覆膜緩沖空間對(duì)農(nóng)宅室內(nèi)光熱環(huán)境的影響
——以遼中地區(qū)為例

張雪研，趙佳藝，楊一鳴，蘇媛

(1.大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部，遼寧大連，116024；2.大連理工大學(xué)建筑與藝術(shù)學(xué)院，遼寧大連，116024)

隨著農(nóng)村住宅向城鎮(zhèn)化轉(zhuǎn)變，農(nóng)宅設(shè)計(jì)寬敞化趨勢(shì)明顯[1]，農(nóng)村居民對(duì)生活品質(zhì)及室內(nèi)舒適性的要求不斷提高，農(nóng)宅供暖能耗居高不下。2008年至2018年，農(nóng)村住宅建筑煤耗總量從1.57億t增加到1.65億t，增長(zhǎng)了5.09%[2]，農(nóng)宅熱損失問(wèn)題嚴(yán)重[3]。東北地區(qū)傳統(tǒng)農(nóng)村既有住宅建筑多為農(nóng)民自建磚混結(jié)構(gòu)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能差，墻體傳熱系數(shù)超標(biāo)448%[4]，室內(nèi)熱舒適性顯著降低。為了減少建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱量損失，抵御室外冷空氣，改善室內(nèi)熱不舒適問(wèn)題，多數(shù)經(jīng)濟(jì)條件一般的居民選擇在農(nóng)宅南北兩側(cè)搭建可拆卸式覆膜緩沖空間。王秀萍等[5]發(fā)現(xiàn)應(yīng)用可拆卸的覆膜緩沖空間，在相同的燃料消耗下，室內(nèi)溫度可提高2～3 ℃。新農(nóng)村建設(shè)強(qiáng)調(diào)充分利用太陽(yáng)能等可再生能源，董海榮等[6]對(duì)冀北地區(qū)進(jìn)行充分調(diào)研，提出了在農(nóng)宅南側(cè)建陽(yáng)光間等被動(dòng)式太陽(yáng)能利用方法的建議。金虹[7]發(fā)現(xiàn)農(nóng)宅外門因頻繁開(kāi)啟不可避免冷風(fēng)侵入，可采用門斗、雙層門的方式減少冷風(fēng)侵入量。李智卓等[8]通過(guò)Design Builder軟件對(duì)遼西地區(qū)農(nóng)宅節(jié)能改造措施進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)增設(shè)玻璃門斗或陽(yáng)光間可以使農(nóng)宅入門走廊溫度平均提升3.5 ℃。有關(guān)嚴(yán)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(jì)算分析；此外，直接將城市建筑應(yīng)用較多、造價(jià)較高的玻璃陽(yáng)光間與農(nóng)宅集成設(shè)計(jì)，脫離了農(nóng)村實(shí)際。秦鑫等[9]發(fā)現(xiàn)農(nóng)戶通過(guò)對(duì)外窗鋪訂塑料薄膜可起到保溫作用，但這同時(shí)導(dǎo)致室內(nèi)水蒸氣無(wú)法排出，在氣溫較低時(shí)易凝結(jié)，嚴(yán)重影響居室采光。因此，需要利用科學(xué)合理的研究分析手段，使覆膜緩沖空間的設(shè)計(jì)更利于降低農(nóng)宅能耗，改善農(nóng)宅室內(nèi)光熱環(huán)境。南側(cè)的覆膜緩沖空間與陽(yáng)光間的作用類似。REMPEL等[10]通過(guò)EnergyPlus模擬研究了俄勒岡州現(xiàn)有陽(yáng)光間的熱量傳遞特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)受到植物遮擋是陽(yáng)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(guò)DEROB-LTH軟件模擬探究了陽(yáng)光間熱性能的影響因素，證明陽(yáng)光間玻璃圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(yáng)光間的熱性能。此外，在能耗計(jì)算方面，常見(jiàn)的模擬軟件有DOE-2，EnergyPlus，DeST，Design Builder 等。朱丹丹等[12]運(yùn)用EnergyPlus 和DOE-2 軟件對(duì)標(biāo)準(zhǔn)算例進(jìn)行模擬得出，在計(jì)算鄰室傳熱問(wèn)題時(shí)，DOE-2沒(méi)有嚴(yán)格考慮房間熱平衡。同時(shí)，EnergyPlus軟件采用各向異性的天空模型來(lái)增強(qiáng)傾斜表面的天空輻射強(qiáng)度，其效果比DeST軟件的好。對(duì)于遼中地區(qū)農(nóng)宅來(lái)說(shuō)，相鄰房間溫度存在差異，鄰室傳熱問(wèn)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(duì)北方農(nóng)村地區(qū)既有建筑利用塑料薄膜搭建緩沖空間的應(yīng)用研究只提出了措施建議，而未見(jiàn)針對(duì)該技術(shù)與農(nóng)宅集成應(yīng)用的實(shí)際效果分析及設(shè)計(jì)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(gòu)造、尺寸等設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)降低農(nóng)宅能耗、改善光熱環(huán)境、提高生活品質(zhì)等方面的影響。

