農(nóng)村居住建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計(jì)研究

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隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，能源消耗總量也在逐漸上升，其中建筑物的能耗占能源消耗總量的比例非常大，降低建筑能耗的任務(wù)迫在眉睫。作者在對(duì)陜南農(nóng)村居住建筑的調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，由于陜南農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展落后，在農(nóng)宅的建設(shè)過(guò)程中普遍缺乏科學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)基本沒(méi)有保溫隔熱措施，在陜南地區(qū)夏季濕熱、冬季陰冷的氣候條件下，農(nóng)村居住建筑普遍存在著室內(nèi)熱環(huán)境差、能耗高的問(wèn)題。本文以安康市石泉縣一棟典型的磚混建筑為例，通過(guò)分析該建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造及熱工性能，提出適宜陜南地區(qū)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，并對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行模擬分析。

1陜南地區(qū)農(nóng)村居住建筑室內(nèi)熱環(huán)境現(xiàn)狀

在第三次全國(guó)農(nóng)業(yè)普查中，陜南三市對(duì)農(nóng)村居住建筑的住房結(jié)構(gòu)進(jìn)行了調(diào)研。調(diào)研結(jié)果表明，陜南農(nóng)村居住建筑主要以磚混結(jié)構(gòu)建筑為主，占到建筑總量的半數(shù)以上[2]。作者選取了安康市石泉縣五愛(ài)村二組的一棟當(dāng)?shù)氐湫痛u混結(jié)構(gòu)房屋，對(duì)該建筑進(jìn)行冬季室內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行了測(cè)試。該磚混結(jié)構(gòu)建筑的構(gòu)造及傳熱系數(shù)見(jiàn)表1。由表1我們可以得出，該建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)不能達(dá)到《農(nóng)村居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)該氣候區(qū)各圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能的標(biāo)準(zhǔn)值。冬季測(cè)試時(shí)間為2019年1月21日12時(shí)至2019年1月25日12時(shí)。測(cè)試期間天氣為晴天，無(wú)降雨大風(fēng)天氣。室外平均溫度3.18℃，室外空氣最高溫度為10.7℃（出現(xiàn)在下午16時(shí)），室外空氣最低溫度為-3℃（出現(xiàn)在早8時(shí)），溫度波動(dòng)幅度約為13.7℃。測(cè)試結(jié)果表明：該地區(qū)冬季寒冷，全天溫差大。從全天溫度變化趨勢(shì)上來(lái)看,室內(nèi)外溫度變化趨勢(shì)一致，室內(nèi)溫度隨著室外溫度的變化而升高或降低。測(cè)試期間，室內(nèi)最高溫度7.2℃，最低溫度3.4℃，客廳和臥室全天的室內(nèi)溫度均低于8℃。客廳平均溫度5.65℃，臥室平均溫度5.18℃，客廳與臥室的溫差較小。按照《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)室內(nèi)空氣溫度的規(guī)定，在冬季供暖時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)值為16~22℃，因此我們可以發(fā)現(xiàn)：冬季室內(nèi)溫度低于《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》的最低值，且與最低值的溫差達(dá)到了10℃左右，農(nóng)戶(hù)冬季室內(nèi)空氣溫度質(zhì)量低，需要進(jìn)行供暖，提高室內(nèi)空氣溫度。在現(xiàn)有建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的條件下，人們只能大量增加衣物或者使用電暖器、煤爐等方式獲得熱量。這樣一來(lái)，建筑的能耗也將越來(lái)越高。因此對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，提高建筑的熱工性能，不僅可以改善室內(nèi)熱環(huán)境，還可以有效節(jié)約能源。

2圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

從表1可以看出，該磚混結(jié)構(gòu)建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造簡(jiǎn)單，各圍護(hù)結(jié)構(gòu)均未設(shè)置保溫措施，這就使圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)較大，導(dǎo)致室內(nèi)熱環(huán)境不理想。因此，作者將從外墻、屋頂、外窗三個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。2.1外墻設(shè)計(jì)。一般情況下，外墻的保溫做法有外墻外保溫、外墻內(nèi)保溫、單一墻材保溫三大類(lèi)。外墻內(nèi)保溫和外墻內(nèi)保溫的做法，需要在砌體材料上附加一層保溫層，保溫層的厚度因材料的熱工性能而定。這樣一來(lái)，外墻內(nèi)保溫就減少了室內(nèi)使用面積[2]；而一般情況下，保溫材料耐久度要低于砌體部位，這就需要每隔10年左右就要更換一次保溫材料，而無(wú)論是采用外墻外保溫還是內(nèi)保溫，在修建和后期維護(hù)都要高于單一節(jié)能墻材保溫的做法。所以結(jié)合陜南地區(qū)的實(shí)際情況，在陜南農(nóng)村居住建筑的外墻保溫構(gòu)造做法上，優(yōu)先選擇單一墻材保溫的做法為主。在確定了以單一墻材保溫的墻體構(gòu)造做法后，作者發(fā)現(xiàn)，陜南地區(qū)農(nóng)村居住建筑的墻體材料主要以黏土實(shí)心磚為主，厚度為240mm，內(nèi)外抹灰。受黏土磚熱工性能的影響，墻體結(jié)構(gòu)熱工性能較差，達(dá)不到節(jié)能設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)。如果以節(jié)能熱阻為基準(zhǔn)展開(kāi)墻厚的計(jì)算，同時(shí)將冬季室內(nèi)溫度設(shè)置為8℃，要想使得磚墻熱阻達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，磚墻厚度就會(huì)超過(guò)240mm，這又會(huì)使室內(nèi)使用面積減小，并且會(huì)影響圍護(hù)結(jié)構(gòu)的抗震性能。在陜南地區(qū)，新型節(jié)能墻材主要以燒結(jié)頁(yè)巖磚和蒸汽加壓混凝土砌塊兩類(lèi)為主。由于農(nóng)村居住建筑一般為磚混結(jié)構(gòu)，外墻需要起到一定的承重作用，一般情況下，蒸汽加壓混凝土砌塊的承重能力差，所以建議在陜南農(nóng)村節(jié)能墻體材料選擇上優(yōu)先考慮頁(yè)巖磚。根據(jù)以上的分析，在陜南地區(qū)農(nóng)村居住建筑外墻的節(jié)能設(shè)計(jì)中，作者建議選擇以燒結(jié)頁(yè)巖磚為外墻墻體材料、輕質(zhì)砂漿內(nèi)外組合保溫的構(gòu)造形式作為外墻的構(gòu)造做法。墻身構(gòu)造做法如圖1所示。從外到內(nèi)結(jié)構(gòu)依次為:（1）5mm厚抗裂砂漿；（2）20mm厚水輕質(zhì)砂漿，導(dǎo)熱系入2=0.084[W/（m2K）]，蓄熱系數(shù)S2=1.72[W/（m2•K）]；（3）240mm厚燒結(jié)頁(yè)巖多孔磚，導(dǎo)熱系數(shù)入3=0.54[W/（m2K）]，蓄熱系數(shù)S3=5.78[W/（m2•K）]；（4）20mm厚石膏輕質(zhì)砂漿，導(dǎo)熱系數(shù)入3=0.102[W/（m•K）]，蓄熱系數(shù)S3=2.23[W/（m2•K）]；（5）石膏飾面砂漿。