(内蒙古科技大学土木工程学院 内蒙古 包头 014000)

蒙西地区住宅冬季室内热环境优化对比分析

金国辉王波张东杰

(内蒙古科技大学土木工程学院内蒙古包头014000)

为提升内蒙古西部农牧区住宅的室内热环境和降低采暖能耗，选取具有代表性的住宅进行调研，对室内外的空气温度、相对湿度等参数做的测试。通过分析数据得出。客厅与主次卧室的平均温度分别为12.9、11.6、12.1℃。低于国家标准中冬季采暖18℃的规定和ASHRAE55中推荐的60%人体热舒适相对湿度。然后选择三个优化方案，计算出优选方案，研究结果为方案一、二、三与基础模型相比能耗分别减少3806.28kW·h、2036.96kW·h、4290.40kW·h，采暖季热负荷指标比基础模型相比分别减少13.83W/m2、7.40W/m2、15.59W/m2，为内蒙古西部农牧区住宅冬季室内热环境的改善提供的依据。

农牧区住宅；室内热环境；采暖能耗；附加阳光间；数值模拟

一、引言

随着农牧区经济发展水平的不断提高，人们对住宅的室内热环境和舒适度要求也越来越高，但由于内蒙古西部农牧住宅的构造简单，围护结构热工性能较差，使得农牧区住宅的冬季采暖能耗也越来越高，到目前有很多学者对村镇住宅的冬季室内热环境做了研究[1-3]。总体而言，对北方村镇住宅室内热环境的研究主要在东北地区和陕西地区，加入被动式设计住宅研究主要在西藏拉萨地区，而内蒙古西部农牧住宅室内热环境的研究较少。本研究以内蒙古西部典型农牧住宅为研究对象，对其围护结构热工性能进行优化，并加入被动式设计因素。对比分析优化前后室内热环境和采暖能耗。对改善内蒙古西部农牧区住宅冬季室内热环境，减少采暖能耗具有重要意义。

二、典型住宅概况

农牧区典型住宅平面为长方形，单层砖混结构，方向南偏东。共有7间房屋，起居室尺寸3.6×6.6m，客厅尺寸3.6×3.6m，卧室尺寸3.6×3.0m。外墙墙体为370mm实心黏土砖加聚苯板保温层，墙体水泥砂浆抹面加白色粉刷。内墙为240mm黏土砖砌体，水泥砂浆抹面。室内地面铺设地板砖，屋面为150mm预制楼板平屋顶，设有聚苯板保温，室内采用煤炉取暖，能耗水平基本能代表农牧区住宅的能耗状况。

三、实测结果分析

对典型住宅做了冬季室内热环境实测可得，客厅与主次卧室的平均温度分别为12.9、11.6、12.1℃，相对湿度均值分别为33.8%、32.5%和31.1%。低于国家标准中冬季采暖18℃的规定和ASHRAE55中推荐的60%人体热舒适相对湿度。采用《民用建筑室内湿热环境评价标准》的人工冷热源建筑的PMV三级评价来衡量室内热舒适状况，典型住宅在白天时段热环境相对较好，达到Ⅱ级湿热环境标准(-1≤PMV<-0.5)，即人群中75%的感觉满意的湿热环境，宅夜间稍冷，为Ⅲ级湿热环境标准。

(一)优化方案

针对实测数据分析结果中出现的问题，采用三种方案对典型住宅进行优化。方案一：对典型住宅的维护结构的热工性能进行优化，基于笔者前期研究结果[10]，选取对影响被动式住宅能耗影响较大7个因素进行正交实验，每个因素选取能耗值较小3个指标，用L18(37)型的正交试验表来进行分析得出优选方案为住宅朝向南偏东30°、南向窗墙比为0.4、北向窗墙比为0.0、东向窗墙比为0.2、围护结构外窗采用真空玻璃(K=3.0W/(m2·K))、100mm厚的聚苯乙烯保温板(K=0.042W/(m2·K))、围护结构墙体材质为粉煤灰砌块(K=0.39W/(m2·K))，在优化基础上形成直接受益式被动式住宅。方案二：在典型住宅的南向加建进深为1.8m的附加阳光间，其他结构不变。方案三：方案一、二结合形成直接受益加附加阳光间式住宅。

四、计算结果与分析

为了排除其他内扰因素对能耗模拟结果的干扰，因此在模拟过程在暂时不考虑火炕、煤炉和土暖气等采暖设备和厨房做饭时产生的热扰，根据当地牧区生活习惯，客厅、主次卧模拟计算参数设置为：人员热扰为2人，发热量53W，作息时间为采暖期的8～11；灯光热扰为40W，发热系数0.9；作息时间18～22点为1，其余是0；设备热扰为40W，作息时间为19～23点是1，其余0。

