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隨著我國經濟的飛速發展，能源消耗總量也在逐漸上升，其中建筑物的能耗占能源消耗總量的比例非常大，降低建筑能耗的任務迫在眉睫。作者在對陜南農村居住建筑的調研中發現，由于陜南農村經濟發展落后，在農宅的建設過程中普遍缺乏科學系統的設計，建筑的圍護結構基本沒有保溫隔熱措施，在陜南地區夏季濕熱、冬季陰冷的氣候條件下，農村居住建筑普遍存在著室內熱環境差、能耗高的問題。本文以安康市石泉縣一棟典型的磚混建筑為例，通過分析該建筑的圍護結構構造及熱工性能，提出適宜陜南地區的圍護結構設計方案，并對設計方案進行模擬分析。

1陜南地區農村居住建筑室內熱環境現狀

在第三次全國農業普查中，陜南三市對農村居住建筑的住房結構進行了調研。調研結果表明，陜南農村居住建筑主要以磚混結構建筑為主，占到建筑總量的半數以上[2]。作者選取了安康市石泉縣五愛村二組的一棟當地典型磚混結構房屋，對該建筑進行冬季室內熱環境進行了測試。該磚混結構建筑的構造及傳熱系數見表1。由表1我們可以得出，該建筑的圍護結構不能達到《農村居住建筑節能設計標準》中對該氣候區各圍護結構的熱工性能的標準值。冬季測試時間為2019年1月21日12時至2019年1月25日12時。測試期間天氣為晴天，無降雨大風天氣。室外平均溫度3.18℃，室外空氣最高溫度為10.7℃（出現在下午16時），室外空氣最低溫度為-3℃（出現在早8時），溫度波動幅度約為13.7℃。測試結果表明：該地區冬季寒冷，全天溫差大。從全天溫度變化趨勢上來看,室內外溫度變化趨勢一致，室內溫度隨著室外溫度的變化而升高或降低。測試期間，室內最高溫度7.2℃，最低溫度3.4℃，客廳和臥室全天的室內溫度均低于8℃。客廳平均溫度5.65℃，臥室平均溫度5.18℃，客廳與臥室的溫差較小。按照《室內空氣質量標準》中對室內空氣溫度的規定，在冬季供暖時，標準值為16~22℃，因此我們可以發現：冬季室內溫度低于《室內空氣質量標準》的最低值，且與最低值的溫差達到了10℃左右，農戶冬季室內空氣溫度質量低，需要進行供暖，提高室內空氣溫度。在現有建筑圍護結構的條件下，人們只能大量增加衣物或者使用電暖器、煤爐等方式獲得熱量。這樣一來，建筑的能耗也將越來越高。因此對圍護結構進行設計，提高建筑的熱工性能，不僅可以改善室內熱環境，還可以有效節約能源。