當(dāng)水泥輕質(zhì)砂漿厚度為20mm時(shí)，該外墻構(gòu)造的傳熱系數(shù)K=0.99W/（m2•K），即可滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)限值K<1.8W/（m2•K）。2.2屋頂設(shè)計(jì)。陜南地區(qū)農(nóng)村居住建筑大多采用在木屋架上直接掛瓦的坡屋頂，未設(shè)置保溫層，因此屋頂?shù)膫鳠嵯禂?shù)大，需要設(shè)置保溫屋頂[3]，以提高屋頂?shù)谋匦阅堋?duì)屋頂?shù)谋夭牧系倪x擇上，由于陜南地區(qū)氣候多雨、潮濕，因此需要注重保溫材料的挑選，諸如擠塑聚苯乙烯泡沫塑料板則是較為可行的材料。對(duì)于坡屋頂?shù)谋刈龇ǎ紤]到陜南地區(qū)的屋頂?shù)膶?shí)際特點(diǎn)，可采取保溫吊頂對(duì)屋頂空間進(jìn)行處理。保溫吊頂?shù)淖龇ㄈ鐖D2所示：在木檁條下按屋頂?shù)钠露茸龅蹴敚诘蹴敽臀蓓旈g留有不同厚度的空氣層。為了進(jìn)一步擴(kuò)大屋頂?shù)目捎每臻g，在進(jìn)行吊頂坡度設(shè)計(jì)時(shí)，需要嚴(yán)格參考屋頂?shù)那闆r，二者需保持一致；如果屋頂空間偏大，此時(shí)所設(shè)置的吊頂允許與樓地面處于平行的關(guān)系，同時(shí)對(duì)于屋頂和吊頂之間的區(qū)域，需要在東、西墻開(kāi)設(shè)一個(gè)通風(fēng)口，保持屋頂?shù)南募就L(fēng)。保溫吊頂可選擇的保溫材料種類(lèi)多,根據(jù)保溫材料和空氣層的厚度不同，保溫材料的厚度也不同。以保溫材料為20mm厚聚苯乙烯泡沫塑料板，空氣間層厚度500mm為例，計(jì)算保溫吊頂屋頂?shù)臒峁ば阅埽@種保溫吊頂屋面的屋頂傳熱系數(shù)K=0.75W/（m2•K），即可滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)限值K≤1.0W/（m2•K）。2.3外窗設(shè)計(jì)。在冬季，通過(guò)外窗的傳熱損失和冷風(fēng)滲透都較大，這將使大量熱量從外窗流失到室外,是保溫能力較低的構(gòu)建[4]。由表1可見(jiàn)，該建筑采用的單層玻璃木窗的傳熱系數(shù)大，會(huì)導(dǎo)致大量的熱量損失，因此需要采用節(jié)能外窗，降低外窗部位的熱量損耗。目前，節(jié)能外窗常見(jiàn)的玻璃材料有普通中空玻璃、熱反射玻璃和中空鍍膜玻璃等，而窗框材料則有木框、塑鋼框、鋁合金框等。結(jié)合各材料的熱工性能和陜南農(nóng)村居民的經(jīng)濟(jì)水平，作者采用塑料框普通中空玻璃外窗。設(shè)計(jì)后建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的構(gòu)造和傳熱系數(shù)見(jiàn)表2。對(duì)比表1和表2中各圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)，我們可以看出，外墻、屋頂、外窗的傳熱系數(shù)均有了明顯的減小，達(dá)到了《農(nóng)村居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)該地區(qū)圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能標(biāo)準(zhǔn)值。這表示在相同的室內(nèi)外溫差的條件下，通過(guò)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳遞的熱量減小，即建筑的耗熱量變小。

