張雪研，趙佳藝，楊一鳴，蘇媛

(1.大連理工大學建設工程學部，遼寧大連，116024；2.大連理工大學建筑與藝術學院，遼寧大連，116024)

隨著農村住宅向城鎮(zhèn)化轉變，農宅設計寬敞化趨勢明顯[1]，農村居民對生活品質及室內舒適性的要求不斷提高，農宅供暖能耗居高不下。2008年至2018年，農村住宅建筑煤耗總量從1.57億t增加到1.65億t，增長了5.09%[2]，農宅熱損失問題嚴重[3]。東北地區(qū)傳統(tǒng)農村既有住宅建筑多為農民自建磚混結構，圍護結構熱工性能差，墻體傳熱系數(shù)超標448%[4]，室內熱舒適性顯著降低。為了減少建筑圍護結構的熱量損失，抵御室外冷空氣，改善室內熱不舒適問題，多數(shù)經(jīng)濟條件一般的居民選擇在農宅南北兩側搭建可拆卸式覆膜緩沖空間。王秀萍等[5]發(fā)現(xiàn)應用可拆卸的覆膜緩沖空間，在相同的燃料消耗下，室內溫度可提高2～3 ℃。新農村建設強調充分利用太陽能等可再生能源，董海榮等[6]對冀北地區(qū)進行充分調研，提出了在農宅南側建陽光間等被動式太陽能利用方法的建議。金虹[7]發(fā)現(xiàn)農宅外門因頻繁開啟不可避免冷風侵入，可采用門斗、雙層門的方式減少冷風侵入量。李智卓等[8]通過Design Builder軟件對遼西地區(qū)農宅節(jié)能改造措施進行模擬，發(fā)現(xiàn)增設玻璃門斗或陽光間可以使農宅入門走廊溫度平均提升3.5 ℃。有關嚴寒地區(qū)覆膜緩沖空間的研究中，多數(shù)將覆膜緩沖空間視作熱環(huán)境改善措施，但缺乏定量計算分析；此外，直接將城市建筑應用較多、造價較高的玻璃陽光間與農宅集成設計，脫離了農村實際。秦鑫等[9]發(fā)現(xiàn)農戶通過對外窗鋪訂塑料薄膜可起到保溫作用，但這同時導致室內水蒸氣無法排出，在氣溫較低時易凝結，嚴重影響居室采光。因此，需要利用科學合理的研究分析手段，使覆膜緩沖空間的設計更利于降低農宅能耗，改善農宅室內光熱環(huán)境。南側的覆膜緩沖空間與陽光間的作用類似。REMPEL等[10]通過EnergyPlus模擬研究了俄勒岡州現(xiàn)有陽光間的熱量傳遞特點，發(fā)現(xiàn)受到植物遮擋是陽光間得熱的主要影響因素，豎向玻璃被植被遮擋不易得熱，屋頂玻璃窗透射的能量占總得熱量60%～70%。BATAINEH 等[11]也通過DEROB-LTH軟件模擬探究了陽光間熱性能的影響因素，證明陽光間玻璃圍護結構的傾斜表面比垂直表面好，使用雙層玻璃替代單層玻璃可以提高陽光間的熱性能。此外，在能耗計算方面，常見的模擬軟件有DOE-2，EnergyPlus，DeST，Design Builder 等。朱丹丹等[12]運用EnergyPlus 和DOE-2 軟件對標準算例進行模擬得出，在計算鄰室傳熱問題時，DOE-2沒有嚴格考慮房間熱平衡。同時，EnergyPlus軟件采用各向異性的天空模型來增強傾斜表面的天空輻射強度，其效果比DeST軟件的好。對于遼中地區(qū)農宅來說，相鄰房間溫度存在差異，鄰室傳熱問題不可忽略，且緩沖空間表面存在傾角，故選擇Design Builder 軟件具有可行性。綜上所述，針對北方農村地區(qū)既有建筑利用塑料薄膜搭建緩沖空間的應用研究只提出了措施建議，而未見針對該技術與農宅集成應用的實際效果分析及設計依據(jù)的定量分析。因此，本文作者利用Design Builder和Ecotect軟件模擬分析覆膜緩沖空間材料、構造、尺寸等設計參數(shù)對降低農宅能耗、改善光熱環(huán)境、提高生活品質等方面的影響。

