被動(dòng)式技術(shù)在山西省農(nóng)村建筑中應(yīng)用的定量分析

張 海 寧

(太原市建筑設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030002)

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·綠色環(huán)保·建筑節(jié)能·

被動(dòng)式技術(shù)在山西省農(nóng)村建筑中應(yīng)用的定量分析

張 海 寧

(太原市建筑設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030002)

介紹了被動(dòng)式節(jié)能技術(shù)的含義，從建筑體形、建筑空間、圍護(hù)結(jié)構(gòu)三方面，分析了防風(fēng)與保溫對(duì)建筑節(jié)能的影響，并闡述了被動(dòng)式太陽能的利用技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能的目標(biāo)。

被動(dòng)式技術(shù)，建筑空間，圍護(hù)結(jié)構(gòu)，太陽能

0 引言

近年來，人們對(duì)建筑舒適度的要求越來越高，建筑室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度也從初始的16 ℃變?yōu)?8 ℃。越來越高的舒適度要求必然帶來能耗的增加。山西省農(nóng)村建筑體量巨大，該項(xiàng)能耗已經(jīng)成為山西省能耗支出的重要組成部分。

對(duì)山西省農(nóng)村建筑現(xiàn)狀的調(diào)研結(jié)果顯示，山西省農(nóng)村住宅大多為單層獨(dú)立小院，體形系數(shù)大而且?guī)缀鯖]有任何保溫措施。山西省地勢(shì)狹長(zhǎng)，采暖季從當(dāng)年11月持續(xù)到第二年3月，長(zhǎng)達(dá)5個(gè)月之久，冬季寒冷漫長(zhǎng)，在這樣的環(huán)境下山西省農(nóng)村建筑冬季采暖能耗將非常大，能源及生態(tài)環(huán)境問題更為突出。

1 被動(dòng)式節(jié)能技術(shù)

被動(dòng)式技術(shù)顧名思義是指不采用機(jī)械技術(shù)，利用被動(dòng)式的技術(shù)，通過建筑自身布局及改變建筑構(gòu)造并合理利用太陽能和自然通風(fēng)等方式來改善室內(nèi)熱濕環(huán)境，達(dá)到減少能耗的目的。國(guó)內(nèi)外關(guān)于被動(dòng)式技術(shù)的研究始于很多年前，但是該項(xiàng)研究只是針對(duì)特定的文化背景及氣候等，不能單純的對(duì)其研究結(jié)果進(jìn)行復(fù)制，應(yīng)有針對(duì)性的對(duì)不同的地域特征進(jìn)行研究。山西農(nóng)村建筑一般為自籌自建，大部分農(nóng)民在建房中考慮到的最重要的因素是經(jīng)濟(jì)性，建房成本受到限制，則建筑本體的保溫隔熱效果相對(duì)差很多，所以建房成本是阻礙農(nóng)村建筑節(jié)能技術(shù)推廣的主要因素。因而，與農(nóng)村經(jīng)濟(jì)相適應(yīng)的低成本的被動(dòng)式技術(shù)才是實(shí)現(xiàn)農(nóng)村建筑節(jié)能的主要途徑。

山西地區(qū)屬于典型的嚴(yán)寒寒冷地區(qū)，農(nóng)村地區(qū)建房簡(jiǎn)單，幾乎沒有保溫措施，冬季室內(nèi)非常不舒適。而夏季高溫天氣持續(xù)時(shí)間較短，冷負(fù)荷較少，因此山西農(nóng)村地區(qū)的節(jié)能設(shè)計(jì)主要是以防寒保溫為主。

建筑的耗熱量指標(biāo)是指在采暖期室外平均溫度之下(根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)可以得到該值)，為保持一定的室內(nèi)計(jì)算溫度(一般取室內(nèi)溫度18 ℃)，室內(nèi)采暖設(shè)備在單位時(shí)間內(nèi)需要給單位建筑面積提供的熱量。它綜合反映了整個(gè)建筑物的熱損失情況，是表征建筑總體保溫性能的綜合指標(biāo)之一，也是評(píng)價(jià)建筑節(jié)能的重要依據(jù)。其定義式為：

qH=qH·T+qINF-qrH。

其中，qH為建筑耗熱量指標(biāo)，W/m2；qH·T為單位建筑面積在單位時(shí)間內(nèi)通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)所散失的熱量，W/m2；qINF為單位建筑面積在單位時(shí)間內(nèi)通過空氣滲透所需要消耗的熱量，W/m2；qrH為單位時(shí)間內(nèi)單位建筑面積的建筑內(nèi)部得熱(包括炊事、照明、家電和人體散熱)，W/m2。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱包含兩部分：一部分是外墻、外窗及屋頂?shù)嚷懵对谕獾牟课辉谂c室外空氣存在溫差時(shí)進(jìn)行的傳熱；另一部分是由太陽輻射而獲得的熱量。這兩部分有一定的抵消作用。因此圍護(hù)結(jié)構(gòu)耗熱量不僅與圍護(hù)結(jié)構(gòu)本身的熱工性能有關(guān)，其與太陽輻射也有很大的關(guān)系，因此圍護(hù)結(jié)構(gòu)耗熱量也會(huì)受建筑朝向、窗墻比的影響。

