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北方地区清洁取暖和“双碳”战略的实施，正加速推动农村居住建筑冬季供暖向清洁、低碳、高效的方式转变。供暖能耗计算是评估农村居住建筑供暖用能需求、标准节能率和既有农村居住建筑节能改造能效水平的主要途径。而目前的农村居住建筑相关标准及文献研究普遍采用城镇住宅的全室连续供暖能耗计算方法，与农村实际情况不符。本文基于农村现状调研，提出了一种符合寒冷地区农村居住建筑使用特征的分室间歇供暖能耗计算方法，并通过寒冷地区典型建筑在现状和现行国标围护结构条件下的分室间歇与全室连续供暖能耗模拟，对2种不同算法下的能耗和节能率进行了比较分析。
《北方地区冬季清洁取暖规划（2017—2021）》指出，农村是北方地区推行清洁取暖的最大短板，是替代散烧煤的主力地区。近年来，政府和社会各界都在积极探索和推广有效的农村清洁供暖方案。其中，提高建筑的被动节能性能和采用清洁供暖设施成为主要实现途径。
北方地区农村居住建筑（以下简称“农房”）围护结构热工性能薄弱、供暖设备简陋，冬季供暖能耗约占生活总能耗的80%。其中，寒冷地区农村人口密集，冬季供暖能耗高、大气污染严重的问题最为突出。根据GB 50178—93《建筑气候区划标准》，寒冷地区包括天津、山东、宁夏全境，北京、河北、山西、陕西大部，辽宁南部，甘肃中东部，以及河南、安徽、江苏北部的部分地区。
《城乡建设领域碳达峰实施方案》要求，制定和完善农房建设相关标准，并在北方地区冬季清洁取暖项目中推进农房节能改造，提高常住房间舒适性，改造后实现整体能效提升30%以上。如何明确寒冷地区农房建设标准的节能水平及围护结构设计指标、如何评估农房节能改造后的能效水平，成为有效完成上述任务的关键环节，而这普遍借助于建筑的供暖能耗计算。当前，寒冷地区居住建筑相关标准中的供暖能耗计算普遍按照城镇住宅的集中连续供暖模式考虑，即采用全室连续的供暖能耗算法。相关文献在农房供暖能耗计算时也未区分常住与非常住房间的居住特征，而是沿用城镇住宅供暖能耗计算思路。
提出适宜农村现状、符合农房居住特征的供暖能耗计算方法，有助于提高寒冷地区农村清洁供暖和“双碳”工作质量，其重要意义在于：1） 在农村建筑用能调研方面，可更准确地反映农村供暖需求；2） 在编制农房节能设计标准方面，可更准确地反映不同围护结构热工性能下的节能率及能耗指标，明确合理的围护结构设计参数限值；3） 在评估既有农房节能改造和清洁供暖效果方面，可更准确地反映不同围护结构改造方案、清洁供暖方式下的节能量及经济指标等，明确合理的供暖方案。
农房现状分析
本文通过文献及问卷调研等方式对寒冷地区农村居住现状进行了调研。其中，文献调研以横跨寒冷A区和B区的陕西省为典型地区，以其地方统计年鉴为依据，通过宏观数据反映农村发展情况。根据《中国城乡建设统计年鉴》《陕西统计年鉴》，统计获得2011—2020年陕西省农房建筑面积、农村人口和居住支出等数据，见图1~3。这期间陕西省农房总体规模维持在6.5亿m2左右，未发生明显变化，2017年以后新建农房面积不断降低，新建农房面积占当年农房总面积的比例低于1.5%。2011年以来城镇化发展迅速，农村常住人口由1982万人减少至1477万人，减少了25.5%，农村常住人口人均居住面积由32.9m2增长至45.5m2，户均常住人口由4.0人减少至2.9人，但大量进城人员依然保留着农村户籍，户籍人口总量和人均居住面积多年来未发生明显变化。人均居住支出由1109元增长至2715元，农房维护和运行支出占农村家庭消费支出的23%左右。