2圍護結構設計方案

從表1可以看出，該磚混結構建筑的圍護結構構造簡單，各圍護結構均未設置保溫措施，這就使圍護結構的傳熱系數較大，導致室內熱環境不理想。因此，作者將從外墻、屋頂、外窗三個方面進行設計。2.1外墻設計。一般情況下，外墻的保溫做法有外墻外保溫、外墻內保溫、單一墻材保溫三大類。外墻內保溫和外墻內保溫的做法，需要在砌體材料上附加一層保溫層，保溫層的厚度因材料的熱工性能而定。這樣一來，外墻內保溫就減少了室內使用面積[2]；而一般情況下，保溫材料耐久度要低于砌體部位，這就需要每隔10年左右就要更換一次保溫材料，而無論是采用外墻外保溫還是內保溫，在修建和后期維護都要高于單一節能墻材保溫的做法。所以結合陜南地區的實際情況，在陜南農村居住建筑的外墻保溫構造做法上，優先選擇單一墻材保溫的做法為主。在確定了以單一墻材保溫的墻體構造做法后，作者發現，陜南地區農村居住建筑的墻體材料主要以黏土實心磚為主，厚度為240mm，內外抹灰。受黏土磚熱工性能的影響，墻體結構熱工性能較差，達不到節能設計的標準。如果以節能熱阻為基準展開墻厚的計算，同時將冬季室內溫度設置為8℃，要想使得磚墻熱阻達到相關標準，磚墻厚度就會超過240mm，這又會使室內使用面積減小，并且會影響圍護結構的抗震性能。在陜南地區，新型節能墻材主要以燒結頁巖磚和蒸汽加壓混凝土砌塊兩類為主。由于農村居住建筑一般為磚混結構，外墻需要起到一定的承重作用，一般情況下，蒸汽加壓混凝土砌塊的承重能力差，所以建議在陜南農村節能墻體材料選擇上優先考慮頁巖磚。根據以上的分析，在陜南地區農村居住建筑外墻的節能設計中，作者建議選擇以燒結頁巖磚為外墻墻體材料、輕質砂漿內外組合保溫的構造形式作為外墻的構造做法。墻身構造做法如圖1所示。從外到內結構依次為:（1）5mm厚抗裂砂漿；（2）20mm厚水輕質砂漿，導熱系入2=0.084[W/（m2K）]，蓄熱系數S2=1.72[W/（m2•K）]；（3）240mm厚燒結頁巖多孔磚，導熱系數入3=0.54[W/（m2K）]，蓄熱系數S3=5.78[W/（m2•K）]；（4）20mm厚石膏輕質砂漿，導熱系數入3=0.102[W/（m•K）]，蓄熱系數S3=2.23[W/（m2•K）]；（5）石膏飾面砂漿。當水泥輕質砂漿厚度為20mm時，該外墻構造的傳熱系數K=0.99W/（m2•K），即可滿足標準限值K<1.8W/（m2•K）。2.2屋頂設計。陜南地區農村居住建筑大多采用在木屋架上直接掛瓦的坡屋頂，未設置保溫層，因此屋頂的傳熱系數大，需要設置保溫屋頂[3]，以提高屋頂的保溫性能。對屋頂的保溫材料的選擇上，由于陜南地區氣候多雨、潮濕，因此需要注重保溫材料的挑選，諸如擠塑聚苯乙烯泡沫塑料板則是較為可行的材料。對于坡屋頂的保溫做法，考慮到陜南地區的屋頂的實際特點，可采取保溫吊頂對屋頂空間進行處理。保溫吊頂的做法如圖2所示：在木檁條下按屋頂的坡度做吊頂，在吊頂和屋頂間留有不同厚度的空氣層。為了進一步擴大屋頂的可用空間，在進行吊頂坡度設計時，需要嚴格參考屋頂的情況，二者需保持一致；如果屋頂空間偏大，此時所設置的吊頂允許與樓地面處于平行的關系，同時對于屋頂和吊頂之間的區域，需要在東、西墻開設一個通風口，保持屋頂的夏季通風。保溫吊頂可選擇的保溫材料種類多,根據保溫材料和空氣層的厚度不同，保溫材料的厚度也不同。以保溫材料為20mm厚聚苯乙烯泡沫塑料板，空氣間層厚度500mm為例，計算保溫吊頂屋頂的熱工性能，這種保溫吊頂屋面的屋頂傳熱系數K=0.75W/（m2•K），即可滿足標準限值K≤1.0W/（m2•K）。2.3外窗設計。在冬季，通過外窗的傳熱損失和冷風滲透都較大，這將使大量熱量從外窗流失到室外,是保溫能力較低的構建[4]。由表1可見，該建筑采用的單層玻璃木窗的傳熱系數大，會導致大量的熱量損失，因此需要采用節能外窗，降低外窗部位的熱量損耗。目前，節能外窗常見的玻璃材料有普通中空玻璃、熱反射玻璃和中空鍍膜玻璃等，而窗框材料則有木框、塑鋼框、鋁合金框等。結合各材料的熱工性能和陜南農村居民的經濟水平，作者采用塑料框普通中空玻璃外窗。設計后建筑圍護結構的構造和傳熱系數見表2。對比表1和表2中各圍護結構的傳熱系數，我們可以看出，外墻、屋頂、外窗的傳熱系數均有了明顯的減小，達到了《農村居住建筑節能設計標準》中對該地區圍護結構熱工性能標準值。這表示在相同的室內外溫差的條件下，通過外圍護結構傳遞的熱量減小，即建筑的耗熱量變小。