1 覆膜緩沖空間設(shè)計(jì)模式及應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 集成農(nóng)宅設(shè)計(jì)模式

遼中地區(qū)處于東北亞中心地帶，主要包括沈陽(yáng)、鞍山、撫順等8 個(gè)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(shí)數(shù)大于3 000 h，水平太陽(yáng)輻射強(qiáng)度高于5 000 MJ/m2，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度年總量為5 020～6 280 MJ/m2[13]，在太陽(yáng)能資源分區(qū)中屬于資源較豐富地區(qū)。遼中地區(qū)農(nóng)村建筑多以“三開(kāi)間”或“四開(kāi)間”模式為主，三開(kāi)間模式的中間位置為廚房，內(nèi)置灶臺(tái)，東西兩側(cè)房間為臥室，采用火炕和土暖氣聯(lián)合供暖；四開(kāi)間則在西側(cè)或東側(cè)多設(shè)計(jì)1間客廳或臥室。為防止冬季寒風(fēng)侵入室內(nèi)增加熱負(fù)荷、降低室內(nèi)熱舒適性，多數(shù)農(nóng)戶采用覆膜緩沖空間與建筑集成應(yīng)用的方式解決上述問(wèn)題，集成設(shè)計(jì)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(shí)實(shí)現(xiàn)冬季防寒、夏季遮陽(yáng)的功能。農(nóng)村建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料及物性參數(shù)見(jiàn)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(jiàn)表2。本文針對(duì)農(nóng)宅南北兩側(cè)分別增加緩沖空間是否有利于降低建筑熱損失及如何，營(yíng)造室內(nèi)舒適光熱環(huán)境的問(wèn)題進(jìn)行研究，分別探討緩沖空間材料、構(gòu)造、尺寸對(duì)室內(nèi)環(huán)境的影響，最終提出最佳設(shè)計(jì)參數(shù)。

表1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)的構(gòu)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(cè)試儀器及方法

本文作者團(tuán)隊(duì)分別于2019年1月和2020年1月對(duì)遼中地區(qū)某典型農(nóng)村建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)溫度和熱流密度、室內(nèi)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(shè)備表面溫度及熱流密度等進(jìn)行了測(cè)試，時(shí)間間隔為5 min，同時(shí)針對(duì)該農(nóng)戶居民生活行為進(jìn)行了跟蹤監(jiān)測(cè)。主要測(cè)試參數(shù)及所用儀器見(jiàn)表3。測(cè)點(diǎn)布置及測(cè)試方法分別參照GB/T 50785—2012“民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)”、GB/T 15405—1994“被動(dòng)式太陽(yáng)房技術(shù)條件與熱性能測(cè)試方法”、JGJ/T 358—2015“農(nóng)村火炕系統(tǒng)通用技術(shù)規(guī)程”，圖1(b)所示為測(cè)點(diǎn)布置。

表3 測(cè)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(shè)計(jì)形式Fig.1 Film-covered buffer space and architectural integrated design form

1.3 應(yīng)用現(xiàn)狀分析

1.3.1 溫度和濕度

室外及農(nóng)宅南側(cè)緩沖空間及室內(nèi)各主要功能房間溫度實(shí)測(cè)結(jié)果如圖2(a)所示。由圖2(a)可以看出：室內(nèi)各功能房間的空氣溫度出現(xiàn)2次峰值，主要與供暖設(shè)備(灶炕-土暖氣)2次/d的間歇運(yùn)行方式直接相關(guān)；而緩沖空間內(nèi)溫度變化與室外溫度變化規(guī)律基本一致，日間受太陽(yáng)輻射得熱直接影響，覆膜緩沖空間透過(guò)短波太陽(yáng)輻射后，內(nèi)部空氣溫度升高至27 ℃，高出各功能房間4.3 ℃，可通過(guò)對(duì)流換熱的方式提高室內(nèi)溫度；而夜間緩沖空間與室外空氣發(fā)生對(duì)流換熱，并受天空冷輻射影響散熱。圖2(b)所示為農(nóng)宅南側(cè)入戶門的開(kāi)關(guān)情況及室內(nèi)外空氣溫度的變化。當(dāng)外門頻繁開(kāi)啟時(shí)，室外空氣溫度對(duì)室內(nèi)空氣溫度影響較小。

