引言受到建造技术、材料等因素的限制，北方地区农村既有建筑的热舒适性较差。研究人员对许昌农村地区进行实地考察发现，部分农村居住建筑的砖混结构占比较大；在冬季室外温度为0 ℃且室内无取暖设备时，许昌某农村既有居住建筑的室内温度仅3~4 ℃，亟须提高建筑的热舒适性。探索适合北方寒冷地区的农村既有建筑节能措施，对提高农村居民建筑热舒适、降低建筑运行能耗具有重要意义。1农村既有建筑现状及取暖形式1.1农村既有建筑现状许昌地区的热工设计区属于2B[1]，为温带季风气候，冬季寒冷、雨雪较少，最冷月为1月，偶尔出现极端低温天气。许昌地区的农村居住建筑普遍为砖混结构，既有建筑类型可分为L形与一字形[2]。部分农村地区居住建筑演变过程如图1所示。20世纪农村砖瓦结构建筑普遍无人居住，且数量较少；加固过的砖瓦居住建筑数量较少；实地考察过程中，主要建筑类型为21世纪早期的农村砖混结构建筑，部分建筑二楼增加了屋脊或楼梯位置不同，均为L形建筑；新式农村居住建筑的建筑类型多样。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.11.001.F001图1部分农村地区居住建筑演变过程1.2冬季农村既有建筑取暖形式演变“家电下乡”政策出台前，农村空调的保有量极低，农村建筑冬季的取暖材料主要是柴薪、农作物秸秆、煤炭等。农作物秸秆易获取、无费用支出，但是随着时代发展，农村居民的冬季取暖方式逐步转向煤炭取暖，煤炭取暖的价格远高于秸秆取暖。煤炭不充分燃烧会产生一氧化碳，不同浓度的一氧化碳会对人体造成不同程度的伤害，如果不规范使用煤炭取暖，屋内人员容易发生一氧化碳中毒（俗称煤气中毒）[3]。随着“家电下乡”政策的出台和农村经济增长，空调在农村的普及率逐年上升，油汀、电暖扇、电热炉和电热膜在农村冬季取暖工作中也占据一定比例。农村的主要取暖方式逐渐转变为电取暖，减少了对环境的污染。2研究方法2.1冬季建筑热舒适现状考察地区的农村既有建筑发现，L形建筑数量占比较大，大部分为二层建筑，L形二层居民建筑如图2所示。农村既有建筑具有闲置房间，作为储物间使用，空置房间形成温度阻尼区，具有保温与隔热作用。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.11.001.F002图2L形二层居民建筑西华地区典型气象年的干球温度如图3所示。根据《河南省居住建筑节能设计标准（寒冷地区75%）》，许昌地区的气象数据可以参考西华地区设定。2022年1月，研究人员对农村既有居住建筑的温湿度和黑球温度进行监测，监测温度的仪器与精度如表1所示。每隔10 min记录1次数据，测点位于室内中部1.2 m处，为单测点。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.11.001.F003图3西华地区典型气象年的干球温度10.3969/j.issn.1004-7948.2022.11.001.T001表1监测温度的仪器与精度测试项目测试仪器精度干球温度/℃建大仁科cos-3温湿度记录仪±0.15（25 ℃）相对湿度/%建大仁科cos-3温湿度记录仪±1.5RH（60%，25 ℃）黑球温度/℃建大仁科USB型黑球温度记录仪±0.2（25 ℃）许昌某农村地区2022年1月19日至1月25日的室内参数值如图4所示。许昌某农村地区2022年1月19日晚至1月25日室外天气状况如表2所示。测试期间室内干球温度的平均值为3.2 ℃，黑球温度的平均值为3.1 ℃，相对湿度平均值为73.6%，黑球温度和干球温度均低于相关标准的要求，室内热舒适性较低，人员冷感明显。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.11.001.F004图4许昌某农村地区2022年1月19日至1月25日的室内参数值10.3969/j.issn.1004-7948.2022.11.001.T002表2许昌某农村地区1月19日至1月25日室外天气状况日期天气状况2022年1月19日阴2022年1月20日小雨2022年1月21日中雪2022年1月22日小雪转阴2022年1月23日中雪转小雪2022年1月24日阴2022年1月25日多云转晴2.2模型建立及分析方法房间模型的类型和尺寸如表3所示。