1 覆膜緩沖空間設計模式及應用現(xiàn)狀

1.1 集成農宅設計模式

遼中地區(qū)處于東北亞中心地帶，主要包括沈陽、鞍山、撫順等8 個城區(qū)，在建筑氣候分區(qū)中，屬于ID區(qū)，1月份平均氣溫為-16～-10 ℃，冬季供暖周期為151 d，年日照時數(shù)大于3 000 h，水平太陽輻射強度高于5 000 MJ/m2，太陽輻射強度年總量為5 020～6 280 MJ/m2[13]，在太陽能資源分區(qū)中屬于資源較豐富地區(qū)。遼中地區(qū)農村建筑多以“三開間”或“四開間”模式為主，三開間模式的中間位置為廚房，內置灶臺，東西兩側房間為臥室，采用火炕和土暖氣聯(lián)合供暖；四開間則在西側或東側多設計1間客廳或臥室。為防止冬季寒風侵入室內增加熱負荷、降低室內熱舒適性，多數(shù)農戶采用覆膜緩沖空間與建筑集成應用的方式解決上述問題，集成設計模式如圖1所示，此緩沖空間可根據(jù)季節(jié)特征更替材料，同時實現(xiàn)冬季防寒、夏季遮陽的功能。農村建筑圍護結構材料及物性參數(shù)見表1，外窗傳熱系數(shù)5.8 W/(m2·K)，窗框修正系數(shù)為1.07，緩沖空間塑料膜的性能參數(shù)見表2。本文針對農宅南北兩側分別增加緩沖空間是否有利于降低建筑熱損失及如何，營造室內舒適光熱環(huán)境的問題進行研究，分別探討緩沖空間材料、構造、尺寸對室內環(huán)境的影響，最終提出最佳設計參數(shù)。

表1 圍護結構的構造及熱工參數(shù)Table 1 Structure and thermal parameters of building envelope

表2 塑料薄膜的性能參數(shù)Table 2 Performance parameters of plastic film

1.2 測試儀器及方法

本文作者團隊分別于2019年1月和2020年1月對遼中地區(qū)某典型農村建筑圍護結構溫度和熱流密度、室內外空間溫濕度、覆膜緩沖空間壁面溫度及熱流密度、火炕和土暖氣等供熱設備表面溫度及熱流密度等進行了測試，時間間隔為5 min，同時針對該農戶居民生活行為進行了跟蹤監(jiān)測。主要測試參數(shù)及所用儀器見表3。測點布置及測試方法分別參照GB/T 50785—2012“民用建筑室內熱濕環(huán)境評價標準”、GB/T 15405—1994“被動式太陽房技術條件與熱性能測試方法”、JGJ/T 358—2015“農村火炕系統(tǒng)通用技術規(guī)程”，圖1(b)所示為測點布置。

表3 測試儀器及參數(shù)Table 3 Test instrument and parameters

圖1 覆膜緩沖空間與建筑集成設計形式Fig.1 Film-covered buffer space and architectural integrated design form

1.3 應用現(xiàn)狀分析

1.3.1 溫度和濕度

室外及農宅南側緩沖空間及室內各主要功能房間溫度實測結果如圖2(a)所示。由圖2(a)可以看出：室內各功能房間的空氣溫度出現(xiàn)2次峰值，主要與供暖設備(灶炕-土暖氣)2次/d的間歇運行方式直接相關；而緩沖空間內溫度變化與室外溫度變化規(guī)律基本一致，日間受太陽輻射得熱直接影響，覆膜緩沖空間透過短波太陽輻射后，內部空氣溫度升高至27 ℃，高出各功能房間4.3 ℃，可通過對流換熱的方式提高室內溫度；而夜間緩沖空間與室外空氣發(fā)生對流換熱，并受天空冷輻射影響散熱。圖2(b)所示為農宅南側入戶門的開關情況及室內外空氣溫度的變化。當外門頻繁開啟時，室外空氣溫度對室內空氣溫度影響較小。