3設計方案的效果驗證

3.1模型建立。以測試戶農宅為例，借助Design-Builder軟件，對設計前后室內熱環境進行模擬分析。按照測試戶的平面圖，在Design-Builder軟件中建立三維模型（圖3），對陜南地區農村居住建筑進行模擬。3.2模型參數及模擬時間。在對被動式太陽房模型進行室內熱環境模擬時，按照《農村居住建筑節能設計標準》，住宅室內熱源強度按節能標準推薦設置為4.3W/m2，室內換氣次數設施為1h/次[5]，室外氣象數據選用安康市冬至日氣象數據和最冷月（1月）氣象數據。設計前后該農宅建筑模型參數分別采用表1、表2中數據。3.3模擬結果及分析。3.3.1冬至日模擬結果分析。節能設計前后，測試戶模型在冬至日氣象參數下，客廳的逐時溫度變化對比如圖4所示，從圖中可以看出，在沒有進行主動供所有圖片表格均為作者自繪暖的情況下，節能設計后客廳平均溫度為8.09℃，節能設計前客廳平均溫度為5.82℃，即節能設計后，冬至日客廳的平均溫度較節能設計前客廳平均溫度有所升高，升高幅度在2.2℃左右。節能設計后，客廳最高溫度8.87℃，最低溫度7.39℃，雖然無法達到調研時農村居民認為的舒適溫度12℃，但較節能設計前，室內溫度已有所改善，基本可以達到《農村居住建筑節能設計標準》中冬季室內計算溫度8℃。3.3.2最冷月（1月）模擬結果及分析。節能設計前后，測試戶模型在1月氣象參數下，室外的逐日平均溫度變化對比如圖5所示，可以看出，在沒有進行主動降溫的情況下，節能設計后客廳最冷月平均溫度為8.99℃，節能設計前客廳平均溫度為6.82℃，即節能設計后，最冷月客廳的平均溫度較節能設計前客廳平均溫度有所提高，溫度升高幅度在2.2℃左右。節能設計前，客廳平均溫度超過8℃的天數共計7天，節能設計后，客廳平均溫度超過8℃的天數共計22天，增加了15天。結合冬至日和最冷月的模擬結果，我們可以得出，在節能設計后，在不主動供暖的情況下，該農宅的冬季室內熱環境有了很好的提升，室內溫度提高了2.2℃左右，可以達到《農村居住建筑節能設計標準》中冬季室內計算溫度8℃。這就說明提高圍護結構的熱工性能可以有效改善農宅冬季室內熱環境，達到減少農村居民在冬季主動供暖的時間節能的目的。

在陜南人口中，農村人口占比達到50%以上，農村居住建筑在陜南住宅建筑中占比也較高，在農村居住建筑圍護結構沒有保溫隔熱措施，熱工性能差的情況下，農村居住建筑的能耗也較高。因此，要解決農村居住建筑的能源消耗問題，就要先從農村居住建筑的圍護結構節能設計做起。本文以陜南安康市石泉縣一棟農宅為例，通過對建筑的外圍護結構即外墻、屋頂和外窗進行節能設計，并對節能設計前后進行模擬驗證。通過模擬分析發現，在不進行主動采暖的情況下，提高圍護結構的熱工性能，可以有效提高建筑冬季室內溫度，改善室內熱環境。通過提高室內溫度，可以有效減少供暖時間，達到節能的目的。

作者:曾筱深 單位:西安建筑科技大學