西北地區(qū)裝配式低能耗農(nóng)村住宅設(shè)計(jì)研究

摘要：農(nóng)村住宅的能源用量逐年增長(zhǎng)，隨著鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的提出，農(nóng)村建筑的節(jié)能工作成為研究重點(diǎn)。西北地區(qū)多為嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)，太陽(yáng)能資源豐富，非常適宜太陽(yáng)能住宅的發(fā)展。而裝配式建筑是一種新型建造方式，不僅能夠?qū)鹘y(tǒng)建筑業(yè)從分散落后的手工業(yè)生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變成基于現(xiàn)代技術(shù)的工業(yè)化生產(chǎn)方式，而且能夠提高施工效率，避免浪費(fèi)施工材料。隨著低能耗建筑和建筑工業(yè)化被作為國(guó)家重點(diǎn)專項(xiàng)進(jìn)行研究，低能耗裝配式建筑引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)。低能耗建筑的重點(diǎn)在于優(yōu)良的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)和可再生能源的利用，而標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化是裝配式建筑的突出特點(diǎn)?；谝陨蠋讉€(gè)方面，文章以西安為例，從模塊化設(shè)計(jì)策略、被動(dòng)式技術(shù)和太陽(yáng)能利用這三個(gè)方面入手，深入研究西北農(nóng)村地區(qū)的模塊化太陽(yáng)房設(shè)計(jì)。首先，運(yùn)用文獻(xiàn)調(diào)研方式，分析總結(jié)西安農(nóng)村地區(qū)的住宅特征、功能需求、房間使用特征和采暖方式，得到戶型。其次，對(duì)太陽(yáng)房進(jìn)行模塊化空間設(shè)計(jì)。最后，以核心功能空間為研究對(duì)象優(yōu)化設(shè)計(jì)太陽(yáng)房的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，“少規(guī)格、多組合”的模塊化空間布局和圍護(hù)部品集成設(shè)計(jì)，不僅可以滿足農(nóng)村住宅的功能需求，而且可以充分利用太陽(yáng)能，以低能耗為目標(biāo)營(yíng)造出舒適的室內(nèi)熱環(huán)境。

關(guān)鍵詞：西北地區(qū)；農(nóng)村住宅；低能耗建筑；裝配式建筑；太陽(yáng)房

中圖分類號(hào)：TU241.4；TU201.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-9436（2023）17-0-03

0 引言

當(dāng)今世界，能源與環(huán)境壓力、資源供需矛盾逐步加劇。20世紀(jì)初期以來，全球能源消耗以每年3%的速度遞增［1］。低能耗建筑通過自身被動(dòng)式設(shè)計(jì)和可再生能源的利用，不僅降低了能耗，舒適的室內(nèi)熱環(huán)境也可以大大減少碳排放量，所以發(fā)展低能耗建筑可以提升建筑業(yè)對(duì)實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的貢獻(xiàn)度。2014年，中共中央、國(guó)務(wù)院印發(fā)《國(guó)家新型城鎮(zhèn)化規(guī)劃（2014—2020年）》，明確大力推進(jìn)建筑工業(yè)化進(jìn)程［2］。2016年，國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)《關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的指導(dǎo)意見》，提出力爭(zhēng)用10年左右的時(shí)間，使新建裝配式建筑達(dá)到新建建筑面積的30%的目標(biāo)［3］。2017年，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部印發(fā)《“十三五”裝配式建筑行動(dòng)方案》，明確把全國(guó)分為不同的裝配式推進(jìn)地區(qū)，設(shè)立示范城市、示范工程和裝配式建筑科技創(chuàng)新基地需要分別達(dá)到50個(gè)、500個(gè)和30個(gè)以上的目標(biāo)，并表示重點(diǎn)發(fā)展、積極發(fā)展和鼓勵(lì)發(fā)展地區(qū)分別要達(dá)到20%、15%和10%以上的目標(biāo)［4］。2017年3月，以“太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)合作”為主題的第九屆亞洲太陽(yáng)能論壇指出，中國(guó)將把太陽(yáng)能等可再生能源的發(fā)展作為重點(diǎn)推進(jìn)內(nèi)容，發(fā)揮區(qū)域太陽(yáng)能資源的優(yōu)勢(shì)，緊抓能源轉(zhuǎn)型的新機(jī)遇［5］。西北地區(qū)面積廣闊，大部分屬于一、二類太陽(yáng)能資源區(qū)，太陽(yáng)能資源豐富，但利用效率低。西北地區(qū)應(yīng)在建筑中廣泛推廣利用太陽(yáng)能等可再生能源。

