川西地區(qū)藏族民居外圍護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

王黔豫　侯立強(qiáng)

(1.中國(guó)核電工程有限公司北京民用設(shè)計(jì)院，北京　100840；　2.西安建筑科技大學(xué)建筑學(xué)院，陜西 西安　710055)

近年來(lái)，隨著社會(huì)的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，建筑能耗問(wèn)題日益凸顯。但目前建筑節(jié)能工作主要集中在城市，這與我國(guó)龐大的農(nóng)業(yè)人口現(xiàn)狀極不相符。我國(guó)農(nóng)村住宅的能耗的問(wèn)題不容忽視。因此，改善和優(yōu)化農(nóng)村建筑的節(jié)能設(shè)計(jì)迫在眉睫。

建筑能耗是指建筑的運(yùn)行能耗，主要是人們的日常用能，包括采暖、空調(diào)、照明以及其他設(shè)施的能耗。在寒冷地區(qū)，建筑的主要能耗為采暖能耗，而采暖能耗的1/3以上源于建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱損耗[1]。因此優(yōu)化建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)是解決寒冷地區(qū)建筑能耗的重要手段。

外圍護(hù)結(jié)構(gòu)包括建筑的外墻體、屋頂、外門窗等構(gòu)件。其中外墻體和外門窗兩者的耗熱量能夠達(dá)到建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)總耗熱量的80%以上。建筑外墻體與外界環(huán)境接觸面積大，熱交換量大；外門窗由于其材料絕熱性較差，是建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中熱損耗的薄弱環(huán)節(jié)。因此，外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化主要是針對(duì)外墻體及外門窗的保溫隔熱優(yōu)化。

目前，我國(guó)有四種外墻體保溫做法：內(nèi)保溫、夾心保溫、外保溫及綜合保溫。各種保溫做法都能夠有效的降低外墻體的耗熱量。但不同的材料及做法，在節(jié)能效率上各有差異。由于生活方式、資源環(huán)境的不同，農(nóng)村住宅與城鎮(zhèn)住宅極不相同。因此農(nóng)村住宅的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的做法不能簡(jiǎn)單套用城鎮(zhèn)做法，而應(yīng)因地制宜，體現(xiàn)當(dāng)?shù)靥厣?，利用?dāng)?shù)刭Y源。

1　川西地區(qū)既有藏族居住建筑現(xiàn)狀

川西地區(qū)是指阿壩州和甘孜州等高原藏區(qū)，屬高原季風(fēng)氣候區(qū)。以甘孜州康定為例，其年平均氣溫為7 ℃，最高溫度為29 ℃，最低溫度約為-14 ℃，屬于建筑熱工設(shè)計(jì)分區(qū)中的寒冷地區(qū)[2]。

1.1　建筑概況

經(jīng)過(guò)對(duì)川西地區(qū)藏族傳統(tǒng)民居的實(shí)地調(diào)研，將一棟具有代表性的當(dāng)?shù)孛窬舆x為研究對(duì)象，其概況如下：建筑朝向?yàn)樽背?，建筑面積283.92 m2，建筑為磚石結(jié)構(gòu)，地上2層，層高為3.3 m。外墻噴涂20 mm厚水泥砂漿，500 mm石頭墻，屋面為粘土，外窗為單玻塑鋼窗。建筑平面圖如圖1所示。

1.2　圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造及熱工性能

川西地區(qū)藏族傳統(tǒng)民居建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能[3,4]如表1所示。通過(guò)對(duì)表1的分析可得出以下結(jié)論：

1)建筑的外墻及屋面均沒(méi)有設(shè)保溫層，保溫性能差，傳熱系數(shù)是建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的兩倍多。

2)單薄塑鋼材質(zhì)的建筑外窗傳熱系數(shù)過(guò)大，是建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)近兩倍。

表1　川西地區(qū)藏族傳統(tǒng)民居主要圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能

2　室內(nèi)熱環(huán)境狀況

有關(guān)研究表明，人們的平均熱感覺(jué)(MTS)隨室內(nèi)平均溫度變化的相關(guān)性較強(qiáng)，熱感覺(jué)隨室內(nèi)溫度變化更為敏感，同時(shí)還受到相對(duì)濕度等其他因素的影響。因此研究川西地區(qū)藏族傳統(tǒng)民居建筑室內(nèi)熱環(huán)境狀況對(duì)于人體熱舒適具有重要意義。本文采用EnergyPlus[5]軟件及典型年氣象年逐時(shí)數(shù)據(jù)(CSWD)對(duì)川西地區(qū)藏族傳統(tǒng)民居的室內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行模擬，得到了該建筑一層室內(nèi)冬季及夏季設(shè)計(jì)日的平均溫度和相對(duì)濕度。該建筑位于寒冷地區(qū)，《農(nóng)村居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[6]規(guī)定冬季農(nóng)村居住建筑的計(jì)算換氣次數(shù)應(yīng)取0.5 h-1。