3設(shè)計(jì)方案的效果驗(yàn)證

3.1模型建立。以測(cè)試戶(hù)農(nóng)宅為例，借助Design-Builder軟件，對(duì)設(shè)計(jì)前后室內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行模擬分析。按照測(cè)試戶(hù)的平面圖，在Design-Builder軟件中建立三維模型（圖3），對(duì)陜南地區(qū)農(nóng)村居住建筑進(jìn)行模擬。3.2模型參數(shù)及模擬時(shí)間。在對(duì)被動(dòng)式太陽(yáng)房模型進(jìn)行室內(nèi)熱環(huán)境模擬時(shí)，按照《農(nóng)村居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，住宅室內(nèi)熱源強(qiáng)度按節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)推薦設(shè)置為4.3W/m2，室內(nèi)換氣次數(shù)設(shè)施為1h/次[5]，室外氣象數(shù)據(jù)選用安康市冬至日氣象數(shù)據(jù)和最冷月（1月）氣象數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)前后該農(nóng)宅建筑模型參數(shù)分別采用表1、表2中數(shù)據(jù)。3.3模擬結(jié)果及分析。3.3.1冬至日模擬結(jié)果分析。節(jié)能設(shè)計(jì)前后，測(cè)試戶(hù)模型在冬至日氣象參數(shù)下，客廳的逐時(shí)溫度變化對(duì)比如圖4所示，從圖中可以看出，在沒(méi)有進(jìn)行主動(dòng)供所有圖片表格均為作者自繪暖的情況下，節(jié)能設(shè)計(jì)后客廳平均溫度為8.09℃，節(jié)能設(shè)計(jì)前客廳平均溫度為5.82℃，即節(jié)能設(shè)計(jì)后，冬至日客廳的平均溫度較節(jié)能設(shè)計(jì)前客廳平均溫度有所升高，升高幅度在2.2℃左右。節(jié)能設(shè)計(jì)后，客廳最高溫度8.87℃，最低溫度7.39℃，雖然無(wú)法達(dá)到調(diào)研時(shí)農(nóng)村居民認(rèn)為的舒適溫度12℃，但較節(jié)能設(shè)計(jì)前，室內(nèi)溫度已有所改善，基本可以達(dá)到《農(nóng)村居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中冬季室內(nèi)計(jì)算溫度8℃。3.3.2最冷月（1月）模擬結(jié)果及分析。節(jié)能設(shè)計(jì)前后，測(cè)試戶(hù)模型在1月氣象參數(shù)下，室外的逐日平均溫度變化對(duì)比如圖5所示，可以看出，在沒(méi)有進(jìn)行主動(dòng)降溫的情況下，節(jié)能設(shè)計(jì)后客廳最冷月平均溫度為8.99℃，節(jié)能設(shè)計(jì)前客廳平均溫度為6.82℃，即節(jié)能設(shè)計(jì)后，最冷月客廳的平均溫度較節(jié)能設(shè)計(jì)前客廳平均溫度有所提高，溫度升高幅度在2.2℃左右。節(jié)能設(shè)計(jì)前，客廳平均溫度超過(guò)8℃的天數(shù)共計(jì)7天，節(jié)能設(shè)計(jì)后，客廳平均溫度超過(guò)8℃的天數(shù)共計(jì)22天，增加了15天。結(jié)合冬至日和最冷月的模擬結(jié)果，我們可以得出，在節(jié)能設(shè)計(jì)后，在不主動(dòng)供暖的情況下，該農(nóng)宅的冬季室內(nèi)熱環(huán)境有了很好的提升，室內(nèi)溫度提高了2.2℃左右，可以達(dá)到《農(nóng)村居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中冬季室內(nèi)計(jì)算溫度8℃。這就說(shuō)明提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能可以有效改善農(nóng)宅冬季室內(nèi)熱環(huán)境，達(dá)到減少農(nóng)村居民在冬季主動(dòng)供暖的時(shí)間節(jié)能的目的。

在陜南人口中，農(nóng)村人口占比達(dá)到50%以上，農(nóng)村居住建筑在陜南住宅建筑中占比也較高，在農(nóng)村居住建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)沒(méi)有保溫隔熱措施，熱工性能差的情況下，農(nóng)村居住建筑的能耗也較高。因此，要解決農(nóng)村居住建筑的能源消耗問(wèn)題，就要先從農(nóng)村居住建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計(jì)做起。本文以陜南安康市石泉縣一棟農(nóng)宅為例，通過(guò)對(duì)建筑的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)即外墻、屋頂和外窗進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)，并對(duì)節(jié)能設(shè)計(jì)前后進(jìn)行模擬驗(yàn)證。通過(guò)模擬分析發(fā)現(xiàn)，在不進(jìn)行主動(dòng)采暖的情況下，提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能，可以有效提高建筑冬季室內(nèi)溫度，改善室內(nèi)熱環(huán)境。通過(guò)提高室內(nèi)溫度，可以有效減少供暖時(shí)間，達(dá)到節(jié)能的目的。

作者:曾筱深 單位:西安建筑科技大學(xué)