在裝配式建筑中利用太陽(yáng)能方面，任剛等［6］提出了適合熱帶氣候的模塊化太陽(yáng)能墻體的結(jié)構(gòu)層組合形式、安裝節(jié)點(diǎn)及安裝效果，并定量研究了墻體的熱阻及傳熱系數(shù)，分析了墻體的隔熱性能。太陽(yáng)能模塊化圍護(hù)結(jié)構(gòu)的制冷能耗更低。郭清華等人［7］采用預(yù)制加氣混凝土板和聚苯板與傳統(tǒng)太陽(yáng)墻復(fù)合，設(shè)計(jì)出了一種可在裝配式建筑中作為單元模塊使用的新型太陽(yáng)能復(fù)合墻板，運(yùn)用FLUENT軟件模擬了集熱板孔徑和孔距等因素對(duì)其熱工性能的影響，及其在冬季晴天和云天的集熱與保溫效果，夏季的利用效果。李恩等人［8］考慮了太陽(yáng)輻射對(duì)不同朝向墻體的傳熱影響，計(jì)算得出室外太陽(yáng)輻射條件下等效于現(xiàn)有傳熱系數(shù)限值的各朝向外墻傳熱系數(shù)限值，對(duì)拉薩市外墻保溫構(gòu)造進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 基于模塊化的裝配式低能耗建筑

結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、外圍護(hù)系統(tǒng)、設(shè)備與管線系統(tǒng)、內(nèi)裝系統(tǒng)的主要部分采用預(yù)制部品部件集成的建筑，稱為裝配式建筑［9］。裝配式建筑包括砌塊建筑、骨架板材建筑、盒式建筑等。按照結(jié)構(gòu)材料的不同，可分為混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)和木結(jié)構(gòu)裝配式建筑。相較于其他結(jié)構(gòu)形式，裝配式混凝土結(jié)構(gòu)因材料耐腐蝕，成本較低，更適宜在西北農(nóng)村地區(qū)推廣使用。農(nóng)村住宅平面簡(jiǎn)單、規(guī)則、對(duì)稱，凹凸變化較少的特點(diǎn)符合裝配式建筑的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)特點(diǎn)，并且農(nóng)村住宅屬于中小型裝配式體系，整體建筑功能比較簡(jiǎn)單，可以很好地運(yùn)用新理念、新技術(shù)和新材料來設(shè)計(jì)低能耗的裝配式住宅。Cao等人［10］從取材、預(yù)制構(gòu)件制造、運(yùn)輸、施工過程和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境方面比較了位于北京的預(yù)制裝配式混凝土建筑與傳統(tǒng)混凝土建筑對(duì)環(huán)境的影響，得出裝配式建筑總能耗比傳統(tǒng)建筑減少了20.5%的結(jié)論。

通過設(shè)置被動(dòng)式太陽(yáng)房達(dá)成低能耗。被動(dòng)式太陽(yáng)房一般布置在正南向，是指利用自身的透明玻璃、空間形式和其他吸熱構(gòu)件收集太陽(yáng)輻射，之后在建筑中重新分配熱量，用于冬季采暖，并通過空間和構(gòu)造保溫設(shè)計(jì)儲(chǔ)存熱量，實(shí)現(xiàn)保溫目的。被動(dòng)式太陽(yáng)房包括直接受益式、集熱蓄熱墻式、附加陽(yáng)光間式這三種類型。裝配式復(fù)合墻結(jié)構(gòu)體系由截面和配筋較小的鋼筋混凝土肋梁和肋柱形成肋格，其中填充加氣混凝土砌塊或其他保溫砌塊，增加抗剪和承重能力的同時(shí)，增強(qiáng)保溫性能，是一種新型的綠色工業(yè)化建筑結(jié)構(gòu)體系［11］。