2.1　冬季設(shè)計(jì)日(1月21日)室內(nèi)平均溫濕度分布

冬季設(shè)計(jì)日室內(nèi)平均溫度較為穩(wěn)定，波動(dòng)較小，分布在6.22 ℃～8.55 ℃之間，這是圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫及透過(guò)窗戶的太陽(yáng)輻射得熱共同作用的結(jié)果，但仍低于室內(nèi)人體熱舒適溫度18 ℃(見(jiàn)圖2)。室內(nèi)相對(duì)濕度較小，分布在14.49%～24.81%之間，達(dá)不到相對(duì)濕度40%～65%的要求(見(jiàn)圖3)。冬季室內(nèi)干燥、寒冷，熱環(huán)境較差，不滿足人體熱舒適要求，因此采暖、加濕成為該地區(qū)的迫切需要，其中采暖能耗為主要能耗來(lái)源。

2.2　夏季設(shè)計(jì)日(7月21日)室內(nèi)平均溫濕度分布

夏季設(shè)計(jì)日室內(nèi)平均溫度穩(wěn)定，溫度分布在19.98 ℃～22.98 ℃之間(見(jiàn)圖4)，相對(duì)濕度分布38.49%～46.27%之間(見(jiàn)圖5)，室內(nèi)較為舒適，不需要制冷。

3　優(yōu)化方案及建筑耗熱量分析

3.1　優(yōu)化方案

川西地區(qū)藏族傳統(tǒng)民居夏季室內(nèi)熱環(huán)境基本能滿足人體熱舒適要求，而冬季室內(nèi)熱環(huán)境較差，因此應(yīng)注重冬季保溫。外墻的傳熱系數(shù)1.85 W/(m·K)大于《農(nóng)村居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中外墻的傳熱系數(shù)0.65 W/(m·K)，外窗傳熱系數(shù)4.699 W/(m·K)大于《農(nóng)村居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中外窗的傳熱系數(shù)2.5 W/(m·K)，應(yīng)加強(qiáng)這兩個(gè)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫性能。對(duì)于既有建筑來(lái)說(shuō)，在不影響建筑物的使用情況下同時(shí)又要實(shí)現(xiàn)節(jié)能改造，外墻外保溫就成為最佳的改造技術(shù)措施。外墻外保溫改造主要有幾種系統(tǒng)：聚苯乙烯泡沫塑料板薄抹灰外墻外保溫系統(tǒng)、膠粉聚苯顆粒保溫漿料外墻外保溫系統(tǒng)等。為了就地取材，本文提出在已有建筑外墻外加粘土草泥或者粘土草泥與聚苯乙烯泡沫塑料板相結(jié)合作為外保溫層，同時(shí)將外窗由單玻塑鋼窗改為雙玻塑鋼窗。為了對(duì)比草泥及聚苯乙烯泡沫塑料板厚度及雙玻塑鋼窗對(duì)建筑耗熱量的影響大小，制定了三種圍護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，具體如表2所示。

表2　圍護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

川西地區(qū)藏族傳統(tǒng)民居圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造前后外墻傳熱系數(shù)如圖6所示。

由圖6可知，外墻外加草泥，厚度從10 mm到100 mm等間距變化時(shí)，外墻的傳熱系數(shù)逐漸減小且變化率減??；草泥厚度固定為20 mm，聚苯板厚度從10 mm到100 mm等間距變化時(shí)，傳熱系數(shù)顯著減小，且當(dāng)聚苯板厚度超過(guò)30 mm之后，外墻傳熱系數(shù)小于0.65 W/(m·K)，滿足節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)要求。草泥或聚苯板厚度的增加與外墻傳熱系數(shù)的減小并不呈線性關(guān)系，變化率逐漸減小。

3.2　建筑改造前后采暖期圍護(hù)結(jié)構(gòu)耗熱量

為了反映圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造前后窗戶、墻體等各部分耗熱構(gòu)成以及改造后效果是否明顯，本文對(duì)采暖期(即11,12,1,2,3五個(gè)月)建筑的耗熱量進(jìn)行模擬。三種不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案建筑耗熱量如圖7所示。