通过软计算分析，得到逐时室内温度，整理各方案相同房间在同一采暖期内温度数值，四种模式下的客厅空气温度均值分别为4.11、9.96、6.54、9.95℃，波幅为6.97、13.56、3.43、4.25℃；主卧室的空气温度均值为2.40、7.32、4.63、7.94℃，波幅为3.94、7.68、1.89、2.49℃；次卧室的空气温度均值为3.19、7.11、3.72、6.40℃，波幅为1.77、2.05、1.78、1.94℃。

比较四种模式下各室内温度可知，三种优化模式下的各房间温度均值都高于基础模型下的各房间温度，由高到低顺序为：方案三>方案一>方案二>基础模型。四种模型下的客厅均温高于主次卧室，客厅有其他房间环绕散热较慢，但温度波幅不如主次卧室稳定，因为白天出入室内开关客厅门比主次卧室次数多造成的。次卧均温最低，因为次卧在客厅北面且四周封闭无开窗，室内无太阳辐射所造成，从而也说明对室内太阳辐射得热量对温度变化会产生影响。优化方案一、方案二、方案三的各房间室内温度波峰出现在16:00～17:00，比室外温度波峰延迟1～2h，一方面是因为对围护结构墙体做了优化选用的粉煤灰砌块，为多孔材料导热系数小热稳定性较好，另一方面是因为附加阳光间对室内的缓慢传热，从而室内最高温度有延迟。

附加阳光间作为与主要功能房间的南向缓冲区，起到一定的温湿调节的作用，阳光间在12月30日16:00温度达到最高值17.83℃和23.88℃。说明附加阳光间在冬季阳冬季阳光较为充足的中午时段为室内提供热能辅助采暖，从而能降低住宅冬季采暖能耗。在1月2日8:00阳光间温度达到最低值-4.00℃，与同时段的室外室温度-13.21℃相比,阳光间室内温度比室外温度高9.21℃，其原因一方面是围护结构的热阻较大使散热速度较慢，另一方面是夜间主次卧室温度较高通过南向窗户向阳光间传热导致。

四种模型的累计热负荷和各房间采暖能耗如图1所示，由图可知，基础模型的采暖能耗最高，方案三围护结构优化加附加阳光间的采暖能耗最低，能耗最高值是最低值的2.75倍。方案一至三与基础模型相比能耗分别减少3806.28、2036.96、4290.40kW·h，采暖季热负荷指标比基础模型相比分别减少13.83、7.40、15.59W/m2。围护结构优化和加阳光间后，其采暖耗热量符合《内蒙古居住建筑节能设计标准》中规定的16.80W/m2。

由此可看出，改善围护结构设计的内蒙古西部农牧住宅能有效的增强住宅的保温性能，减少冬季采暖能耗，单纯增加南向附加阳光间的节能效果没有对围护结构的优化的节能效果明显。因此，综合来看选择优化方案三较好，即对典型住宅的围护结构优化，然后加建南向附加阳光间。

图1 热负荷对比曲线

五、结论

(1)典型住宅客厅与主次卧室的平均温度分别为12.9、11.6、12.1℃，相对湿度均值分别为33.8%、32.5%和31.1%。在白天时段热环境相对较好，达到Ⅱ级湿热环境标准，人群中75%的感觉满意的湿热环境，宅夜间稍冷为Ⅲ级湿热环境标准。

(2)方案二、三的附加阳光间最高温度为17.83℃和23.88℃，最低温度为-4.00℃和0.79℃，其温度波动较大。

(3)计算四种模型的累计热负荷和各房间采暖能耗方案一、二、三与基础模型相比能耗分别减少3806.28、2036.96、4290.40kW·h，采暖季热负荷指标比基础模型相比分别减少13.83、7.40、15.59W/m2。

[1]赖艳萍，张志刚，魏璠，等.北方农村典型住宅的能耗比较分析[J]农业工程学报，2011，27(增刊1)：12-16

[2]金虹，邵腾.严寒地区乡村民居节能优化设计研究[J].建筑学报，2015(s1)：218-220

[3]金虹，邵腾，金雨蒙，等.被动式技术在严寒地区农村住宅中的应用研究[J].西部人居环境学刊，2016，(01)：115-118

国家自然科学基金资助项目(51668051)，内蒙古自然科学基金资助项目(2016MS0516、2017MS(LH)0535)

金国辉(1965-)，硕士，教授。研究方向建筑节能。