圖2 農宅室內外溫度與農宅入戶門開關情況Fig.2 Indoor and outdoor air temperature versus opening and closing condition of rural house

冬季，建筑北側為迎風面，故在北側搭建覆膜緩沖空間可有效降低冷風滲透量，并起到一定的保溫作用。但其內部溫度的測量結果顯示，溫度范圍集中在-20～-10 ℃，接近圖2(a)中的室外空氣溫度，熱緩沖效果有限。故本研究將北向緩沖空間作為模擬計算的基礎邊界條件，主要探討南向覆膜緩沖空間的光熱性能。

1.3.2 供暖設備表面溫度

圖3所示為供熱設備表面溫度。由圖3可見：土暖氣表面溫度變化分別在8:30—10:00和14:30—16:00 時段出現(xiàn)峰值，為80 ℃，供回水溫差為40 ℃，比城市集中供暖的供回水溫差高；22:00之后，燃料燃燒結束，土暖氣表面溫度降至20 ℃以下，受表面覆蓋物影響，火炕表面溫度最高值出現(xiàn)在20:00—23:00，此時炕面覆蓋被褥，增大了炕面熱阻，溫度上升至55 ℃左右；在07:30左右，炕表面溫度驟降，與農戶起床后收起被褥有關；此外，還有2 個峰值分別出現(xiàn)在10:00—10:30 和16:30—18:00，炕面溫度達到40 ℃，這與居民間歇式供暖相關。

圖3 供熱設備表面溫度Fig.3 Surface temperature of heating equipment

1.3.3 南向緩沖空間熱工性能

根據(jù)實測數(shù)據(jù)對緩沖空間內各壁面熱量傳遞過程進行計算分析，得到南側單位時間緩沖空間熱量傳遞結果如圖4所示。以太陽輻照度大于100 W/m2進行劃分，陽光直射時段為9:00—15:00，非陽光直射時段為15:00—次日9:00。在陽光直射時段，太陽輻射是緩沖空間的直接熱源，經(jīng)計算太陽輻射得熱量約有5.8 kW。薄膜表層的溫度比室外溫度高，與建筑外表面存在輻射、對流換熱過程，其換熱量約為1.8 kW，占總換熱量的31%，其中，非透光圍護結構和地面吸收的熱量相近，約占20%，部分熱量傳入室內，部分被儲存在重質結構中。在非陽光直射時段，由于薄膜為輕質結構無蓄熱能力，室外氣溫降低后，緩沖空間內氣溫迅速降低，通過農宅南向外墻和外窗向緩沖空間散熱1.4 kW，是產(chǎn)生熱損失的重要環(huán)節(jié)；地面散熱約為1.2 kW。建議加強緩沖空間的密封性，并可在PO 膜外增加夜間覆蓋物等來降低建筑熱損失。

圖4 南向覆膜緩沖空間結構及換熱強度Fig.4 Structure and heat transfer of film-covered buffer space facing south

2 覆膜緩沖空間光熱性能理論分析

2.1 物理模型

覆膜緩沖空間的結構包括塑料覆膜層、活動空間、建筑外圍護結構(墻體、門、窗)。由圖4可見：在日間狀況下，太陽輻射通過2種方式進入覆膜緩沖空間，一是直接透過塑料膜，二是被塑料膜、地面和建筑墻體外表面吸收后由對流換熱方式傳入緩沖空間內。本文綜合考慮以上2種方式探討緩沖空間內的綜合傳熱過程。

2.2 數(shù)學模型

2.2.1 傳熱方程組

基于上述物理模型，構建覆膜緩沖空間整體傳熱方程組。晴天，覆膜緩沖空間獲得的太陽直射輻射得熱比例最高[16]，在計算過程中，忽略散射輻射得熱，則塑料膜吸收太陽輻射得熱計算公式為

