。

北方城市居民冬季大多在室內活動，室內供暖設施齊全，溫度適宜，一般為18～22 ℃，滿足建筑節能設計標準。相比之下，農村的室內熱環境較差。因其冬季使用的燃料主要是薪柴和稻草，存放在室外庭院中，并且由于農村人民勞作的特性以及串門的習俗，外門頻繁開閉，這也決定了農村人們通常不習慣穿著過少，對應的服裝熱阻升高，相應人們對較低室溫的接受程度較高。

文獻調研發現，嚴寒、寒冷地區農村住宅主要房間冬季實測日平均溫度均低于18 ℃，嚴寒地區平均室溫大約為8～11 ℃左右，寒冷地區平均室溫5～12 ℃。白天由于村民一日三餐都要加熱火炕，且大部分時間在客廳活動，火炕對客廳室內空氣進行加熱，其蓄熱能力足以使室內溫度維持在相對穩定的范圍內。到了晚上十點半左右，隨著室外溫度的不斷降低，屋內供暖設備散熱量降低，造成室溫較大幅度降低。對于臥室空間，北方人民習慣晚上八點以后開始陸續就寢，所以大部分家庭會燒炕，針對性的加熱臥室小空間區域，從而晚上八點以后臥室局部溫度較高，但其全天溫度波動最明顯。

3.2 夏熱冬冷地區[20-21]

《夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準》JGJ134-2010 中第3 節規定，夏熱冬冷地區和夏熱冬暖地區冬季采暖熱環境設計計算溫度為18 ℃。

文獻調研發現，夏熱冬冷地區農村住宅冬季室內熱環境中溫度變化大多在可接受范圍內，趙田等人[26]在湖北農村地區住宅建筑室內熱舒適的調研中發現，冬季主要使用房間的室內平均溫度為10.4～14.7 ℃，比室外高0.7～4 ℃，在可接受范圍內。冬季閣樓的室內溫度隨著室外溫度的變化波動幅度最大，說明這一地區屋面的傳熱性能影響室內熱環境。另外，在南面開窗面積較大的臥室冬季日平均溫度最高，說明該地區窗墻比以及外窗朝向問題對室內熱環境也有較大影響。

3.3 夏熱冬暖地區[22-23]

《夏熱冬暖地區居住建筑節能設計標準》JGJ75-2012 中，對夏熱冬暖北區冬季采暖室內熱換季設計計算溫度的規定值為16 ℃，對南區室內設計溫度不做要求。夏熱冬暖地區最冷月平均溫度大于10 ℃，綜合文獻調研結果來看，該氣候區的一些典型城市農村住宅冬季室內整體溫度水平較高，一般不低于12 ℃，但普遍存在濕度較高的情況。

金玲等人[23]在粵東農村的三類住宅中進行了室內熱環境及舒適性研究，結果表明該地區冬季室內溫度波動非常平緩，日平均溫度為15.5 ℃，大于室外平均氣溫；但是相對濕度依然很高，平均相對濕度為82%。在一類設置有天井的農村住宅中，由于廳堂與天井相連形成非密閉的半開放空間，其冬季室內溫度要低于其他類型的住宅1～2 ℃左右。

3.4 不同氣候區室內舒適情況匯總

通過文獻調研[24-32]，筆者在下表2 中統計了不同氣候區農村居民對室內環境的熱舒適狀態，包括滿意情況，中性空氣溫度、熱舒適區間以及可接受區間。所調研文獻中，所有測試環境大多控制與當地居民日常生活情況一致，嚴寒、寒冷地區的調研均在室內正常供暖的條件下進行。

從表2 中可看到大部分調研地區農村居民對所處環境的可接受百分比超過80%，滿意度較高。寒冷地區中的哈爾濱市、夏熱冬冷地區的湘西土家族苗族自治州，以及夏熱冬暖地區的廣東省地區滿意度均超過90%。這是由于嚴寒地區冬季氣溫較低，農村居住建筑在圍護結構方面更加注重做好保溫措施，再加上嚴寒地區室內采暖設施充足，人們對室內環境的滿意程度自然較高。而夏熱冬冷地區以及夏熱冬暖地區冬季室內溫度本不低，再加上適當的采暖措施能夠提高熱舒適滿意度。相比之下，寒冷地區的代表如西安省，室內熱舒適滿意度調查情況較差，采暖條件下僅50%左右的居民認為環境可接受，采暖條件下室溫與自然室溫相差僅1.7 ℃，說明當地住宅室內熱環境普遍較差。

表2 不同氣候區室內熱舒適情況

中性空氣溫度以及可接受空氣溫度區間隨著氣候區南移逐漸升高，嚴寒、寒冷地區對偏冷環境的適應性更強。不同氣候區的熱舒適空氣溫度區間沒有特定規律。但從文獻調研可知，嚴寒地區室內熱舒適空氣溫度區間的下限值與上限值最高，說明該地區農村居民對住宅的舒適性感到滿意，但還不是非常理想。他們可以接受的空氣溫度較低，但感到熱舒適的溫度區間比可接受的溫度要高得多。

ASHRAE Standard 推薦熱舒適區域指的是80%可接受度的熱舒適區域，是基于10%的整體熱舒適不滿意度（即使用PMV-PPD 模型計算得到PPD=10%）和10%的局部熱舒適不滿意度確定得到。《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》[33（]以下簡稱民規）對供熱工況下舒適空調室內設計參數進行了規定，室內溫度22～24 ℃，相對濕度大于30%為舒適度較高的環境，舒適度一般的可接受室內溫度為18～22 ℃。將調研地區冬季實際熱舒適區域、ASHRAE Standard 推薦熱舒適區域，以及民規提出的溫濕度范圍進行對比，如圖1 所示。可以看出，ASHRAE Standard 推薦的熱舒適區域明顯空氣溫度更高，民規提出的舒適范圍以及可接受范圍相比ASHRAE 熱舒適范圍更貼近實際調研結果。農村住宅居民認為舒適的空氣溫度實際比ASHRAE Standard 推薦值要低得多，說明他們對低溫的承受能力更強。隨著氣候區南移，熱舒適空氣溫度區間也逐漸變寬。

圖1 ASHRAE Standard 推薦熱舒適區域與調研地區冬季實際熱舒適區域

4 結語

不同氣候區農村住宅圍護結構需依據當地氣候特征選擇，盡可能更好地保證室內熱舒適。不同氣候區典型農村建筑，盡管已經因地制宜采取不同的采暖設施取暖，但由于生活習慣以及建筑特點，仍存在溫度不適宜的情況。目前已有冬季農村室內熱舒適情況的研究，主要集中在實測及已有采暖方式的優勢及弊端，而針對各地區現有采暖方式進行改良優化的研究極少。發展新農村，需要積極創新，發現或創造更加適合各個氣候區農村住宅建筑的圍護結構組合以及采暖方式，以更好地滿足農村人民對美好生活“住”的方面的需求。