圖2 農(nóng)宅室內(nèi)外溫度與農(nóng)宅入戶門開(kāi)關(guān)情況Fig.2 Indoor and outdoor air temperature versus opening and closing condition of rural house

冬季，建筑北側(cè)為迎風(fēng)面，故在北側(cè)搭建覆膜緩沖空間可有效降低冷風(fēng)滲透量，并起到一定的保溫作用。但其內(nèi)部溫度的測(cè)量結(jié)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(jì)算的基礎(chǔ)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(shè)備表面溫度

圖3所示為供熱設(shè)備表面溫度。由圖3可見(jiàn)：土暖氣表面溫度變化分別在8:30—10:00和14:30—16:00 時(shí)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(jié)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(shí)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(nóng)戶起床后收起被褥有關(guān)；此外，還有2 個(gè)峰值分別出現(xiàn)在10:00—10:30 和16:30—18:00，炕面溫度達(dá)到40 ℃，這與居民間歇式供暖相關(guān)。

圖3 供熱設(shè)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(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)緩沖空間內(nèi)各壁面熱量傳遞過(guò)程進(jìn)行計(jì)算分析，得到南側(cè)單位時(shí)間緩沖空間熱量傳遞結(jié)果如圖4所示。以太陽(yáng)輻照度大于100 W/m2進(jìn)行劃分，陽(yáng)光直射時(shí)段為9:00—15:00，非陽(yáng)光直射時(shí)段為15:00—次日9:00。在陽(yáng)光直射時(shí)段，太陽(yáng)輻射是緩沖空間的直接熱源，經(jīng)計(jì)算太陽(yáng)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(duì)流換熱過(guò)程，其換熱量約為1.8 kW，占總換熱量的31%，其中，非透光圍護(hù)結(jié)構(gòu)和地面吸收的熱量相近，約占20%，部分熱量傳入室內(nèi)，部分被儲(chǔ)存在重質(zhì)結(jié)構(gòu)中。在非陽(yáng)光直射時(shí)段，由于薄膜為輕質(zhì)結(jié)構(gòu)無(wú)蓄熱能力，室外氣溫降低后，緩沖空間內(nèi)氣溫迅速降低，通過(guò)農(nóng)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(qiáng)緩沖空間的密封性，并可在PO 膜外增加夜間覆蓋物等來(lái)降低建筑熱損失。

圖4 南向覆膜緩沖空間結(jié)構(gòu)及換熱強(qiáng)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(jié)構(gòu)包括塑料覆膜層、活動(dòng)空間、建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)(墻體、門、窗)。由圖4可見(jiàn)：在日間狀況下，太陽(yáng)輻射通過(guò)2種方式進(jìn)入覆膜緩沖空間，一是直接透過(guò)塑料膜，二是被塑料膜、地面和建筑墻體外表面吸收后由對(duì)流換熱方式傳入緩沖空間內(nèi)。本文綜合考慮以上2種方式探討緩沖空間內(nèi)的綜合傳熱過(guò)程。

2.2 數(shù)學(xué)模型

2.2.1 傳熱方程組

基于上述物理模型，構(gòu)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(yáng)直射輻射得熱比例最高[16]，在計(jì)算過(guò)程中，忽略散射輻射得熱，則塑料膜吸收太陽(yáng)輻射得熱計(jì)算公式為

式中：q1為單位面積塑料膜吸收太陽(yáng)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(nóng)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(nèi)表面與空氣之間的換熱熱阻，(m2?℃)/W。

塑料薄膜假設(shè)厚度為0.5 mm，薄膜內(nèi)外表面溫度相同，夜間吸收太陽(yáng)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(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2?K)；hs,out=5.7+3.8v，v為室外風(fēng)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(nèi)空氣間的對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2?K)；Tsa為緩沖空間內(nèi)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(shí)，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(gè)方向)，塑料膜水平方向面積為進(jìn)深與房屋外墻寬度之積。

忽略空氣對(duì)太陽(yáng)輻射的直接吸收，有緩沖空間內(nèi)部空氣流動(dòng)熱平衡方程為

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

2.2.2 假設(shè)條件

本次研究建立的覆膜緩沖空間傳熱過(guò)程數(shù)學(xué)模型假設(shè)條件如下：1)圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料的熱物性參數(shù)與其溫度變化無(wú)關(guān)；2)緩沖空間內(nèi)氣體充分混合，忽略空氣對(duì)太陽(yáng)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(wú)蓄熱量。