式中：q1為單位面積塑料膜吸收太陽輻射得熱通量，W/m2；Hbθ為單位面積傾斜面上直接日射輻照量，kJ/(m2?d)；α為塑料膜直接日射吸收系數(shù)，α=a為塑料大棚薄膜的吸收率；r為反射比，取0.04[15]。根據(jù)農業(yè)生物環(huán)境工程中材料種類選取聚乙烯塑料單層薄膜(厚0.10 mm，α=0.15；厚0.05 mm，α=0.05[17])；Ra為塑料膜外表面與空氣之間的換熱熱阻，(m2?℃)/W；Rr為塑料膜內表面與空氣之間的換熱熱阻，(m2?℃)/W。

塑料薄膜假設厚度為0.5 mm，薄膜內外表面溫度相同，夜間吸收太陽輻射能為0 kW，則塑料薄膜熱平衡方程為

式中：hs,out為塑料膜與室外空氣表面對流換熱系數(shù)，W/(m2?K)；hs,out=5.7+3.8v，v為室外風速，m/s；Ts為塑料膜溫度，K；Ta為室外空氣溫度，K；hs,in為塑料膜與緩沖空間內空氣間的對流換熱系數(shù)，W/(m2?K)；Tsa為緩沖空間內空氣溫度，K；hrsw為膜與外墻壁面輻射換熱系數(shù)，W/(m2?K)；Tw,o為外墻壁面溫度，K；hrsf為塑料膜與緩沖空間地面輻射換熱系數(shù)，W/(m2?K)；Tf,o為緩沖空間地面溫度，K；hrsc為塑料膜與窗外表面輻射換熱系數(shù)，W/(m2?K)；Tc,o為窗戶外表面溫度，K；hs,sky為塑料膜與天空輻射換熱系數(shù)，W/(m2?K)；Tsky為有效天空溫度，K，晴天時，Tsky=5.552×10-2Ta1.5，多云情況下，Tsky=Ta-6.0；S0a為塑料膜總得熱，W/m2；A為塑料膜面積?？紤]到日射吸收率與傾斜角度(分為水平、傾斜、垂直3 個方向)，塑料膜水平方向面積為進深與房屋外墻寬度之積。

忽略空氣對太陽輻射的直接吸收，有緩沖空間內部空氣流動熱平衡方程為

式中：hw,o為外墻與緩沖空間內空氣間的對流換熱系數(shù)，W/(m2?K)；hf,o為地面與緩沖空間內空氣間的對流換熱系數(shù)，W/(m2?K)；qs,lf為單位面積冷風侵入帶來的熱量損失，W/m2。

2.2.2 假設條件

本次研究建立的覆膜緩沖空間傳熱過程數(shù)學模型假設條件如下：1)圍護結構材料的熱物性參數(shù)與其溫度變化無關；2)緩沖空間內氣體充分混合，忽略空氣對太陽輻射的直接吸收；3)空氣的物性參數(shù)符合Boussinesq近似；4)塑料膜、玻璃吸熱面溫度分布均勻且無蓄熱量。

2.2.3 邊界條件

室外氣候參數(shù)采用《中國標準氣象數(shù)據(jù)庫》中沈陽市的典型氣象年數(shù)據(jù)進行全年能耗模擬。農宅取暖時段為10月15日至次年4月15日。按照DB 64/1068—2015“農村住宅節(jié)能設計標準”，農宅臥室和客廳的室內設計溫度為14 ℃，廚房溫度為11 ℃，雜物間走廊不設置供暖[18]。

2.2.4 相關系數(shù)確定

對流換熱系數(shù)hs,in由經(jīng)驗公式計算得到[19]，其值與膜表面溫度有關，可用格拉曉夫數(shù)Gr表示，Gr約為9×1014，同理可求得hw,o和hf,o。結合輻射換熱系數(shù)計算公式確定hrsf，hrsw，hrsc，hrfw和hs,sky，進而計算輻射換熱量。參照單層玻璃的分析計算方法[15]，確定塑料薄膜的穿透比、吸收比和反射比。

