引言随着碳达峰、碳中和目标的提出，建筑业减碳、降碳的研究成为热点[1]。农村住宅的保温和节能性逐渐引起研究人员的重视。NUMAN[2]对海湾地区的典型住宅进行研究，系统分析了围护结构因素变化对住宅能耗的影响。FLORIDES[3]对现代住宅进行通风及建筑结构的仿真模拟，发现提升住宅的门窗、墙体、屋面的隔热性能时，住宅保温效果的提升最大。SOMAYEH[4]建立了一种在建筑设计初期预测和量化商业建筑能耗的回归模型，将室内人员活动时间作为变量纳入分析范围。ZHANG[5]提出了基于TNM法令的计算模型，发现围护结构的保温性能是考量老旧住宅节能改造是否达标的重点。郑竺凌[6]等针对北京地区农村住宅进行调研分析，指出农宅保温方法是解决农村采暖问题的关键因素。田飞[7]对青岛农宅进行热环境和自然环境仿真模拟，总结适宜青岛地区农村住宅的节能改造方案。杨盼盼[8]等对典型农村住宅采暖能耗进行静态理论计算，提出了寒冷地区农宅围护结构的改造建议。文中基于临淄区取暖住宅的实地调研测试，分析临淄区农宅采暖季的耗气量情况，对耗气量的影响因素进行探讨，并结合实测数据运用DeST软件建模，计算典型住宅的负荷，最后针对农宅节能问题提出改造方案。1农村住宅测试样本基本信息目前，分户式燃气壁挂炉已在山东省农村全面推广，淄博市临淄区共有约82 000户农宅采用该取暖方式。淄博市临淄区地处鲁中丘陵与鲁北平原交接地带，气候变化具有明显的季节性[9]。农村居民点分布分散，农村住宅多为砖混结构的单层建筑，少量为二层建筑，层高2.8~3.5 m，卫生间多与客厅、厨房分开，呈U字形。2耗气量的影响因素分析2.1室内温度设定对燃气耗量的影响在整个供暖季，测定48户壁挂炉采暖住宅的室内温度，平均温度为14.49 ℃，略低于寒冷地区室内较舒适温度[10]。选取室外温度大致相同的20个样本，测定室内温度并计算日耗气量，室内温度与日耗气量指标的关系如图1所示。室内温度明显与燃气耗量有关，基本上呈正相关关系。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.006.F001图1室内温度与日耗气量指标的关系2.2开窗换气时间对燃气耗量的影响居住者行为是造成供暖能耗差异的主要因素之一[11]。针对开窗换气时间问题对农村壁挂炉供热住户进行问卷调查。问卷选项有3个类别：（1）每天开窗30 min以上；（2）每天开窗10~30 min；（3）不开窗或偶尔开窗。研究共收集了50份有效样本，类别1、类别2和类别3分别占14％、52％、34％。根据统计结果，农村燃气壁挂炉采暖用户倾向于不开窗或很少开窗，室内空气质量无法保证。为了进一步研究开窗换气时间对耗气量的影响，筛选具有相似围护结构的、室内温度在11~12 ℃之间的19户样本数据。其中，类别1有3户，类别2有9户，类别3有7户。开窗时间与日耗气量指标的关系如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.006.F002图2开窗时间与日耗气量指标的关系3个类别建筑样本的日耗气量指标的平均值分别为0.175 m3/m2、0.161 m3/m2和0.141 m3/m2。对比分析可见，在其余影响因素相似的情况下，开窗时间对燃气耗量有明显影响。与短时间开窗的住户相比，长时间开窗的住户的耗气量提高8.8％左右；与几乎不开窗的住户相比，长时间开窗的住户的耗气量提高24.1％左右，短时间开窗的住户的耗气量提高14.1％左右。3.1算例计算3.1.1典型算例按照有无阳台选择两个布置情况较为典型的案例建筑。案例1为平屋面砖混结构建筑，层高3.10 m，采暖面积为89.30 m2；案例2为附带阳台的平屋面砖混结构建筑，层高3.50 m，采暖面积为87.08 m2。两个建筑案例的结构尺寸如图3所示。图3两个建筑案例的结构尺寸（单位：mm）10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.006.F3a1（a）案例110.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.006.F3a2（b）案例23.1.2围护结构热物性参数根据实地调研，两个典型农宅建筑为砖混结构，外门为单层铝合金门，内门为普通木门，窗户为普通单层玻璃窗。围护结构的热物性参数如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.006.T001表1围护结构的热物性参数围护结构组成材料传热系数/[W/(m2·K)]外墙240 mm黏土砖+40 mm水泥砂浆+5 mm石灰砂浆1.851内墙240 mm黏土砖+20 mm水泥砂浆1.710屋面炉渣混凝土+膨胀聚苯板0.814窗户普通6 mm单层玻璃窗5.700外门普通铝合金外门3.750楼地240 mm砖楼地3.390内门单层木制内门0.3503.1.3室内发热量两个案例建筑的住户白天外出，晚上回家，室内主要发热设备为家用日常电器，设备发热量取3.8 W/m2，不同时段的人员数与室内设备发热量如表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.006.T002表2不同时段的人员数与室内设备发热量时间段人员数设备发热量/(W/m2)0：00~8：0023.88：00~17：0003.817：00~20：0013.820：00~24：0023.83.1.4室内外通风量室内外通风量折合换气次数为2次/h，由于采暖房间与邻室之间经常开门，通风次数设置为10次。