2 西北農(nóng)村住宅現(xiàn)狀

2.1 室內(nèi)熱環(huán)境較差

獨(dú)院農(nóng)宅常見的建筑平面形式有矩形平面、“L”形平面、“一”字形平面、三合院平面、四合院式平面等［12］。測(cè)試溫濕度可以判定現(xiàn)運(yùn)行建筑的實(shí)際熱工環(huán)境，分析建筑的運(yùn)行情況。選取葛牌鎮(zhèn)一建造于2014年的具有代表性的二層住宅的臥室進(jìn)行測(cè)試。在測(cè)試房間內(nèi)，5個(gè)測(cè)點(diǎn)呈“田”字形布置，其中4個(gè)測(cè)點(diǎn)為避免陽(yáng)光直射，布置在角落，中間測(cè)點(diǎn)用物品遮擋來自南向的光線，最后取5個(gè)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)平均值。在室外溫度變化的情況下，室內(nèi)溫度相對(duì)穩(wěn)定，但溫度較低，濕度偏高。南向臥室的室內(nèi)溫度最低值出現(xiàn)在8：00左右，為11.2℃，最高值出現(xiàn)在14：30左右，為13.8℃，相差2.6℃，室內(nèi)溫度的平均值為12.2℃?？偟膩碚f，室外溫度波動(dòng)大，室內(nèi)平均溫度較低。西安農(nóng)村住宅中有利用太陽(yáng)能的潛力，提高太陽(yáng)能在建筑中的利用率，將極大地改善室內(nèi)熱環(huán)境。

2.2 太陽(yáng)能在住宅中的利用率較低

當(dāng)?shù)鼐用裨谠O(shè)計(jì)和使用房屋的過程中，并沒有考慮太陽(yáng)能采暖和采光。2005年以前建造的住宅，窗戶狹小，即使是南向房屋，室內(nèi)白天光環(huán)境和熱環(huán)境仍較差。且部分新建房屋的廚房設(shè)立在東側(cè)，緊挨南向房間，導(dǎo)致南向主臥冬季無法實(shí)現(xiàn)陽(yáng)光直射。

2.3 過度依賴木柴資源

當(dāng)?shù)貥淠举Y源豐富，居民冬季取暖和日常做飯都是以木柴為主要燃料，其次是燃煤，存在過度依賴木柴資源的問題。70歲以上的老人習(xí)慣于冬季用火炕取暖，而許多新建或者翻新后的房屋，基于火炕用柴量較大、不衛(wèi)生、室內(nèi)溫度分布不均且波動(dòng)較大的特點(diǎn)，已經(jīng)逐漸廢棄火炕，而是采用爐子取暖，并使用火爐做飯。但火爐采暖面積相對(duì)集中，提高火爐周圍的熱環(huán)境質(zhì)量有限，冬季室內(nèi)溫度并沒有達(dá)到理想

狀態(tài)。

2.4 住宅功能布局不明確

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，農(nóng)村的功能房間承擔(dān)的相應(yīng)功能區(qū)分不明顯，如臥室承擔(dān)著招待客人的功能，甚至集臥室、客廳和餐廳功能于一體。早期的住宅都沒有設(shè)置餐廳、衛(wèi)生間和淋浴室，一般在院子里吃飯。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和居民對(duì)舒適、方便設(shè)施條件的追求，農(nóng)村少量新建住宅規(guī)劃了室內(nèi)衛(wèi)生間和室內(nèi)淋浴室，但仍然存在功能空間位置和面積不合理的問題，如沒有設(shè)置車庫(kù)、廁所距離房間較遠(yuǎn)等。

3 西北農(nóng)村住宅問題解決策略

3.1 模塊化設(shè)計(jì)規(guī)范農(nóng)宅

在設(shè)計(jì)西北農(nóng)村住宅的過程中，從源頭進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。分析西北農(nóng)村居民的居住行為習(xí)慣，根據(jù)規(guī)范和實(shí)際情況確定房間各個(gè)模塊的尺寸，根據(jù)家庭居住人口，組裝和拼接模塊。模塊化設(shè)計(jì)可以滿足居民的居住需求，標(biāo)準(zhǔn)化的裝配方式可以提升施工效率，保證住房質(zhì)量。模塊是指有獨(dú)立功能，可獨(dú)立使用，也可互換使用的單元。它是裝配式建筑標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)中的基本單元，可以獨(dú)立設(shè)計(jì)和制造，也可以通過多種方式組合［13］。

