我國鄉(xiāng)村民居建筑節(jié)能現(xiàn)狀探究

文／李佳謠 內蒙古工業(yè)大學 碩士研究生

王 尚 內蒙古工業(yè)大學 碩士研究生

蘇曉明 內蒙古工業(yè)大學 副教授（通訊作者）

引言

中國目前屬于發(fā)展中國家，鄉(xiāng)村在全國范圍內分布較廣。據(jù)國家統(tǒng)計局統(tǒng)計，鄉(xiāng)村人口大約占全國總人口的50%以上[1]。相比城市地區(qū)的建筑，鄉(xiāng)村地區(qū)民居建筑存在發(fā)展緩慢、滯后，鄉(xiāng)村經(jīng)濟條件落后等問題，且民居建筑存在施工工藝簡單、建筑材料有限、功能單一、節(jié)能效果差等特點，民居建筑節(jié)能研究有利于促進鄉(xiāng)村的發(fā)展建設。

研究民居節(jié)能一般會從以下幾個方面著手：室內熱環(huán)境、圍護結構的保溫性能、被動式太陽能技術建筑等。節(jié)能主要是保證人們在室內舒適的環(huán)境下，減少能源的消耗。使用儀器收集數(shù)據(jù)，通過建筑的朝向、門窗密閉性、南北向的窗墻比、功能空間合理布置、民居構造技術、被動式技術、綠色建筑設備、可再生能源利用等方面優(yōu)化民居節(jié)能設計。

隨著十九大報告中提出“鄉(xiāng)村振興”，更多的學者著手研究鄉(xiāng)村民居建筑節(jié)能。趙欽等人通過軟件模擬研究了陜南地區(qū)鄉(xiāng)村民居的室內熱環(huán)境，利用被動式技術提高室內舒適度；桑國臣等人對寧夏中衛(wèi)地區(qū)民居室內環(huán)境進行測評，利用太陽能技術提高冬季室內溫度；劉艷峰等人對西北民居進行走訪、問卷調查，為民居節(jié)能技術提供數(shù)據(jù)；劉盛等人在研究湘西民居時，使用模擬軟件，通過正交試驗設計對傳統(tǒng)民居進行改造；閆海燕等人測量新舊建筑的室內外環(huán)境參數(shù)并進行分析，為新民居設計提供依據(jù)[2-5]。使用軟件進行模擬測試，需要輸入環(huán)境數(shù)據(jù)，測試單影響因素產(chǎn)生的節(jié)能影響，如果設置的環(huán)境數(shù)據(jù)、建筑數(shù)據(jù)與實際環(huán)境不完全吻合，會產(chǎn)生誤差；如若只使用儀器測量室內外環(huán)境，用PMV-PPD評價法測評室內熱舒適度，通過間接的方式評價民居節(jié)能，是達不到國家要求的標準的。本文通過總結上述研究，系統(tǒng)地介紹了目前研究鄉(xiāng)村民居節(jié)能的方法，以期提供一些展望，為未來研究鄉(xiāng)村建筑的節(jié)能提供借鑒。

1 鄉(xiāng)村民居節(jié)能概況

近年來，城市化的推進促進了農(nóng)村建設的蓬勃發(fā)展，居民大多數(shù)建起了磚混自建房。20%的民居由工程師設計建造，考慮了室內熱舒適、采光、自然通風等等；80%的自建房在建設的過程中沒有考慮過墻體的保溫性能、開窗大小、太陽能使用、采光通風等因素。磚混自建房造價比生土建筑造價高很多，節(jié)能性能上的改善是微小的。在北方嚴寒地帶的冬天，農(nóng)村居民通常會以在炕內生火的形式加熱房間溫度，而建筑物防護構造的保溫隔熱特性不好、窗戶尺寸不科學合理，是造成北部農(nóng)村地區(qū)增加家庭能源費用的主要因素[6]；而在中國的夏熱冬寒地帶和南部的夏熱冬暖地帶面臨著建筑物防護構造的保溫隔熱性和氣密性較差以及供熱、冷卻空調系統(tǒng)效能不足等問題。鄉(xiāng)村地區(qū)的民居節(jié)能情況不理想，需要我們持續(xù)關注。