2.2.5 模型驗證

通過Design Builder 模擬得到農宅室內溫度變化，時間間隔為30 min，溫度模擬結果與實測數(shù)據(jù)，如圖5所示。由圖5可知：西臥室和緩沖空間內的空氣溫度模擬值與實測值基本一致。評價模型優(yōu)劣的指標見表4，由表4可知：溫度模擬結果與實測結果的誤差在允許范圍內[20]。當農宅未設置緩沖空間時，房間設計溫度為16 ℃[20]，計算得到單位面積熱負荷為122 W/m2，與文獻[21]給出的沈陽地區(qū)非節(jié)能村鎮(zhèn)住宅建筑熱指標計算值116 W/m2基本一致，相對誤差小于5%，證明通過Design Builder計算得到的結果較可靠。

表4 模型修正與評價方法Table 4 Model modification and evaluation method

圖5 室內空氣溫度模擬與實測結果對比Fig.5 Comparisons between simulation results and measured results of indoor air temperature

由圖5可以看出：西臥室室內空氣溫度模擬值呈現(xiàn)每天2次升溫現(xiàn)象，與實測數(shù)值變化趨勢基本一致，這是居民日間炊事和取暖所致。緩沖空間內空氣溫度主要受太陽輻射照度的影響，由于模擬軟件使用的氣象太陽輻射照度與實測的太陽輻射照度的變化時間滯后約1 h，因此，緩沖空間溫度模擬值較實測值出現(xiàn)時間延遲現(xiàn)象，但總體變化趨勢相近。這說明該模型對于本研究具有適用性。

3 結果分析

3.1 緩沖空間材料對保溫效果的影響

通過調研得到，緩沖空間搭建材料多為塑料膜(PO 膜、PE 膜、EVA 膜等)、3 mm(厚度，下同)單玻、5 mm+12 mm空氣層+3 mm low-e玻璃，對這3 種材料進行對比，其傳熱系數(shù)分別為5.36，5.89 和1.79 W/(m2·K)，太陽能總透射比分別為0.75，0.86 和0.58。圖6所示為不同材料的緩沖空間室內空氣溫度對比。由圖6可知：當應用不同材質時，西臥室內溫度差異小于0.5 ℃，說明緩沖空間材質對供暖房間溫度影響較小。采用low-e玻璃可使緩沖空間溫度提升8～10 ℃；應用另2 組材料的日間溫度相近，當采用3 mm單玻時，緩沖空間夜間溫度低至-20 ℃。這說明PO 膜作為緩沖空間搭建材料具有日間溫度適宜、夜間保溫效果好的特點，因此，推薦優(yōu)先選用PO膜。

圖6 不同材料緩沖空間室內空氣溫度對比Fig.6 Comparisons of indoor air temperature in buffer space with different materials

3.2 緩沖空間形式對保溫效果的影響

圖7所示為不同形式緩沖空間室內空氣溫度對比。由圖7可知：當應用門斗式緩沖空間時，臥室內溫度整體下降4 ℃，其原因是門斗僅具有局部保溫特性；利用傾斜式構造(結合實測調查，取傾角為60°)具有較好的溫度提升作用，室內溫度可提高4～5 ℃，效果最好。

圖7 不同形式緩沖空間室內空氣溫度對比Fig.7 Comparisons of indoor air temperature in buffer space with different structures

3.3 緩沖空間最佳進深

緩沖空間圍護結構距離建筑圍護結構外表面的進深直接影響建筑室內的采光效果和太陽輻射得熱能力，進而影響農宅熱負荷，因此，需要給出緩沖空間的最佳設計進深。通過Design Builder模擬各功能空間的太陽輻射得熱，并結合GB 50352—2019“民用建筑設計統(tǒng)一標準”中“住宅走道凈寬不應小于1 000 mm”的規(guī)定，取進深為1.0～2.0 m。圖8所示為覆膜緩沖空間進深與太陽輻射得熱的關系。由圖8可見：當緩沖空間進深從1.0 m增至2.0 m時，緩沖空間年累計太陽輻射直接得熱由29 000 kW·h增至38 000 kW·h，建筑室內空間太陽輻射直接得熱由800 kW·h增至1 000 kW·h，增加約25%。