相較于木結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)因材料豐富，比較耐腐蝕，已成為主要的工業(yè)化建筑結(jié)構(gòu)類型。預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)主要分為三類：裝配式框架結(jié)構(gòu)、裝配式框架-現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)、裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)。裝配式框架結(jié)構(gòu)由預(yù)制柱、預(yù)制梁、預(yù)制樓板和非承重墻組成，實(shí)現(xiàn)主要結(jié)構(gòu)接近100%的預(yù)制化率，減少現(xiàn)場(chǎng)的濕作業(yè)，多適用于低層、多層建筑［14］。但其在裝配過程中，吊裝次數(shù)較多，接頭工作量大，突出的柱子也會(huì)給建筑平面布置和空間處理帶來困難，影響建筑空間的合理使用。預(yù)制剪力墻有利于實(shí)現(xiàn)住宅空間的靈活布置，根據(jù)裝配率高低，分為全預(yù)制和部分預(yù)制剪力墻結(jié)構(gòu)。前者是指全部剪力墻采用預(yù)制構(gòu)件拼裝裝配，但拼縫多為干連接，構(gòu)造復(fù)雜、施工難度大。后者主要指外墻預(yù)制，節(jié)點(diǎn)等部分現(xiàn)場(chǎng)澆筑［15］。預(yù)制框架-剪力墻結(jié)構(gòu)采用預(yù)制的梁和柱，節(jié)點(diǎn)的連接以濕作業(yè)為主，結(jié)構(gòu)的適用高度和設(shè)計(jì)方法與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)相同。綜上所述，選用預(yù)制剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行西北農(nóng)村住宅的空間模塊化設(shè)計(jì)研究。

3.2 利用太陽(yáng)能采暖

火炕因浪費(fèi)木材和不衛(wèi)生的特點(diǎn)，已逐漸被人們所拋棄?；馉t具有可移動(dòng)性，但采暖面積較小，放置火爐的房間也需要穿孔打洞，使排煙管道接到室內(nèi)，影響美觀，且燃料多為煤和木柴，會(huì)耗費(fèi)大量能源。隨著煤改氣政策的實(shí)施，農(nóng)村開始使用天然氣做飯和取暖，但通過調(diào)研和居民反饋發(fā)現(xiàn)，由于天然氣價(jià)格較高，因此新安裝的暖氣片和地暖很少使用，冬季主要用空調(diào)取暖。西北地區(qū)擁有豐富的太陽(yáng)能資源，利用附加陽(yáng)光間取暖，干凈衛(wèi)生。在設(shè)計(jì)時(shí)，要優(yōu)化附加陽(yáng)光間的進(jìn)深和材料以及外墻的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，為室內(nèi)營(yíng)造舒適的熱環(huán)境。太陽(yáng)房可以滿足西北地區(qū)的采暖需求，雖然會(huì)比一般住宅增加10%～15%的成本，但是全年可節(jié)約取暖燃料2/3以上。其他采暖方式可作為冬季采暖的輔助熱源。

集熱模塊是指由透明材料集熱構(gòu)件或非透明材料集熱構(gòu)件組成的，能夠大量吸收太陽(yáng)能輻射的空間。附加陽(yáng)光間作為整個(gè)太陽(yáng)房的集熱模塊，對(duì)太陽(yáng)房的熱環(huán)境和節(jié)能作用影響最大。因此，先選定建筑模型，探討集熱模塊的集熱效果和熱作用，然后探討特定集熱模塊下圍護(hù)部品的集成。附加陽(yáng)光間大多在南向與主體建筑臨近布置，少量情況下可獨(dú)立布置在屋頂層。附加陽(yáng)光間有坡屋面、曲屋面、平屋面等形式，因坡屋面集熱效果好，建造簡(jiǎn)單，最適合在農(nóng)村住宅中使用。

根據(jù)對(duì)集熱模塊和外圍護(hù)部品的熱工優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，得出附加陽(yáng)光間進(jìn)深為1500 mm，附加陽(yáng)光間屋面材料為“6+12+6”的中空玻璃，東向墻體采用夾心保溫墻板，南向墻體為250 mm的植物纖維水泥復(fù)合板，西向墻體為外保溫墻板，臥室窗墻比為0.37、客廳窗墻比為0.4為最優(yōu)組合設(shè)計(jì)方案。

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于西北農(nóng)村地區(qū)發(fā)展低能耗建筑和建筑工業(yè)化的背景，調(diào)研并總結(jié)了以西安為代表的農(nóng)村住宅特征、功能需求、采暖特征等，結(jié)合西北地區(qū)豐富的太陽(yáng)能資源、裝配式建筑節(jié)約資源、施工效率較高的優(yōu)點(diǎn)，闡述了西北農(nóng)村地區(qū)發(fā)展裝配式太陽(yáng)房的必要性，以此對(duì)西北農(nóng)村地區(qū)的低能耗裝配式住宅進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究。

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作者簡(jiǎn)介：梁歡（1997—），女，重慶人，碩士在讀，研究方向：綠色建筑設(shè)計(jì)與節(jié)能。