3.1.5室内外温度测定采用TLOG温度自记仪记录2022年1月14日8：00至2022年1月15日7：00期间案例1和案例2建筑的室内外温度，两个建筑案例的室内外温度如图4所示。图4两个建筑案例的室内外温度10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.006.F4a1（a）案例110.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.006.F4a2（b）案例23.2计算分析文中采用DeST软件计算负荷，为建筑内外保温对于热环境的影响、住宅通风模式对住宅能耗的影响以及围护结构能耗模拟等方面提供了分析工具[12]。在DeST软件中设置建筑的围护结构及相应面积，最终得到建筑的逐时热负荷。Q总=∑i=124qi×3 600 (1)式中：Q总——建筑24 h的总耗热量，J；qi——逐时热负荷，W。据统计，在1月14日8：00至1月15日7：00期间，案例1和案例2的居民用气量分别为6.7 m3、11.8 m3。使用效率仪测得天然气壁挂炉的热效率为95%，天然气热值取35 590 000 J/m3。Q得=V×q×95% (2)式中：Q得——建筑24 h的实际得热量，J；q——天然气热值，kJ/m3；V——天然气用气量，m3。由表3可知，建筑得热与燃气产热的修正系数约为1.11~1.18。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.006.T003表3案例计算汇总项目案例1案例2每小时耗热量/(W/m2)24.7448.13计算耗热量/MJ190.86362.08耗气量/m36.7011.80实际得热量/MJ226.53398.96计算耗热量/实际耗热量0.842 50.907 84住宅节能改造临淄区大部分农宅未采取保温措施，门窗封闭性差，导致住宅采暖季耗气量高。根据有无阳台对临淄区农宅进行划分，选取案例1和案例2作为典型案例，从外墙、门窗、屋面3个方面进行节能改造设计。（1）外墙改造措施。农宅外墙采用黏土砖，外部涂抹水泥砂浆，石灰抹面，建造成本低但隔热保温效果差。综合保温性能和经济性，选择60 mm EPS聚苯板作为外墙的保温材料。（2）门窗改造措施。农宅外门和窗为单层铝合金门及普通6 mm单层玻璃外窗。为了追求采光效果，农宅的窗墙比较大，导致农宅热损失大，保温效果差。农宅外门窗密封性差，冷风渗透耗热量大，这会影响室内热环境，造成能源浪费。在此基础上，选用保温性和密封性较好的断桥铝门和low-e中空玻璃窗，在保证采光的基础上降低采暖能耗。（3）屋面改造措施。农宅屋顶采取倒置式保温屋面改造方案，倒置式保温屋面将保温层置于防水层之上，除隔热性能外，对保温材料的防水性能也有很高的要求，选取保温系数小、吸水性低、耐久性好的XPS挤塑板作为屋面保温材料。（4）综合改造方案。根据上述方案对两栋典型农宅开展节能改造，运用DeST进行模拟，得出改造后同条件下24 h的冬季取暖热负荷。改造住宅的围护结构热物性参数如表4所示，改造住宅的采暖热负荷如表5所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.006.T004表4改造住宅的围护结构热物性参数围护结构组成材料传热系数/[W/(m2·K)]外墙240 mm黏土砖+40 mm水泥砂浆+5 mm石灰砂浆+60 mm EPS聚苯板0.556内墙240 mm黏土砖+20 mm水泥砂浆1.710屋面炉渣混凝土+膨胀聚苯板+XPS挤塑聚苯板0.404窗户镀Low-e膜中空外窗2.100外门断桥铝合金外门3.000楼地240 mm砖楼地3.390内门单层木制内门0.35010.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.006.T005表5改造住宅的采暖热负荷项目算例1算例2改造后耗热量/MJ90.21140.58占比/%47.2738.83改造后耗气量/m33.174.58由表5可知，优化后农宅在采暖季的能耗下降53%~61%，节能方面的效果可观。5结语通过实地调研数据计算与DeST模拟分析相结合的方式对夏热冬冷地区农村典型住宅的耗气量及热负荷的影响因素进行分析，结论如下：在整个采暖季中，调研住宅的平均室内温度为14.49 ℃，农村住宅的燃气壁挂炉采暖耗气量与室内温度呈正相关关系。开窗换气时间是影响农村住宅采暖耗气量的重要因素之一，常开窗的农村住宅耗气量比不开窗的农村住宅耗气量增加24.1%左右。采用外墙、屋面增加保温层以及更换隔热门窗的方案能在考虑经济性前提下大幅提高农宅的保温性能，能耗约降低53%~61%。