围护结构类型如表4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.11.001.T003表3房间模型的类型及尺寸序号房间类型数量房间尺寸（长×宽×高）/(m×m×m)1一楼卧室26.0×3.5×3.92一楼客厅16.0×3.5×3.93一楼大空房间17.5×3.5×3.94一楼小空房间13.8×3.5×3.95一楼厨房13.8×3.5×3.96二楼卧室16.0×3.5×3.37二楼空房间16.0×3.5×3.310.3969/j.issn.1004-7948.2022.11.001.T004表4围护结构类型序号围护结构类型1墙体24黏土砖2门普通单层木门3窗普通木框单层玻璃窗4地面无保温地面5屋顶普通预制板除了储藏室外，其他房间均需要供冷和供热；屋顶与地面未使用保温隔热措施。对建筑进行简化，斯维尔模型简化版如图5所示。房间类型及分布如图6所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.11.001.F005图5斯维尔模型简化版10.3969/j.issn.1004-7948.2022.11.001.F006图6房间类型及分布2.3斯维尔能耗模拟围护结构的传热耗热量由基本耗热量和附加耗热量构成，计算过程参考《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》[4]进行。利用斯维尔软件对模型进行能耗模拟，模型采暖面积为97.3 m2。建筑模型能耗模拟结果如表5所示。将建筑能耗转化为电耗（供热设计温度为18 ℃），建筑模型的总能耗构成如图7所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.11.001.T005表5建筑模型能耗模拟结果项目数值供暖需求/(kWh/m2)93.65整楼负荷/W13 341供暖负荷指标/(W/m2)137.11建筑总能耗/(kWh/m2)92.33注：不考虑窗日射和热回收，建筑全能耗包括供热/冷能耗、风机能耗、可再生能源等项目。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.11.001.F007图7建筑模型的总能耗构成农村建筑的保温性能较差导致建筑能耗水平高，改造农村建筑可以有效降低建筑能耗。研究人员通过长期调研发现，农村居民在冬季的实际取暖时长较短，实际能耗低于模拟结果。3既有建筑节能措施3.1围护结构（1）屋顶改造。彩钢瓦因施工简单、施工工期短、防护效果优异，占据农村防雨、防晒材料的主要市场。安装坡屋顶可以有效降低建筑的能耗。研究人员通过实地调研发现，农村居民拆除旧建筑时会保留部分品相完好、质量可靠的砖、瓦、檩条等建材，屋顶改造过程中，可以对老旧建材和既有建筑进行评估，选取可以重复利用的砖瓦进行坡屋顶改造，节省材料费用，提高农村居民对建筑优化改造的积极性。采用良好的建材和保温方式能够明显增强节能效果。（2）窗户改造。窗户的热工性能薄弱，使用过程产生的热损失较大。农村建筑窗框类型丰富，窗户密封性差；玻璃类型相对单一，为普通玻璃；卧室一般使用薄窗帘，薄窗帘的遮光和隔热性能有限。从经济角度分析，推荐使用密封胶对窗框进行注胶，提升窗户密封性；从节能效果角度分析，优先考虑使用断桥铝窗框和多层玻璃，并增加窗帘厚度，可以提升窗户的热工性能和卧室防噪等级。（3）外墙改造。河南中部农村建筑的墙体一般为24砖墙结构，后期建筑的墙体逐步过渡为热工性能较好的建材。改造既有居住建筑墙体时，通常在墙体内部或外部增加保温板，推荐使用EPS和XPS保温板对外墙进行改造。（4）地面改造。为了降低建筑的运行能耗，会对建筑地面采取隔热措施。通常在地基上部敷设一层砖，使用水泥抹平或在此基础上添加地板砖，但是并未采取地面保温措施。对地面进行改造可以有效降低建筑能耗。对地面进行大规模保温隔热和防水防潮改造工作时，需要在不影响既有建筑地基的基础上进行施工改造，避免破坏地基。