采暖期建筑耗熱量主要由窗戶得熱、窗戶失熱、滲透耗熱、不透明表面(外墻、屋面)耗熱組成，其中不透明表面耗熱所占比重較大，滲透耗熱量次之，窗戶失熱較小。窗戶得熱即是透過(guò)窗戶的太陽(yáng)輻射。對(duì)于方案一、方案二隨著草泥或聚苯板厚度的增加，不透明表面耗熱量減小，原因是在原建筑外層加草泥或者聚苯板后，傳熱系數(shù)減小，墻體的保溫性能變好，其他各部分變化不大，且方案二較方案一采暖期建筑耗熱量顯著減小。對(duì)于方案三外窗由單玻塑鋼窗變?yōu)殡p玻塑鋼窗，外窗傳熱系數(shù)減小，遮陽(yáng)系數(shù)同樣減小，即窗戶得熱和失熱同時(shí)減少，窗戶失熱減少更多，從而使采暖期建筑耗熱量更小。

3.3　建筑改造前后耗熱量指標(biāo)

建筑耗熱量指標(biāo)是指建筑在采暖期間，為維持室內(nèi)計(jì)算溫度，每平方米建筑面積每小時(shí)消耗的熱量。這一指標(biāo)可作為建筑物改造前后其圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能的評(píng)判依據(jù)。室內(nèi)計(jì)算溫度取滿足人體熱舒適18 ℃，經(jīng)過(guò)模擬得出改造前后的建筑耗熱量指標(biāo)如圖8所示。

隨著外墻傳熱系數(shù)的減小，建筑耗熱量指標(biāo)也在減小。其中方案一耗熱量指標(biāo)為原建筑耗熱量指標(biāo)的98.1%,96.6%,95.2%,94%,92.9%,91.8%,90.7%,89.7%,88.8%,87.9%。方案二耗熱量指標(biāo)為原建筑耗熱量指標(biāo)的85.4%,79.2%,75.3%,72.7%,70.7%,69.2%,68.1%,67.1%,66.3%,65.7%。方案三耗熱量指標(biāo)為原建筑耗熱量指標(biāo)的81.8%,76.4%,72.5%,69.9%,67.9%,66.4%,65.3%,64.3%,63.6%,62.9%。傳統(tǒng)民居改造后建筑耗熱量指標(biāo)減小，尤其是方案二、三，建筑耗熱量指標(biāo)顯著減小。而方案三與方案二相比，建筑耗熱量指標(biāo)較小，但其耗熱特點(diǎn)不同，方案二能夠爭(zhēng)取更多白天的太陽(yáng)輻射得熱，但傳熱損失較大，方案三與此相反。

因此，對(duì)于臥室等夜晚使用或北向的房間，采用方案三較好，減少外窗的傳熱損失，減少人體的不舒適，對(duì)于起居室等白天使用且南向的房間，則采用方案二較好，爭(zhēng)取白天更多的太陽(yáng)輻射得熱。

4　結(jié)語(yǔ)

本文基于廣泛調(diào)研，建立川西地區(qū)藏族傳統(tǒng)民居建筑模型，設(shè)定建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料熱工性能參數(shù)，在EnergyPlus軟件模擬分析中得到建筑物改造前后的傳熱系數(shù)、采暖期耗熱量、耗熱量指標(biāo)，經(jīng)比較分析得出結(jié)論：

1)川西地區(qū)藏族傳統(tǒng)民居外圍護(hù)結(jié)構(gòu)中外墻及外門窗的傳熱系數(shù)遠(yuǎn)高于《農(nóng)村居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，從而使冬季室內(nèi)熱環(huán)境較差，不滿足人體熱舒適要求。

2)在原建筑外層加不同厚度的草泥或者聚苯乙烯泡沫塑料板后，傳熱系數(shù)，采暖期耗熱量及耗熱量指標(biāo)均逐漸減小，墻體的保溫性能變好。當(dāng)外層加草泥20 mm且聚苯乙烯泡沫塑料板厚度大于30 mm時(shí)，墻體傳熱系數(shù)開(kāi)始小于節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)要求中的0.65 W/(m·K)。

3)為了不影響建筑物使用情況且可就地取材，選擇了墻體外保溫以及將窗由單玻塑鋼窗變?yōu)殡p玻塑鋼窗，結(jié)合房間的朝向及用途，采取適當(dāng)?shù)拇胧└纳剖覂?nèi)熱環(huán)境來(lái)滿足人體熱舒適要求。

參考文獻(xiàn):

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