问卷调研中发现，农村家庭常住人口为1~2人的比例最高，达到52.3%，3~4人的比例为36.5%；家庭常住人口中老年人的占比超过50%，而进城务工或生活的年轻家庭成员在重大节日尤其是春节具有集中返乡探亲的生活习惯；农房冬季主要供暖房间为1~2间的比例达到了85.4%，其中绝大多数农房主要供暖房间为1间，有家庭成员和乡里乡亲串门聚集时供暖、无人时停止供暖的生活习惯。随着城镇化的进程不断加快，农村“空心化”现象愈发突出，农户常住人口少、实际供暖房间少的特征愈发明显。
居住建筑供暖能耗计算方法总结
国内标准中居住建筑供暖能耗计算方法汇总见表1。供暖能耗计算结果普遍采用耗热量指标，其定义为：在供暖期室外平均温度条件下，为保持室内计算温度，单位建筑面积在单位时间内消耗的、需由室内供暖设备供给的热量，单位为kW·h/(m2·a)。耗煤量指标为耗热量指标按一定系数折算后的煤耗，单位为kg/(m2·a)，而耗电量指标为耗热量指标按一定系数折算后的电耗，单位为kW·h/(m2·a)。
在2018年以前的国内标准中，居住建筑供暖能耗普遍采用稳态计算方法，将整个供暖季的室外温度、太阳辐射简化为固定参数，计算不同地区的供暖能耗。但室外气候是不断变化的，每天进行着周期性波动。当节能要求较低时，围护结构热工性能较差，这种波动不会造成围护结构中热流方向的改变，建筑持续处于失热状态，可采用稳态方法简化计算过程。但随着建筑热工性能的提高，这种波动带来的影响已经不能忽视，而稳态计算周期过长，无法体现短期内的周期变化，会造成一定计算误差。
2018年以后实施的国内标准中，居住建筑供暖能耗均采用了动态计算方法。由于动态计算是一个比较复杂的过程，因此在保证计算方法一致性的要求下，除计算温度、换气次数外，还需要对供暖运行时间、人员在室率、照明使用率等进行统一要求，使得计算结果的准确度更高。
目前，国内标准对寒冷地区居住建筑普遍规定采用全室连续供暖能耗计算方法，其对于居住建筑的卧室、起居室、厨房、卫生间等全部居住空间设定每日24h连续供暖，而这与该地区农村供暖习惯存在明显不同。
农房供暖能耗计算方法
3.1 室内计算参数
GB/T 50824—2013《农村居住建筑节能设计标准》规定的冬季节能计算温度为14℃，根据该标准的编制解读，当时的调查与测试结果表明，寒冷地区农村冬季大部分农户的卧室和起居室温度处于5~13℃之间，80%以上农户认为冬季较舒适的室内温度为13~16℃。考虑到近年来农村生活水平不断提高和以人为本的原则，应适当提高冬季供暖室内计算温度。同时，近年来实施的河北省地方标准DB13（J）/T 8328—2019《农村住宅设计标准》和DB13（J）/T 8374—2020《农村低能耗居住建筑节能设计标准》、陕西省地方标准DB61/T 5066—2023《农村居住建筑设计技术标准》及团体标准T/CECS 739—2020《超低能耗农宅技术规程》等均将农村冬季供暖室内计算温度提高至18℃。
根据GB 50736—2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》，居住建筑的换气次数取值与人均居住面积有关。根据2020年《中国城乡建设统计年鉴》，全国农村人均居住面积为46m2，其中，寒冷地区相关的山东省和陕西省农村人均居住面积也均为46m2。GB 50736—2012第3.0.6条规定，当20m2＜人均居住面积FP≤50m2时，换气次数宜取0.5h-1，该数值也与表1的居住建筑节能设计标准中寒冷地区居住建筑的取值一致。
因此，本文将农房冬季供暖室内计算温度取为18℃，换气次数为0.5h-1。
3.2 供暖能耗计算要点与工况设定
1） 采用动态负荷计算方法。目前我国节能设计标准已普遍采用动态计算提高准确度，此外，结合农房的分室间歇供暖特征，采用8760h动态计算准确表达其围护结构传热及内扰状况。
2） 分别设置常住人房间、非常住人房间供暖期及返乡期的供暖系统运行时间、室内计算温度、照明功率密度、室内人员数量。农村建筑不同于城市住宅，冬季总体具有分室间歇供暖特点。根据调研可知，农户常住人口数量少，多数农户主要供暖房间为1间。在春节返乡期，其他家庭成员才会使用非常住人卧室，且集中在夜间使用，白天农村家庭有聚集生活在老人卧室与起居室的习惯。
