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寒冷區(qū)農(nóng)村住宅建筑節(jié)能研究

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寒冷區(qū)農(nóng)村住宅建筑節(jié)能研究

摘要:寒冷地區(qū)農(nóng)村住宅建筑具有體量大、分布散的特點(diǎn),且節(jié)能處于較低水平?;诮ㄖ芎姆治鲕浖﨑eST建立了農(nóng)村住宅建筑模型,從提升圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能和改變其建筑結(jié)構(gòu)方面對(duì)建筑模型進(jìn)行優(yōu)化,將模擬輸出的房間自然室溫和熱負(fù)荷作為節(jié)能指標(biāo)并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,同時(shí)論證了建筑氣密性和可再生能源應(yīng)用對(duì)農(nóng)村住宅建筑節(jié)能優(yōu)化的重要性,并給出了相關(guān)建議。

關(guān)鍵詞:寒冷地區(qū);農(nóng)村;住宅建筑;節(jié)能分析

引言

據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局2018年數(shù)據(jù)顯示,我國(guó)城鎮(zhèn)化率為59.58%,可見(jiàn),還未得到規(guī)劃的農(nóng)村地區(qū)仍高達(dá)40.42%,而要實(shí)現(xiàn)農(nóng)村地區(qū)節(jié)能改造工作的基本全覆蓋將是一項(xiàng)任重又艱巨的使命。寒冷地區(qū)農(nóng)村住宅建筑具有體量大、分布散等特點(diǎn),建筑無(wú)節(jié)能保溫措施,且用能方式不一等特點(diǎn),總體處于能耗高且能效低的水平。在圍護(hù)結(jié)構(gòu)方面,農(nóng)村房屋建筑外墻采用普通磚墻的約占85%,其中大部分為黏土磚;屋頂多采用瓦片和木框架組成的坡屋頂或混凝土制平屋頂;門窗多以氣密性較差的木制窗和鋁合金窗為主,而地面常用水泥、磚鋪或者瓷磚等做法簡(jiǎn)單處理,無(wú)地面保溫防潮措施[1]。在用能形式方面,農(nóng)村居民在供暖、生活、炊事等用能端多以煤炭、柴草木枝及電為主,而華北地區(qū)農(nóng)村居民各用能形式占比約為30%~50%[2]。以上現(xiàn)狀,是導(dǎo)致農(nóng)村住宅建筑能耗高的主要原因,也是文中對(duì)農(nóng)村既有建筑進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化的重點(diǎn)研究內(nèi)容。通過(guò)DeST能耗分析軟件,建立了一個(gè)典型農(nóng)村住宅建筑模型,從提升圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能和改變其建筑結(jié)構(gòu)方面對(duì)建筑模型進(jìn)行優(yōu)化,將模擬結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,論證了建筑氣密性和可再生能源應(yīng)用對(duì)農(nóng)村住宅建筑節(jié)能優(yōu)化的重要性,并給出了相關(guān)建議。

1構(gòu)建農(nóng)村住宅建筑模型

以山東濟(jì)南某農(nóng)村住宅為研究對(duì)象,構(gòu)建農(nóng)村典型住宅模型,其建筑房間功能包括臥室、客廳、餐廳、廚房、衛(wèi)生間和儲(chǔ)物室,如圖1所示,其中供暖房間為臥室、客廳和餐廳,供暖面積為65m2,如圖2所示。根據(jù)農(nóng)村住宅傳統(tǒng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工特性現(xiàn)狀和DeST軟件圍護(hù)結(jié)構(gòu)特性數(shù)據(jù)庫(kù),統(tǒng)計(jì)此模型主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)表(見(jiàn)表1)。

2節(jié)能改造分析

2.1優(yōu)化圍護(hù)結(jié)構(gòu)

建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能直接影響了其自身與外界環(huán)境熱量交換的程度,因此,對(duì)農(nóng)村住宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化提升,將有效降低能源的消耗,提升居民的生活質(zhì)量。在提升圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能和改變建筑構(gòu)造形式方面對(duì)農(nóng)村住宅建筑進(jìn)行優(yōu)化,并將房間自然室溫和熱負(fù)荷作為節(jié)能指標(biāo),進(jìn)行優(yōu)化前后的比對(duì)分析。根據(jù)我國(guó)《嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ26—2010)要求規(guī)定,對(duì)農(nóng)村住宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工特性重新設(shè)定,具體數(shù)據(jù)如表2所示。其次,在圍護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的基礎(chǔ)上,在建筑臥室、客廳房間南面加設(shè)一條門廳,模型立體圖如圖3所示。模型構(gòu)建完成且參數(shù)設(shè)定完成后,對(duì)農(nóng)村住宅建筑模型進(jìn)行自然年8760個(gè)小時(shí)的逐時(shí)自然室溫和熱負(fù)荷模擬計(jì)算,得出西臥室、客廳+餐廳和東臥室在同一種室外溫度條件下的每個(gè)房間自然室溫和熱負(fù)荷逐時(shí)動(dòng)態(tài)變化曲線圖,如圖4~圖9所示。由模擬結(jié)果可以得出在同一室外溫度環(huán)境下,每個(gè)房間在設(shè)定的3種不同條件下的自然室溫和熱負(fù)荷的變化值,具體數(shù)據(jù)如表3和表4所示??梢园l(fā)現(xiàn),隨著建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能的提升和增設(shè)門廳的改造,房間冬季自然室溫明顯提高,約為2.5~3℃;與冬季室外最低溫對(duì)比,房間可在自然狀態(tài)下提升10℃溫差。并且,每個(gè)房間的冬季熱負(fù)荷也明顯降低,約為500W。因此,提升圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能并對(duì)房間構(gòu)造加以合理改造將有效降低了居民用戶的能源消耗。