3.2新能源的应用在农村既有建筑改造中采用新材料、新技术可以提高节能效果，新的建筑节能技术的普及和清洁能源的应用为农村既有建筑节能带来更多的选择。太阳能作为清洁能源在建筑节能中被普遍应用，使用太阳能电池板可以有效降低建筑的运行能耗。刘艳峰[5]等研究发现，将光伏组件附加在屋顶会对建筑热工性能造成一定影响。2020年和2021年在河南中部农村实地考察中发现，部分家庭对太阳能电池板的接受程度较高，太阳能电池板的相关产品（如太阳能灯具、太阳能发电组件）已经在部分农村家庭中得到应用，并且用户使用反馈良好。农村建筑的屋顶面积较大，适合敷设太阳能电池板，优势明显。4节能措施模拟分析4.1节能措施模拟分析通过对农村既有建筑的围护结构添加保温层，更换热工性能较好的玻璃，可以有效提升建筑的热工性能，降低建筑的能耗，进而降低碳排放。农村既有建筑的改造措施如表6所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.11.001.T006表6农村既有建筑的改造措施序号改造部位改造措施1屋顶改为坡屋顶2外墙增加50 mm聚苯板保温层3外门使用保温门4外窗使用中空玻璃5控温房间室内地面增加20 mm挤塑板保温层6控温房间楼板增加20 mm挤塑板保温层。7清洁能源增加面积为15 m2的太阳能电池板农村既有建筑节能改造模型如图8所示。部分围护结构改造后构造如图9所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.11.001.F008图8农村既有建筑节能改造模型10.3969/j.issn.1004-7948.2022.11.001.F009图9部分围护结构改造后构造改造后建筑能耗模拟结果如表7所示。改造后建筑全能耗构成如图10所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.11.001.T007表7改造后建筑能耗模拟结果项目数值供暖需求/(kWh/m2)28.13整楼负荷/W5 702供暖负荷指标/(W/m2)58.60建筑总能耗/(kWh/m2)26.5110.3969/j.issn.1004-7948.2022.11.001.F010图10改造后建筑全能耗构成通过改造农村既有居住建筑的围护结构，并增加太阳能电池板，农村既有建筑的能耗大幅下降。改造前后，供暖需求、整楼负荷、供暖负荷指标、建筑总能耗的差值分别为65.52 kWh/m2、7 639 W、78.51 W/m2、65.82 kWh/m2，降低比例分别为69.96%、57.26%、57.26%、71.29%。4.2农村既有建筑节能改造探讨4.2.1外墙改造探讨工作人员需要考虑建筑节能改造成本，结合农村经济、农村既有建筑的实际情况，在农村既有建筑墙体保温改造工作中采用非对称式保温设计。刘凌[6]等研究西安地区的非对称式保温结构发现，与传统保温设计相比，非对称式保温设计可以在一定限度上减少保温材料的使用量，降低费用支出。桑鹏飞[7]等在青海农村住宅节能研究中采用了非对称式保温措施，其节能效果显著。结合实地走访了解地区的农村经济状况，农村地区既有建筑的改造优先选用非对称式保温设计。非对称式保温更适合精细化设计，面对数量庞大的农村既有建筑，需要相关学者研究更简单、便捷的保温层厚度计算方法。4.2.2供热改造探讨研究人员通过实地调查与走访发现，农村建筑在冬季的取暖方式主要为电取暖。冬季使用空调取暖时，取暖成本相对较高，农村建筑更适合局部供热，电暖扇制热快、使用方便，在农村家庭冬季取暖中具有一定的占有量。石墨烯电热膜具有电热转化率较高等特点，适合在农村冬季取暖中应用。曹新红[8]等研究发现，在供热中使用石墨烯远红外线电热膜材料具有一定的可行性，可以适当推广石墨烯电热膜在农村冬季取暖中的应用。5结语农村既有建筑的节能改造可以降低碳排放、建筑运行能耗，提升农村建筑的室内热舒适度。通过对许昌的农村既有居住建筑进行实地走访和调研，进行建筑改造，使用斯维尔软件进行数据模拟。结果发现，建筑总能耗降低了71.29%，节能效果明显；应用太阳能电池板可以有效降低建筑的总能耗。