因此，区别现有居住建筑节能标准中的全室连续供暖能耗计算方法，本文考虑到农房卧室数量多、但供暖房间少且供暖不连续的居住现状，一是不采取全部房间供暖，将主要功能房间分为常住人房间（常住人卧室、常用起居室）、非常住人房间（非常住人卧室、非常用起居室、厨房、卫生间），常住人房间供暖期连续供暖，非常住人房间仅在春节返乡期供暖，其中，非常用起居室是指位于农房2层或以上的起居室，在返乡期家庭成员普遍会聚集在1层的常用起居室活动，因此非常用起居室的冬季供暖使用率极低，不考虑供暖，而厨房和卫生间使用时间短、供暖条件有限，农村目前也不供暖，而通过邻室传热和建筑蓄热等方式一般可保障这些房间温度在5℃以上；二是除常住人卧室外，常用起居室、非常住人卧室设定间歇供暖运行时间，常用起居室主要在白天供暖，而非常住人卧室仅夜晚供暖。
农房冬季供暖期依据GB 50736—2012附录A室外空气计算参数中的“日平均温度≤5℃的起止日期”设定。为统一算法，并结合春节时间分布，返乡期统一设定为2月1—15日。供暖系统日运行时间设定为：常住人卧室（老年人卧室）全天24h供暖，常用起居室每日08：00—20：00供暖，非常住人卧室仅在返乡期每日21：00至次日07：00供暖，非常用起居室、厨房、卫生间、车库、农机具间等短时间停留的房间不供暖。
3）供暖能耗计算时考虑换气次数、围护结构热惰性、供暖系统间歇运行对负荷计算的影响。农房供暖房间少且间歇供暖，与相邻房间的温差普遍在5℃以上，因此应计算通过隔墙或楼板的传热量，并应计算围护结构耗热量的间歇附加。
4）人员密度、照明功率密度的设置。卧室2人，起居室2人，厨房1人，卫生间1人，车库、农机具间0人。照明功率密度为5.0W/m2，与现行标准保持一致。各房间人员在室率和照明使用率结合供暖系统日运行时间及农村生活习惯设定。农村建筑面积普遍较大，家用电器使用量少，因此不考虑室内设备功率。
5） 室外计算参数按照行业标准JGJ/T 346—2014《建筑节能气象参数标准》中典型气象年取值。
典型建筑供暖能耗模拟分析
4.1 模型构建
结合实地调研经验，总结寒冷地区农房建筑结构和空间布局特征，分别选择1层、2层和3层典型农村户型构建能耗模型，以增强模拟分析的代表性。结合农房的实际居住现状和使用习惯，设定各房间属性。1层和2层农房均设置1间常住人卧室和1间常用起居室，用于常住人口居住和生活，其余卧室和起居室设置为非常住人卧室和非常用起居室，非常住人卧室仅在春节返乡期使用；3层户型的建筑面积较大、家庭常住人口一般较多，因此3层农房在2层增加设置1间常住人卧室。建筑模型和平面布局如图4和图5所示，3个模型的建筑面积分别为92.83、196.24、260.17 m2。
本文采用BESI软件进行典型户型能耗模拟，软件计算核心为DOE-2，支持国内主要城市室外气象参数选择、房间属性及日运行参数设置和8760h逐时负荷计算。
4.2 围护结构设定
根据调研，现状农房普遍未采取保温措施，其围护结构做法及热工性能见表2。GB/T 50824—2013《农村居住建筑节能设计标准》（以下简称GB/T 50824）及GB/T 50824《农村居住建筑节能设计标准（局部修订征求意见稿）》（以下简称GB/T 50824修订稿）给出的围护结构热工性能见表3。本文据此设定3种不同节能水平的围护结构做法，其热工性能分别达到现状、GB/T 50824及GB/T 50824修订稿的节能水平。此外，考虑到分室间歇供暖能耗算法中供暖房间内围护结构需要承担负荷，其热工性能对供暖能耗存在影响，因此在前3种围护结构做法的基础上对供暖房间内围护结构增加保温措施，将供暖房间常规的240mm黏土砖隔墙双侧抹20mm保温砂浆，普通混凝土楼板下喷涂30mm无机纤维，实现隔墙和楼板的传热系数K降低至1.00W/（m2·K）。共计6种围护结构做法，分别为现状、GB/T 50824、GB/T 50824修订稿、现状+内围护结构保温、GB/T 50824+内围护结构保温和GB/T 50824修订稿+内围护结构保温。