根據(jù)以上分析以及耗熱量指標(biāo)的影響因素可知，山西地區(qū)村鎮(zhèn)建筑的被動(dòng)節(jié)能設(shè)計(jì)即可分別針對(duì)這三大因素展開，主要可分為保溫、防風(fēng)與爭(zhēng)取日照三大策略。

2 防風(fēng)與保溫

防風(fēng)與保溫主要是指建筑的體形及空間設(shè)計(jì)，保溫主要是指圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能。下面分別從建筑體形、空間設(shè)計(jì)及圍護(hù)結(jié)構(gòu)幾個(gè)方面來闡述其對(duì)建筑節(jié)能的影響力。

2.1 建筑體形

體形系數(shù)是指建筑的外表面積與所包含的建筑體積之比。如果建筑高度保持不變，那么建筑體形系數(shù)的大小依次為：圓形、正方形，再次是長(zhǎng)方形及其他形狀。建筑物的單位體積耗熱量是隨著體形系數(shù)的增大而增加的。

除平面形式外，建筑層數(shù)也對(duì)耗熱量有一定的影響?？偯娣e相同時(shí)，單層建筑的體形系數(shù)及耗熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于多層建筑。

因此在實(shí)際的建房過程中存在保溫節(jié)能與建筑造型之間的平衡，對(duì)于以防寒保溫為主要目的的山西村鎮(zhèn)建筑，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)首先注意對(duì)建筑體形的控制，盡量選擇簡(jiǎn)潔的體形，減少不必要的凹凸。

2.2 建筑空間

建筑空間設(shè)計(jì)上的保溫理念是將室內(nèi)空間分為兩部分，一部分是需要采暖的主要功能區(qū)，一部分是不常用的輔助功能區(qū)。在進(jìn)行空間設(shè)計(jì)時(shí)，將采暖的主要功能區(qū)集中居中設(shè)計(jì)，將輔助空間圍繞主要功能區(qū)設(shè)置，形成空氣保溫層，使空間之間的熱量盡可能集中而共享并形成天然空氣圍護(hù)層，減少熱負(fù)荷。

2.3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)

圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要是通過改變保溫材料熱工性能實(shí)現(xiàn)減少耗熱量的目的，此外，還要控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面溫度。內(nèi)表面溫度過低時(shí)會(huì)對(duì)人產(chǎn)生冷輻射，當(dāng)其低于室內(nèi)露點(diǎn)溫度時(shí)，會(huì)在內(nèi)表面結(jié)露，使圍護(hù)結(jié)構(gòu)受潮，從而降低圍護(hù)結(jié)構(gòu)的耐久性。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫設(shè)計(jì)主要是增加圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱阻，一個(gè)方法是采用低傳熱系數(shù)的保溫材料，另一個(gè)方法是增加保溫層厚度。這兩個(gè)方法都會(huì)增加建房成本，而建房成本是農(nóng)村建房的一個(gè)敏感因素。同時(shí)，好的保溫層設(shè)計(jì)，可以減少運(yùn)行能耗。因此建房成本與運(yùn)行成本這兩者之間需要進(jìn)行權(quán)衡。為了對(duì)兩者之間的關(guān)系有更明確的了解，本文選擇典型的山西村鎮(zhèn)建筑，通過能耗模擬軟件對(duì)不同的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行模擬，可得到一個(gè)更加直觀的結(jié)論。

2.3.1 模擬過程

根據(jù)對(duì)山西省農(nóng)村建筑的調(diào)研，初步選定一個(gè)單層村鎮(zhèn)住宅的典型模型如圖1所示。該典型模型建筑面積為160 m2，窗墻面積比為0.08，外圍護(hù)結(jié)構(gòu)沒有經(jīng)過任何保溫措施。其中：外墻傳熱系數(shù)為1.51 W/(m2·K)，屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為1.89 W/(m2·K)，外窗傳熱系數(shù)為6.4 W/(m2·K)。