2.2.3 邊界條件

室外氣候參數(shù)采用《中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)氣象數(shù)據(jù)庫(kù)》中沈陽(yáng)市的典型氣象年數(shù)據(jù)進(jìn)行全年能耗模擬。農(nóng)宅取暖時(shí)段為10月15日至次年4月15日。按照DB 64/1068—2015“農(nóng)村住宅節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)”，農(nóng)宅臥室和客廳的室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為14 ℃，廚房溫度為11 ℃，雜物間走廊不設(shè)置供暖[18]。

2.2.4 相關(guān)系數(shù)確定

對(duì)流換熱系數(shù)hs,in由經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到[19]，其值與膜表面溫度有關(guān)，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(jié)合輻射換熱系數(shù)計(jì)算公式確定hrsf，hrsw，hrsc，hrfw和hs,sky，進(jìn)而計(jì)算輻射換熱量。參照單層玻璃的分析計(jì)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(yàn)證

通過(guò)Design Builder 模擬得到農(nóng)宅室內(nèi)溫度變化，時(shí)間間隔為30 min，溫度模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，如圖5所示。由圖5可知：西臥室和緩沖空間內(nèi)的空氣溫度模擬值與實(shí)測(cè)值基本一致。評(píng)價(jià)模型優(yōu)劣的指標(biāo)見(jiàn)表4，由表4可知：溫度模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的誤差在允許范圍內(nèi)[20]。當(dāng)農(nóng)宅未設(shè)置緩沖空間時(shí)，房間設(shè)計(jì)溫度為16 ℃[20]，計(jì)算得到單位面積熱負(fù)荷為122 W/m2，與文獻(xiàn)[21]給出的沈陽(yáng)地區(qū)非節(jié)能村鎮(zhèn)住宅建筑熱指標(biāo)計(jì)算值116 W/m2基本一致，相對(duì)誤差小于5%，證明通過(guò)Design Builder計(jì)算得到的結(jié)果較可靠。

表4 模型修正與評(píng)價(jià)方法Table 4 Model modification and evaluation method

圖5 室內(nèi)空氣溫度模擬與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)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(nèi)空氣溫度模擬值呈現(xiàn)每天2次升溫現(xiàn)象，與實(shí)測(cè)數(shù)值變化趨勢(shì)基本一致，這是居民日間炊事和取暖所致。緩沖空間內(nèi)空氣溫度主要受太陽(yáng)輻射照度的影響，由于模擬軟件使用的氣象太陽(yáng)輻射照度與實(shí)測(cè)的太陽(yáng)輻射照度的變化時(shí)間滯后約1 h，因此，緩沖空間溫度模擬值較實(shí)測(cè)值出現(xiàn)時(shí)間延遲現(xiàn)象，但總體變化趨勢(shì)相近。這說(shuō)明該模型對(duì)于本研究具有適用性。

3 結(jié)果分析

3.1 緩沖空間材料對(duì)保溫效果的影響

通過(guò)調(diào)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(duì)這3 種材料進(jìn)行對(duì)比，其傳熱系數(shù)分別為5.36，5.89 和1.79 W/(m2·K)，太陽(yáng)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(nèi)空氣溫度對(duì)比。由圖6可知：當(dāng)應(yīng)用不同材質(zhì)時(shí)，西臥室內(nèi)溫度差異小于0.5 ℃，說(shuō)明緩沖空間材質(zhì)對(duì)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(yīng)用另2 組材料的日間溫度相近，當(dāng)采用3 mm單玻時(shí)，緩沖空間夜間溫度低至-20 ℃。這說(shuō)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(diǎn)，因此，推薦優(yōu)先選用PO膜。

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

3.2 緩沖空間形式對(duì)保溫效果的影響

圖7所示為不同形式緩沖空間室內(nèi)空氣溫度對(duì)比。由圖7可知：當(dāng)應(yīng)用門斗式緩沖空間時(shí)，臥室內(nèi)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(gòu)造(結(jié)合實(shí)測(cè)調(diào)查，取傾角為60°)具有較好的溫度提升作用，室內(nèi)溫度可提高4～5 ℃，效果最好。

