农村居住建筑围护结构节能设计研究

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随着我国经济的飞速发展，能源消耗总量也在逐渐上升，其中建筑物的能耗占能源消耗总量的比例非常大，降低建筑能耗的任务迫在眉睫。作者在对陕南农村居住建筑的调研中发现，由于陕南农村经济发展落后，在农宅的建设过程中普遍缺乏科学系统的设计，建筑的围护结构基本没有保温隔热措施，在陕南地区夏季湿热、冬季阴冷的气候条件下，农村居住建筑普遍存在着室内热环境差、能耗高的问题。本文以安康市石泉县一栋典型的砖混建筑为例，通过分析该建筑的围护结构构造及热工性能，提出适宜陕南地区的围护结构设计方案，并对设计方案进行模拟分析。

1陕南地区农村居住建筑室内热环境现状

在第三次全国农业普查中，陕南三市对农村居住建筑的住房结构进行了调研。调研结果表明，陕南农村居住建筑主要以砖混结构建筑为主，占到建筑总量的半数以上[2]。作者选取了安康市石泉县五爱村二组的一栋当地典型砖混结构房屋，对该建筑进行冬季室内热环境进行了测试。该砖混结构建筑的构造及传热系数见表1。由表1我们可以得出，该建筑的围护结构不能达到《农村居住建筑节能设计标准》中对该气候区各围护结构的热工性能的标准值。冬季测试时间为2019年1月21日12时至2019年1月25日12时。测试期间天气为晴天，无降雨大风天气。室外平均温度3.18℃，室外空气最高温度为10.7℃（出现在下午16时），室外空气最低温度为-3℃（出现在早8时），温度波动幅度约为13.7℃。测试结果表明：该地区冬季寒冷，全天温差大。从全天温度变化趋势上来看,室内外温度变化趋势一致，室内温度随着室外温度的变化而升高或降低。测试期间，室内最高温度7.2℃，最低温度3.4℃，客厅和卧室全天的室内温度均低于8℃。客厅平均温度5.65℃，卧室平均温度5.18℃，客厅与卧室的温差较小。按照《室内空气质量标准》中对室内空气温度的规定，在冬季供暖时，标准值为16~22℃，因此我们可以发现：冬季室内温度低于《室内空气质量标准》的最低值，且与最低值的温差达到了10℃左右，农户冬季室内空气温度质量低，需要进行供暖，提高室内空气温度。在现有建筑围护结构的条件下，人们只能大量增加衣物或者使用电暖器、煤炉等方式获得热量。这样一来，建筑的能耗也将越来越高。因此对围护结构进行设计，提高建筑的热工性能，不仅可以改善室内热环境，还可以有效节约能源。

2围护结构设计方案

从表1可以看出，该砖混结构建筑的围护结构构造简单，各围护结构均未设置保温措施，这就使围护结构的传热系数较大，导致室内热环境不理想。因此，作者将从外墙、屋顶、外窗三个方面进行设计。2.1外墙设计。一般情况下，外墙的保温做法有外墙外保温、外墙内保温、单一墙材保温三大类。外墙内保温和外墙内保温的做法，需要在砌体材料上附加一层保温层，保温层的厚度因材料的热工性能而定。这样一来，外墙内保温就减少了室内使用面积[2]；而一般情况下，保温材料耐久度要低于砌体部位，这就需要每隔10年左右就要更换一次保温材料，而无论是采用外墙外保温还是内保温，在修建和后期维护都要高于单一节能墙材保温的做法。所以结合陕南地区的实际情况，在陕南农村居住建筑的外墙保温构造做法上，优先选择单一墙材保温的做法为主。在确定了以单一墙材保温的墙体构造做法后，作者发现，陕南地区农村居住建筑的墙体材料主要以黏土实心砖为主，厚度为240mm，内外抹灰。受黏土砖热工性能的影响，墙体结构热工性能较差，达不到节能设计的标准。如果以节能热阻为基准展开墙厚的计算，同时将冬季室内温度设置为8℃，要想使得砖墙热阻达到相关标准，砖墙厚度就会超过240mm，这又会使室内使用面积减小，并且会影响围护结构的抗震性能。在陕南地区，新型节能墙材主要以烧结页岩砖和蒸汽加压混凝土砌块两类为主。由于农村居住建筑一般为砖混结构，外墙需要起到一定的承重作用，一般情况下，蒸汽加压混凝土砌块的承重能力差，所以建议在陕南农村节能墙体材料选择上优先考虑页岩砖。根据以上的分析，在陕南地区农村居住建筑外墙的节能设计中，作者建议选择以烧结页岩砖为外墙墙体材料、轻质砂浆内外组合保温的构造形式作为外墙的构造做法。墙身构造做法如图1所示。从外到内结构依次为:（1）5mm厚抗裂砂浆；（2）20mm厚水轻质砂浆，导热系入2=0.084[W/（m2K）]，蓄热系数S2=1.72[W/（m2•K）]；（3）240mm厚烧结页岩多孔砖，导热系数入3=0.54[W/（m2K）]，蓄热系数S3=5.78[W/（m2•K）]；（4）20mm厚石膏轻质砂浆，导热系数入3=0.102[W/（m•K）]，蓄热系数S3=2.23[W/（m2•K）]；（5）石膏饰面砂浆。当水泥轻质砂浆厚度为20mm时，该外墙构造的传热系数K=0.99W/（m2•K），即可满足标准限值K<1.8W/（m2•K）。2.2屋顶设计。陕南地区农村居住建筑大多采用在木屋架上直接挂瓦的坡屋顶，未设置保温层，因此屋顶的传热系数大，需要设置保温屋顶[3]，以提高屋顶的保温性能。对屋顶的保温材料的选择上，由于陕南地区气候多雨、潮湿，因此需要注重保温材料的挑选，诸如挤塑聚苯乙烯泡沫塑料板则是较为可行的材料。对于坡屋顶的保温做法，考虑到陕南地区的屋顶的实际特点，可采取保温吊顶对屋顶空间进行处理。保温吊顶的做法如图2所示：在木檩条下按屋顶的坡度做吊顶，在吊顶和屋顶间留有不同厚度的空气层。为了进一步扩大屋顶的可用空间，在进行吊顶坡度设计时，需要严格参考屋顶的情况，二者需保持一致；如果屋顶空间偏大，此时所设置的吊顶允许与楼地面处于平行的关系，同时对于屋顶和吊顶之间的区域，需要在东、西墙开设一个通风口，保持屋顶的夏季通风。保温吊顶可选择的保温材料种类多,根据保温材料和空气层的厚度不同，保温材料的厚度也不同。以保温材料为20mm厚聚苯乙烯泡沫塑料板，空气间层厚度500mm为例，计算保温吊顶屋顶的热工性能，这种保温吊顶屋面的屋顶传热系数K=0.75W/（m2•K），即可满足标准限值K≤1.0W/（m2•K）。2.3外窗设计。在冬季，通过外窗的传热损失和冷风渗透都较大，这将使大量热量从外窗流失到室外,是保温能力较低的构建[4]。由表1可见，该建筑采用的单层玻璃木窗的传热系数大，会导致大量的热量损失，因此需要采用节能外窗，降低外窗部位的热量损耗。目前，节能外窗常见的玻璃材料有普通中空玻璃、热反射玻璃和中空镀膜玻璃等，而窗框材料则有木框、塑钢框、铝合金框等。结合各材料的热工性能和陕南农村居民的经济水平，作者采用塑料框普通中空玻璃外窗。设计后建筑围护结构的构造和传热系数见表2。对比表1和表2中各围护结构的传热系数，我们可以看出，外墙、屋顶、外窗的传热系数均有了明显的减小，达到了《农村居住建筑节能设计标准》中对该地区围护结构热工性能标准值。这表示在相同的室内外温差的条件下，通过外围护结构传递的热量减小，即建筑的耗热量变小。