此次模擬是在保持其他圍護(hù)結(jié)構(gòu)不變的情況下僅僅改變其中一種圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫狀態(tài)來說明不同的保溫狀態(tài)程度對(duì)總能耗的影響程度。

2.3.2 模擬結(jié)果

外墻保溫材料選用擠塑聚苯板，屋面保溫材料選用硬泡聚氨酯。針對(duì)不同的保溫層厚度進(jìn)行多次模擬，根據(jù)模擬結(jié)果可以看出該典型村鎮(zhèn)建筑耗熱量指標(biāo)變化如圖2～圖4所示。

3 被動(dòng)式太陽能利用技術(shù)

農(nóng)村建筑由于層高低，相互之間不存在遮擋，并且空間大，在利用太陽能資源時(shí)，無論是從環(huán)境還是布局等方面均比城市具有更大的優(yōu)勢(shì)。山西省太陽能資源豐富，在農(nóng)村建筑中應(yīng)用被動(dòng)式太陽能技術(shù)，符合能源利用的原則并大大降低了農(nóng)民的建房成本。在農(nóng)村建筑中利用太陽能可通過朝向、窗墻比以及建筑蓄熱等方面實(shí)現(xiàn)。各因素的影響程度可通過模擬得到定量的結(jié)果。

3.1 建筑朝向

針對(duì)建筑朝向?qū)ㄖ臒崃康挠绊懀疚倪x取了一棟典型建筑對(duì)不同朝向時(shí)同一棟建筑的耗熱量指標(biāo)進(jìn)行了模擬，可以直觀看出不同朝向?qū)ㄖ芎牡挠绊懀唧w結(jié)果如圖5所示。該典型建筑同前章提到的典型建筑。

3.2 建筑窗墻比

根據(jù)選取的典型建筑對(duì)不同窗墻比進(jìn)行能耗模擬，得出不同窗墻比對(duì)建筑能耗的影響，具體情況如圖6所示。

4 結(jié)論

經(jīng)過模擬分析，可以得到如下結(jié)論：

1)圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能是關(guān)系到建筑能耗的關(guān)鍵因素，因此被動(dòng)式節(jié)能技術(shù)的重點(diǎn)之一就是提升圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能。

2)農(nóng)村建筑的窗戶面積普遍較小，因而外窗負(fù)荷在整個(gè)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的負(fù)荷中所占的比例很小，因此，考慮到建房成本，外窗的改進(jìn)對(duì)建筑采暖能耗的影響相對(duì)較小。

3)各圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫程度對(duì)耗熱量指標(biāo)的影響不是直線趨勢(shì)，因此不是說保溫做的越多越好，應(yīng)該考慮最佳方案。

4)對(duì)北方村鎮(zhèn)建筑而言，冬季太陽輻射是主要輔助熱源，應(yīng)該盡量爭(zhēng)取。正南向建筑長(zhǎng)度越大，太陽輻射得熱量越大。北方采暖區(qū)的村鎮(zhèn)建筑宜采用正南朝向，并適當(dāng)加大建筑南向面寬，以爭(zhēng)取更多的太陽輻射。

5)建筑長(zhǎng)寬比過大不僅會(huì)影響體形系數(shù)，也會(huì)影響建筑內(nèi)部的功能布局，需要綜合考慮，同時(shí)也要在建筑布局時(shí)注意建筑的前后遮擋。

6)南向設(shè)置較大的玻璃窗有利于增加室內(nèi)得熱與提高室內(nèi)舒適度。但透明玻璃窗的傳熱系數(shù)遠(yuǎn)低于一般保溫墻體，過大的開窗在增加太陽直接輻射的同時(shí)也會(huì)造成較大的傳熱損失。應(yīng)選擇一個(gè)較為合理的窗墻比，使建筑得熱大于失熱，從而取得較好的防寒效果。

[1] 楊聯(lián)萍.村鎮(zhèn)建筑節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)集成設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2014.

文章編號(hào)：1009-6825(2017)11-0191-02

Quantitative analysis on the application of passive technology in rural buildings of Shanxi province

Zhang Haining

(TaiyuanAcademyofBuildingDesign,Taiyuan030002,China)

The thesis introduces the definition of passive energy saving technology, analyzes the impact of wind preventing and thermal insulation upon building energy saving from three aspects of building shape, building space and enclosure structure, and describes the utilization technology of passive solar energy, so as to realize the building energy-saving targets.

passive technology, building space, enclosure structure, solar energy

1009-6825(2017)11-0189-03

2017-02-06

張海寧(1987- ),男，助理工程師

TU201.5

A