2 民居建筑節(jié)能研究方法

2.1 軟件模擬

2.1.1 研究對象

中國幅員遼闊，南北緯度長，東西跨度廣，地理環(huán)境和自然環(huán)境豐富，氣候多樣。民居根據(jù)當?shù)氐淖匀粭l件，經(jīng)過幾百年形成了不同地域的特色民居。在北方，民居大多數(shù)位于寒冷、嚴寒地區(qū)，室內外溫差大，主要的研究內容應是解決室內舒適度的問題；新疆、內蒙古、西藏等地區(qū)處于高原地區(qū)，太陽能資源豐富，室內熱舒適、被動式太陽能技術應用是該地區(qū)的研究重點[7,8]。在南方，夏熱冬暖地區(qū)夏季環(huán)境濕熱、冬季濕冷，不同朝向的開窗尺寸、窗墻比、保溫隔熱、自然通風是研究的重點。在民居建筑節(jié)能的研究中，需要根據(jù)特定的地理環(huán)境、氣候特征選取研究對象。

2.1.2 軟件參數(shù)設定

DesignBuilder 是英國開發(fā)的分析軟件，Ecotect 是Autodesk 開發(fā)的分析軟件，EnergyPlus是美國能源部開發(fā)的軟件，DeST-H 是清華大學開發(fā)的分析軟件。選擇研究對象后，設置相應的農(nóng)村住宅建設模式，并設定該區(qū)域的經(jīng)緯線、海拔高度、天氣等標準數(shù)據(jù)，并確定外墻傳熱系數(shù)、頂棚傳熱系數(shù)、朝向、窗墻比、建筑材料的技術參數(shù)等，就可以分析出該模型的太陽輻射、遮陽、熱力、照明等室內的熱環(huán)境參數(shù)[9]。

2.1.3 數(shù)據(jù)分析

得到模擬數(shù)據(jù)之后，可進行單因素影響分析、多因素影響分析、正交試驗分析。如前輩研究結論中，對康定地區(qū)傳統(tǒng)民居采暖影響較大的因素分別是層高、朝向、屋頂構造、陽光間、南相窗墻比，而在拉薩地區(qū)新建民居采用深色玻璃，白天將玻璃全開的方式可有效提升室內溫度。對于重慶地區(qū)新農(nóng)村建設，通過動態(tài)能耗分析，得到其窗戶的最佳設計是采用30mm厚膨脹聚苯板加LOW-E 中空玻璃[10-12]。

2.2 PMV-PPD 評價

2.2.1 測量儀器

（1）太陽輻射測量儀器，采用全天候輻射數(shù)據(jù)自記儀TBQ-2。

（2）空氣溫度測量儀，采用自記式溫度計紐扣溫濕度計TR-72wf、iButton。

（3）空氣溫濕度測試采用175-H1 型自記式高精度溫濕度計。

（4）采用JTNT-C 型圍護結構傳熱系數(shù)現(xiàn)場檢測儀[13-15]。

2.2.2 PMV-PPD 評價

PMV-PPD 評價指標能直接反映出人在室內的熱舒適度，是用來評價熱舒適的一個指標。PMV（Predicted Mean Vote）能代表相同環(huán)境中大多數(shù)人平均的室內冷熱感覺，PMV 是指預測平均投票數(shù)。PMV 有7 個等級：+3 熱、+2溫暖、+1 較溫暖、0 適中、-1 較涼、-2 涼、-3冷，每一個程度對應一個數(shù)值，當室內熱舒適度最佳時，PMV=0。我國農(nóng)村地區(qū)的民居室內舒適度應該在-1 至+1 之間比較合適。

3 民居建筑節(jié)能策略研究

3.1 加強對建筑圍護結構的節(jié)能

建筑圍護結構的節(jié)能重點，是要增加建筑的墻面、窗戶和頂棚等建筑圍護結構的保溫施工及隔熱性能。

3.1.1 外墻

據(jù)南北方鄉(xiāng)村民居建筑的圍護結構能耗統(tǒng)計，外墻和屋頂?shù)臒崃磕芎倪_到了40%左右，因此，墻體的保溫隔熱性能對于建筑物采暖能耗的影響很大。目前通過設計節(jié)能保溫外墻是比較常見的做法，常用的為外部保溫和夾心保溫，從造價和性能方面，優(yōu)先選用外墻外保溫技術，在民居建筑中最常用的保溫材料是EPS板（可發(fā)性聚苯乙烯板），其導熱系數(shù)小，較為輕質，易于施工。但還需要加強對新型墻體材料的研究。