3设计方案的效果验证

3.1模型建立。以测试户农宅为例，借助Design-Builder软件，对设计前后室内热环境进行模拟分析。按照测试户的平面图，在Design-Builder软件中建立三维模型（图3），对陕南地区农村居住建筑进行模拟。3.2模型参数及模拟时间。在对被动式太阳房模型进行室内热环境模拟时，按照《农村居住建筑节能设计标准》，住宅室内热源强度按节能标准推荐设置为4.3W/m2，室内换气次数设施为1h/次[5]，室外气象数据选用安康市冬至日气象数据和最冷月（1月）气象数据。设计前后该农宅建筑模型参数分别采用表1、表2中数据。3.3模拟结果及分析。3.3.1冬至日模拟结果分析。节能设计前后，测试户模型在冬至日气象参数下，客厅的逐时温度变化对比如图4所示，从图中可以看出，在没有进行主动供所有图片表格均为作者自绘暖的情况下，节能设计后客厅平均温度为8.09℃，节能设计前客厅平均温度为5.82℃，即节能设计后，冬至日客厅的平均温度较节能设计前客厅平均温度有所升高，升高幅度在2.2℃左右。节能设计后，客厅最高温度8.87℃，最低温度7.39℃，虽然无法达到调研时农村居民认为的舒适温度12℃，但较节能设计前，室内温度已有所改善，基本可以达到《农村居住建筑节能设计标准》中冬季室内计算温度8℃。3.3.2最冷月（1月）模拟结果及分析。节能设计前后，测试户模型在1月气象参数下，室外的逐日平均温度变化对比如图5所示，可以看出，在没有进行主动降温的情况下，节能设计后客厅最冷月平均温度为8.99℃，节能设计前客厅平均温度为6.82℃，即节能设计后，最冷月客厅的平均温度较节能设计前客厅平均温度有所提高，温度升高幅度在2.2℃左右。节能设计前，客厅平均温度超过8℃的天数共计7天，节能设计后，客厅平均温度超过8℃的天数共计22天，增加了15天。结合冬至日和最冷月的模拟结果，我们可以得出，在节能设计后，在不主动供暖的情况下，该农宅的冬季室内热环境有了很好的提升，室内温度提高了2.2℃左右，可以达到《农村居住建筑节能设计标准》中冬季室内计算温度8℃。这就说明提高围护结构的热工性能可以有效改善农宅冬季室内热环境，达到减少农村居民在冬季主动供暖的时间节能的目的。

在陕南人口中，农村人口占比达到50%以上，农村居住建筑在陕南住宅建筑中占比也较高，在农村居住建筑围护结构没有保温隔热措施，热工性能差的情况下，农村居住建筑的能耗也较高。因此，要解决农村居住建筑的能源消耗问题，就要先从农村居住建筑的围护结构节能设计做起。本文以陕南安康市石泉县一栋农宅为例，通过对建筑的外围护结构即外墙、屋顶和外窗进行节能设计，并对节能设计前后进行模拟验证。通过模拟分析发现，在不进行主动采暖的情况下，提高围护结构的热工性能，可以有效提高建筑冬季室内温度，改善室内热环境。通过提高室内温度，可以有效减少供暖时间，达到节能的目的。

作者:曾筱深 单位:西安建筑科技大学