2.2建筑氣密性

彭琛[3]等以哈爾濱、北京、上海等3個(gè)地區(qū)典型城市為研究對(duì)象,分析了建筑氣密性8個(gè)不同等級(jí)對(duì)供暖能耗的影響,分析得出建筑氣密性越高,供暖能耗越低,但是氣密性高于5級(jí),會(huì)出現(xiàn)換氣次數(shù)不足0.5h-1的現(xiàn)象。豐曉航[4]等將建筑氣密性和采用的通風(fēng)方式相結(jié)合,在考慮人體健康需求和節(jié)能的基礎(chǔ)上,分析了建筑氣密性對(duì)住宅能耗的影響。劉偉[5]等在建筑氣密性、新風(fēng)系統(tǒng)熱回收效率和新風(fēng)系統(tǒng)控制模式綜合影響機(jī)制的基礎(chǔ)上,分析了建筑氣密性對(duì)近零能耗居住建筑新風(fēng)系統(tǒng)能耗的影響。由此可見(jiàn),為優(yōu)化農(nóng)村住宅建筑的節(jié)能性能,提高建筑氣密性等級(jí)是一項(xiàng)不得不考慮的因素。與農(nóng)村新建的新型社區(qū)和近零耗居住建筑相比,農(nóng)村既有住宅建筑并不具備加設(shè)新風(fēng)系統(tǒng)和熱回收系統(tǒng)的先進(jìn)條件,因此在確定建筑氣密性等級(jí)時(shí),不宜太高。考慮到目前農(nóng)村取暖仍靠煤炭、柴火、草木為主,在室內(nèi)會(huì)產(chǎn)生CO等有害氣體,為保證居民安全問(wèn)題,推薦采用至少保證換氣次數(shù)為0.5h-1且建筑氣密性等級(jí)為5的可開(kāi)啟外窗,不僅一定程度上達(dá)到節(jié)能目的,而且還保證了室內(nèi)空氣品質(zhì)。其中,建筑氣密性等級(jí)(見(jiàn)表5)[6]。

2.3可再生能源應(yīng)用

目前,我國(guó)利用可再生能源進(jìn)行冬季供暖的技術(shù)主要有空氣源熱泵、太陽(yáng)能集熱、生物質(zhì)燃料系統(tǒng)、生物質(zhì)——空氣源熱泵輔合系統(tǒng)以及太陽(yáng)能——空氣源熱泵輔合系統(tǒng)等,通過(guò)可再生能源的應(yīng)用,大大減少了一次能源的使用,改善了周邊環(huán)境。李愛(ài)松[7]等通過(guò)對(duì)北京農(nóng)村地區(qū)15個(gè)已使用空氣源熱泵供暖的典型住宅用戶進(jìn)行了監(jiān)測(cè)分析,表明此項(xiàng)技術(shù)的可行性,提出了現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題并給出解決措施。王德闖[8]等進(jìn)行了太陽(yáng)能供熱技術(shù)在農(nóng)村的應(yīng)用分析,從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等3方面分析得出此技術(shù)不僅解決農(nóng)村用戶冬季供暖問(wèn)題,還解決了生活熱水問(wèn)題。王澤龍[9]等分析了生物質(zhì)戶用供熱技術(shù)在農(nóng)村地區(qū)推廣存在的問(wèn)題及發(fā)展方向,指出生物質(zhì)供熱技術(shù)的應(yīng)用,將給農(nóng)村地區(qū)帶來(lái)良好的環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。由此可見(jiàn),有效地推廣可再生能源在供熱技術(shù)中的應(yīng)用,將緩解我國(guó)一次能源在供熱方面的消耗投入,更符合我國(guó)“綠水青山就是金山銀山”的發(fā)展理念。針對(duì)農(nóng)村地區(qū)住宅冬季供暖的用能問(wèn)題,推薦以下選擇:(1)在具備當(dāng)?shù)卣蟹骞入妰r(jià)支持政策條件下,可選用空氣源熱泵進(jìn)行供暖,并配備蓄熱裝置。(2)在太陽(yáng)能保證率充足的條件下,優(yōu)先選用太陽(yáng)能集熱取暖,室內(nèi)末端供暖形式選用低溫地板輻射供暖最佳。在經(jīng)濟(jì)條件允許下,可選用太陽(yáng)能——空氣源熱泵輔合供熱,以保證在連續(xù)陰雨天氣集熱不足情況。(3)在生物質(zhì)燃料充分條件下,優(yōu)先推薦生物質(zhì)戶式燃爐供暖。一般情況下,農(nóng)村地區(qū)生物質(zhì)能源豐富(包括秸稈、樹(shù)枝、草木等),當(dāng)每噸成型燃料控制在900元左右,宜選用生物質(zhì)戶式供暖。對(duì)于供暖面積在50000m2以及上的農(nóng)村新型社區(qū),宜選用生物質(zhì)-空氣源熱泵輔合集中供暖。

3結(jié)語(yǔ)

農(nóng)村節(jié)能改造是一項(xiàng)任重且艱巨的任務(wù),這不僅將改變我國(guó)能源配比現(xiàn)狀,也將為我國(guó)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生深遠(yuǎn)意義。通過(guò)DeST對(duì)農(nóng)村住宅建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化模擬分析得出,隨著圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能的提升,房間冬季自然室溫有所上升,房間熱負(fù)荷明顯減少,一定程度上降低了能源消耗。從論證的角度,說(shuō)明適當(dāng)提高建筑氣密性和推廣可再生能源的應(yīng)用也是農(nóng)村節(jié)能改造的重要措施。這將為今后農(nóng)村地區(qū)住宅建筑的節(jié)能改造提供一定參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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作者:王德曄 王世杰 單位:濟(jì)南中建建筑設(shè)計(jì)院有限公司