圖8 覆膜緩沖空間進深與太陽輻射得熱的關系Fig.8 Relationships between depth of film-covered buffer space and solar heat gain

緩沖空間內太陽輻射得熱量與進深的變化呈正相關關系，其線性回歸方程為式中：Y1為緩沖空間太陽輻射得熱，kW·h；x1為進深，m；R2為判定系數(shù)。

房間整體太陽輻射直接得熱隨進深增加而增加，呈正比關系，其線性回歸方程為

式中：Y2為房間太陽輻射直接得熱，kW·h；x2為進深，m。

圖9所示為覆膜緩沖空間進深對房間全年累計熱負荷及中午12:00時房間最低照度的影響。由圖9可知：當進深為1.5～1.7 m 時，全年累計熱負荷處于極小值；當進深從1.6 m 增至2.0 m 時，房間熱負荷僅增加2%；當緩沖空間進深由1.2 m 增加至2.0 m 時，房間最低照度增加2 倍。綜合考慮光熱性能參數(shù)的變化，緩沖空間的最佳進深范圍應為1.5～1.7 m。

圖9 覆膜緩沖空間進深對房間最低照度及全年累計熱負荷變化的影響Fig.9 Influence of depth of film-covered buffer space on lowest indoor illumination and annual total heat load

3.4 節(jié)能率分析

通過Design Builder 分別對供暖面積為60.5 m2的基準建筑和改造建筑全年供熱能耗進行模擬，得到全年累計熱負荷分別為4 989 kW·h 和2 315 kW·h，說明改造后建筑能耗降低了53%。對于未增設緩沖空間的情況，全年累計熱負荷為4 989 kW·h；對于僅在南向設置進深1.6 m 的傾斜式覆膜緩沖空間，其全年累計熱負荷為3 435 kW·h，僅在北向設置進深1.6 m 的傾斜式覆膜緩沖空間時，其全年累計熱負荷為3 825 kW·h。南北向同時設置進深1.6 m的傾斜式覆膜緩沖空間時，其年累計熱負荷為2 315 kW·h，證明利用緩沖空間能夠有效降低農宅建筑能耗。

3.5 經(jīng)濟性分析

通過與增加圍護結構保溫層的方式(外墻保溫、吊頂保溫)進行對比，綜合考慮建造成本、供暖能耗降低量、運行收益[22]、靜態(tài)投資回收期和全生命周期收益投資比(SIRM)[23]對3 種改造方式進行經(jīng)濟性分析，對比結果如表5所示。從表5可見：燃煤價格約850 元/t。覆膜緩沖空間的初投資為外墻保溫初投資的1/3左右，且運行收益比外墻保溫和吊頂保溫這2種方式的收益高。因此，覆膜緩沖空間具有建造成本低、運行收益高、投資回收期快的特點，適合農戶自主設計搭建使用。其主要問題是存在覆膜材料易損壞、使用壽命周期短的缺點，在全生命周期評價中，最優(yōu)的是外墻保溫方式，其次是覆膜緩沖空間。

表5 投資收益效果評價Table 5 Evaluation of effect of investment income

4 結論

1)對比不同材料、不同形式的覆膜緩沖空間，傾斜式PO膜緩沖空間可有效提升室內空間溫度4～5 ℃。

2)當緩沖空間進深為1.5～1.7 m 時，覆膜緩沖空間對于改善農宅熱負荷和保持房間照度的綜合作用最佳。

3)增設最優(yōu)覆膜緩沖空間(PO膜傾斜式、進深1.5 m)可使農宅全年能耗約降低53%。

4)覆膜緩沖空間的初投資是外墻保溫初投資的1/3左右，且運行收益比外墻保溫和吊頂保溫這2種方式的高，這說明覆膜緩沖空間具有建造成本低、運行收益高、投資回收期快的特點，適合農戶自主設計搭建使用。