4.3 能耗模拟
采用4.1节的3种典型农房模型，选择寒冷A区的代表城市榆林市和寒冷B区的代表城市西安市，依据GB 50736—2012附录A中室外空气计算参数日平均温度≤5℃的起止日期，两地的供暖期分别设定为10月27日至次年3月28日、11月23日至次年3月2日。对于4.2节中所述的6种围护结构做法，由于全室连续供暖能耗算法下居住空间内围护结构不承担负荷，因此只计算前3种，分室间歇供暖能耗算法下则全部计算。此外，全室连续供暖能耗计算时，所有居住空间每天24h供暖，室内计算温度为18℃。分室间歇供暖能耗计算时，区分常住人房间与非常住人房间，室内计算温度和供暖系统日运行时间分别按3.1和3.2节的要求设定。
4.3.1 供暖能耗分析
寒冷A区和寒冷B区典型农房在不同供暖能耗算法下的耗热量指标分别见表4和表5。全室连续供暖能耗算法下，农房在现状、GB/T 50824、GB/T 50824修订稿3种节能水平下的平均耗热量指标，寒冷A区分别为234.22、103.93、64.77kW·h/（m2·a），寒冷B区分别为130.34、56.96、35.04kW·h/（m2·a），而在分室间歇供暖能耗算法下，寒冷A区分别为91.79、34.46、25.67kW·h/（m2·a），寒冷B区分别为53.27、19.34、14.85kW·h/（m2·a），均较全室连续供暖能耗算法下减少了60%左右，尤其是2层和3层等建筑面积大但常住人房间面积小的农房，在现状条件下的平均耗热量指标还低于全室连续供暖能耗算法下的GB/T 50824农房。这主要是因为，本文提出的农房供暖能耗计算方法考虑了农户常住人口少、供暖房间少且非连续供暖的现状，从而使农房实际供暖面积减小、累计供暖时间缩短，其计算值较全室连续供暖能耗算法的计算值明显降低，该结果能够更为合理地反映现阶段农村的实际供暖需求，更为准确地指导农村清洁供暖。
4.3.2 节能率分析
4.3.2.1 供暖房间内围护结构增加保温后的节能率
图6a和图6b分别显示了寒冷A区和寒冷B区典型农房在供暖房间内围护结构增加保温后的节能率，图中B1′、B2′、B3′分别为采用分室间歇供暖能耗算法，执行现状、GB/T 50824、GB/T 50824修订稿的农房在增加内围护结构保温后的节能率。农房在现状、GB/T 50824、GB/T 50824修订稿3种节能水平下增加供暖房间内围护结构保温后的平均节能率，寒冷A区分别为13.50%、16.45%、20.41%，寒冷B区分别为13.22%、16.70%、20.61%。供暖房间内围护结构保温对分室间歇供暖的农房节能作用明显，仅在现状农房基础上对供暖房间内围护结构增加保温后可实现平均节能13%以上；随着外围护结构节能水平的提升，增加供暖房间内围护结构保温对降低农房供暖能耗作用愈发突出，这表明当外围护结构热工性能提升到一定程度后，总体热负荷水平显著降低，而分室间歇供暖时的内围护结构负荷占比将逐步增加，其对农房整体供暖能耗的影响将不可忽视。
4.3.2.2 标准提升后的节能率
寒冷A区和寒冷B区典型农房在不同供暖能耗算法下的标准节能率分别见图7a和图7b。图中A1为采用全室连续供暖能耗算法，执行GB/T 50824的农房较现状农房的节能率；A2为采用全室连续供暖能耗算法，执行GB/T 50824修订稿的农房较GB/T 50824农房的节能率；B1、B1′分别为采用分室间歇供暖能耗算法，执行GB/T 50824、GB/T 50824+内围护结构保温的农房较现状农房的节能率；B2、B2′分别为采用分室间歇供暖能耗算法，执行GB/T 50824修订稿、GB/T 50824修订稿+内围护结构保温的农房较GB/T 50824农房的节能率。