3.1.2 門窗

玻璃窗是建筑物圍護結構的主要構件。據(jù)統(tǒng)計，外窗的能源大約占建筑物總能源的50%。所以，門窗的節(jié)能措施在農(nóng)村住宅建筑節(jié)能中十分重要。此外，農(nóng)村住宅的建筑節(jié)能措施還必須從玻璃、門框、氣體密閉等多方面考慮，可采用的主要措施有：（1）選用新型節(jié)能玻璃，以提高玻璃的保溫措施及隔熱性能，可選擇中空玻璃，它們在隔音、隔熱方面都具有良好的效果；（2）根據(jù)不同地區(qū)的氣候選擇合適的窗墻比；（3）減少使用推拉窗，優(yōu)選平開窗可有效減少熱量流失，窗框首選斷橋鋁合金門窗，氣密性較好，能減少30%室內熱量的散失。

3.1.3 屋面

屋面在圍護結構中的耗能相比于外墻和門窗占比較小，約占能耗的10%。其節(jié)能的方法，主要是利用改善屋面層的熱工特性抑制熱能的傳導。目前在屋面節(jié)能技術中，綠化屋面和覆土屋面可有效降低熱島強度，選擇價格低廉的草本或蕨類植物鋪設至屋面，可達到隔熱降溫的目的，同時具有美化屋面的作用。屋面材料要選擇合適的保溫材料，如聚乙烯版（EPS、XPS 板）、巖棉、膨脹珍珠棉等。

3.2 重視空調系統(tǒng)的節(jié)能

對于我國夏熱冬冷地區(qū)和夏熱冬暖地區(qū)的民居建筑來說，空調能耗約占總能耗的50%。因此，降低空調系統(tǒng)的能耗，發(fā)展空調系統(tǒng)的節(jié)能技術十分必要。目前我國空調節(jié)能技術有熱能再回收技術、水源熱泵技術、蓄冰空調技術和變頻調速系統(tǒng)。水源熱泵技術主要是利用地下水與空調冷卻水間的溫度進行調溫，當夏季冷卻水溫度下降后即為房間的冷卻，而冬季則從地下水中汲取熱量為房間供暖，由于節(jié)能效果好，現(xiàn)在已被廣泛應用。變頻控制的節(jié)能技術主要是對制冷及空調系統(tǒng)實現(xiàn)智能管理，按照不同時期、不同條件相應調節(jié)空調系統(tǒng)的制冷量，讓中央空調機械設備及控制系統(tǒng)以最合理的方案工作，從而提升中央空調機械設備的運轉效能，并最大程度地減少運營能源。

3.3 強化照明系統(tǒng)的節(jié)能

通過前人對傳統(tǒng)鄉(xiāng)村民居調研發(fā)現(xiàn)，民居的照明系統(tǒng)還大量在使用熒光燈、金屬鹵化物燈等照明設備，這些光源因功率系數(shù)較低，需要通過加裝無功補償設備來保障照明系統(tǒng)的正常運行，不但消耗了大量的電能資源，還無端增加了成本。因此，照明節(jié)電已成為鄉(xiāng)村民居節(jié)能的重要方面。而實行照明節(jié)能的措施主要有：（1）在建筑設計初期合理考慮窗墻比，充分利用自然光；（2）選擇高效節(jié)能、照明系數(shù)高的燈具；（3）合理設計燈具的安裝位置可以降低燈光功率，減少燈光散射。

3.4 提高再生能源技術的利用

因為我國再生能源資源極為充足，所以近年來我國新能源行業(yè)發(fā)展速度很快，可再生能源科技與裝備的水平也明顯提高，因而在我國鄉(xiāng)村地區(qū)可大力開發(fā)利用太陽能、風能、地熱能等，可在鄉(xiāng)村推廣采用太陽能熱水器、太陽灶等。

結語

研究民居建筑節(jié)能有利于促進“鄉(xiāng)村振興”，有利于鄉(xiāng)村地區(qū)合理地進行房屋自建，建筑節(jié)能合理減少能耗，優(yōu)化建筑功能空間。本文收集了大量的資料，通過總結研究方法，發(fā)現(xiàn)未來需要提高北方地區(qū)的可再生能源技術的利用，充分將北方地區(qū)的太陽能、風能、地熱能有效利用于建筑節(jié)能中。南方地區(qū)建筑需要注重環(huán)保建材的合理使用，多運用“鄉(xiāng)土”建筑材料，并合理利用與當?shù)孛窬咏ㄖ锵嗤慕Y構與構造，以充分發(fā)揮其物理上的特點，而鄉(xiāng)土建筑材料則通常都具備低耗環(huán)保、耐火防水、隔熱性能較好等優(yōu)勢，不僅綠色又生態(tài)，還能體現(xiàn)不同地區(qū)的特色建筑風貌。作者通過對鄉(xiāng)村節(jié)能的研究，希望能為鄉(xiāng)村節(jié)能建筑的建設提供參考依據(jù)。