寒冷地区农村传统采暖方式优化集成住宅关键科学问题的研究

长期以来我国北方农村地区冬季采暖仍然是以火炕火墙、燃池等传统方式取暖为主，由于缺乏专业技术指导，室内环境状况极为恶劣。本课题以传统采暖方式优化集成住宅为对象，在对实际应用成果实测调查研究的基础上，应用理论分析方法对实际应用过程中的成果及存在的问题进行剖析，从专业技术和理论的角度对实际应用成果进行优化和集成；进一步考虑复杂供热系统的耦合作用，建立农村住宅用能热传输过程的状态变量及相互作用关系、并根据住宅使用功能及气候资源等条件，综合考虑合理的供热系统集成优化方式及住宅设计模式，建立传统采暖方式优化集成住宅热过程的宏观计算模型，对优化集成住宅的热响应特性进行分析，以提高热能综合利用效率，通过用能分区、合理的热量传递以及住宅设计一体化，较大程度地改善热能供应不均、舒适性和室内空气品质较差以及热损失大等问题，对于科学指导农民充分利用当地的废弃物资源、改善生活质量等具有十分重要的理论价值和社会意义。

项目以北方农村地区传统采暖方式（灶炕、燃池、被动式太阳房等）集成应用住宅为对象，采用在实际农宅中现场搭建高性能计算机多点巡回监测实验技术，真实记录了日常生活和用能方式对热能利用效率和室内环境质量的影响，并结合理论研究和数值模拟等研究方法，深入研究了燃池采暖系统热源特性和热传输过程、论证了本项目研究开发的燃池热水综合利用技术和架空地板型燃池采暖技术等热能高效利用燃池采暖系统的传热特性、建立了灶炕供暖住宅的热能传输及热损失宏观计算模型以及基于变色太阳墙应用建筑的动态传热计算模型。这些研究进一步探明了实际使用过程中燃池内部燃料阴燃的动态变化过程对热传输效率的影响及系统热损失途径，建立了热源强度、地板构造材料物性与采暖房间地板表面温度之间的关联式，得到了被动式采暖技术集成建筑外保温层最佳厚度的解析表达式及围护结构热工设计参数的阈值范围，计算得到了建筑集成应用灶炕采暖系统的热能传输定量分配比例以及不同热损失途径所占比例。基于理论和实验研究，提出了燃池采暖系统的工程设计计算方法和被动式环境调控建筑自然运行室温快速预测方法，确立了不同地区火炕采暖农宅中燃池系统散热面积、烟囱高度、热水系统的管径管间距、架空地板内空气层厚度等参数选取的理论依据以及快速确定被动式太阳房随室外气象参数变化的动态室温变化的计算方法，一些研究成果已被列入协会标准《农村单体居住建筑节能设计标准》中。通过本项目的实施，研究开发出了新型床式炕灶炕采暖系统、架空地板型新型燃池采暖系统、变色太阳房技术以及建筑蓄热技术等多项创新技术，并先后在大连、阜新、沈阳农村等地建造了传统采暖方式优化集成住宅示范工程，同时研究探索了气候自适应房屋构建模式和建造方法，获得了大量的实际工程运行数据，其中变色太阳房技术通过了住房和城乡建设部科技发展促进中心主持召开的建设行业科技成果评估，评估委员会认为该项目研究成果具有积极的学术意义，达到国际先进水平。课题进行期间，已发表或被接受论文35篇，其中SCI检索论文4篇，EI检索论文7篇，获得专利4项。本项目较大程度地解决了北方农村住宅传统采暖方式热能利用效率低、舒适性和室内空气品质较差、热损失大以及建筑一体化设计不合理等关键科学和技术问题，具有较高的学术和应用价值，为改善我国北方农村地区人居环境质量及制定相关的技术规范和标准提供了技术支撑和理论依据。