根据GB/T 50824的编制解释，寒冷地区执行GB/T 50824围护结构节能做法的农房相较于当时未做节能的普通农房，其节能率可达50%左右。而目前的现状农房普遍仍未采取任何保温措施，与GB/T 50824调研时的农房围护结构做法一致。根据GB/T 50824修订稿第3.0.8条，其能耗水平在GB/T 50824基础上又降低了30%以上。
全室连续供暖能耗算法下，执行GB/T 50824的农房较现状农房的平均节能率，寒冷A区为55.63%，寒冷B区为56.30%，平均为56.00%；执行GB/T 50824修订稿的农房较GB/T 50824农房的平均节能率，寒冷A区为37.68%，寒冷B区为38.48%，平均为38.08%，各计算结果都能满足GB/T 50824及GB/T 50824修订稿的节能率要求。
分室间歇供暖能耗算法下，执行GB/T 50824的农房较现状农房的平均节能率，寒冷A区为62.46%，寒冷B区为63.69%，平均为63.08%；执行GB/T 50824修订稿的农房较GB/T 50824农房的平均节能率，寒冷A区为25.51%，寒冷B区为23.22%，平均为24.37%；在GB/T 50824修订稿的基础上考虑供暖房间内围护结构保温后，其较GB/T 50824农房的平均节能率则明显提高，寒冷A区为40.71%，寒冷B区为39.04%，平均为39.88%。
GB/T 50824及GB/T 50824修订稿都侧重于农房外围护结构热工性能的提升，在全室连续供暖能耗算法下，居住空间的内围护结构不承担热负荷，外围护结构负荷占主体，上述提升措施能够有效实现节能率目标。而在分室间歇供暖能耗算法下，居住空间的内围护结构需要承担分室供暖、间歇供暖的热负荷，并且由图7可知，随着农房执行标准的提升，内围护结构的负荷占比及其对能耗的影响更大，应加强该部位保温，减少邻室传热，保障节能率目标的实现。
结论
本文在农村现状调研基础上，提出了一种符合寒冷地区农房居住特征的分室间歇供暖能耗算法，并通过寒冷A区和寒冷B区典型农房供暖能耗模拟，与传统的全室连续供暖能耗算法进行了比较分析，主要结论如下：
1） 农户常住人口少，多数农房冬季主要供暖房间为1~2间，不适合采用当前居住建筑标准及相关文献中所采用的全室连续供暖能耗算法，可采用逐时动态负荷计算的分室间歇供暖能耗算法，结合农房使用特征，区别设置常住人房间、非常住人房间在供暖期与返乡期的运行参数。
2） 采用分室间歇供暖能耗算法，农房在现状、GB/T 50824和GB/T 50824修订稿3种不同围护结构热工性能下的平均耗热量指标较全室连续供暖能耗算法低60%左右，可更为合理地反映农村实际供暖需求。
3） 采用分室间歇供暖能耗算法，供暖房间内围护结构需承担热负荷，农房在现状、GB/T 50824、GB/T 50824修订稿3种节能水平上加强内围护结构保温，可平均再降低供暖能耗约13%、16%和20%，随着执行标准的提升，其节能效果更加突出。
4） 采用分室间歇供暖能耗算法，执行GB/T 50824的农房较现状农房的平均节能率为63.08%，执行GB/T 50824修订稿+内围护结构保温的农房较GB/T 50824农房的平均节能率为39.88%，能够实现GB/T 50824（50%）和GB/T 50824修订稿（30%）的相对节能率提升目标。
文章及图片来源：暖通空调
赵 民1,2 李 杨1,2 康维斌1,2 俞超男1,2
1.中国建筑西北设计研究院有限公司
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