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

3.3 緩沖空間最佳進(jìn)深

緩沖空間圍護(hù)結(jié)構(gòu)距離建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面的進(jìn)深直接影響建筑室內(nèi)的采光效果和太陽(yáng)輻射得熱能力，進(jìn)而影響農(nóng)宅熱負(fù)荷，因此，需要給出緩沖空間的最佳設(shè)計(jì)進(jìn)深。通過(guò)Design Builder模擬各功能空間的太陽(yáng)輻射得熱，并結(jié)合GB 50352—2019“民用建筑設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)”中“住宅走道凈寬不應(yīng)小于1 000 mm”的規(guī)定，取進(jìn)深為1.0～2.0 m。圖8所示為覆膜緩沖空間進(jìn)深與太陽(yáng)輻射得熱的關(guān)系。由圖8可見(jiàn)：當(dāng)緩沖空間進(jìn)深從1.0 m增至2.0 m時(shí)，緩沖空間年累計(jì)太陽(yáng)輻射直接得熱由29 000 kW·h增至38 000 kW·h，建筑室內(nèi)空間太陽(yáng)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(jìn)深與太陽(yáng)輻射得熱的關(guān)系Fig.8 Relationships between depth of film-covered buffer space and solar heat gain

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

房間整體太陽(yáng)輻射直接得熱隨進(jìn)深增加而增加，呈正比關(guān)系，其線性回歸方程為

式中：Y2為房間太陽(yáng)輻射直接得熱，kW·h；x2為進(jìn)深，m。

圖9所示為覆膜緩沖空間進(jìn)深對(duì)房間全年累計(jì)熱負(fù)荷及中午12:00時(shí)房間最低照度的影響。由圖9可知：當(dāng)進(jìn)深為1.5～1.7 m 時(shí)，全年累計(jì)熱負(fù)荷處于極小值；當(dāng)進(jìn)深從1.6 m 增至2.0 m 時(shí)，房間熱負(fù)荷僅增加2%；當(dāng)緩沖空間進(jìn)深由1.2 m 增加至2.0 m 時(shí)，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(jìn)深范圍應(yīng)為1.5～1.7 m。

圖9 覆膜緩沖空間進(jìn)深對(duì)房間最低照度及全年累計(jì)熱負(fù)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(guò)Design Builder 分別對(duì)供暖面積為60.5 m2的基準(zhǔn)建筑和改造建筑全年供熱能耗進(jìn)行模擬，得到全年累計(jì)熱負(fù)荷分別為4 989 kW·h 和2 315 kW·h，說(shuō)明改造后建筑能耗降低了53%。對(duì)于未增設(shè)緩沖空間的情況，全年累計(jì)熱負(fù)荷為4 989 kW·h；對(duì)于僅在南向設(shè)置進(jìn)深1.6 m 的傾斜式覆膜緩沖空間，其全年累計(jì)熱負(fù)荷為3 435 kW·h，僅在北向設(shè)置進(jìn)深1.6 m 的傾斜式覆膜緩沖空間時(shí)，其全年累計(jì)熱負(fù)荷為3 825 kW·h。南北向同時(shí)設(shè)置進(jìn)深1.6 m的傾斜式覆膜緩沖空間時(shí)，其年累計(jì)熱負(fù)荷為2 315 kW·h，證明利用緩沖空間能夠有效降低農(nóng)宅建筑能耗。

3.5 經(jīng)濟(jì)性分析

通過(guò)與增加圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫層的方式(外墻保溫、吊頂保溫)進(jìn)行對(duì)比，綜合考慮建造成本、供暖能耗降低量、運(yùn)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(duì)3 種改造方式進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，對(duì)比結(jié)果如表5所示。從表5可見(jiàn)：燃煤價(jià)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(yùn)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(yùn)行收益高、投資回收期快的特點(diǎn)，適合農(nóng)戶自主設(shè)計(jì)搭建使用。其主要問(wèn)題是存在覆膜材料易損壞、使用壽命周期短的缺點(diǎn)，在全生命周期評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)Table 5 Evaluation of effect of investment income

4 結(jié)論

1)對(duì)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(nèi)空間溫度4～5 ℃。

2)當(dāng)緩沖空間進(jìn)深為1.5～1.7 m 時(shí)，覆膜緩沖空間對(duì)于改善農(nóng)宅熱負(fù)荷和保持房間照度的綜合作用最佳。

3)增設(shè)最優(yōu)覆膜緩沖空間(PO膜傾斜式、進(jìn)深1.5 m)可使農(nóng)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(yùn)行收益比外墻保溫和吊頂保溫這2種方式的高，這說(shuō)明覆膜緩沖空間具有建造成本低、運(yùn)行收益高、投資回收期快的特點(diǎn)，適合農(nóng)戶自主設(shè)計(jì)搭建使用。