基于被动式节能技术的陕南商洛传统民居建筑改造.pdf

中文科技期刊数据库（引文版）工程技术 151 基于被动式节能技术的陕南商洛传统民居建筑改造 李宜林 西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710600 摘要：摘要：陕南商洛市地处我国秦岭中山地段和高山地段，冬季较寒冷，因此，当地民居设计的关键是冬季保温问题。对商洛传统民居现状进行调查，发现当地民居存在围护结构气密性差、通风不佳、平面设计不科学、建筑能耗高等问题，针对以上问题，本作品采取“外隔热、内保温”的结构体系，结合商洛市气候条件，因地制宜地对其传统民居进行绿色节能改造。提出自保温节能外墙、双层中空节能窗、倒置式节能屋顶、南北穿堂风及附加式阳光间等一系列被动式节能设计策略，设置太阳能-沼气循环系统，将高效环保的沼气燃料利用起来，提高能源利用率。在建筑各部分材料的选择上，通过对各项建筑物理指标的对比，最终使用当地常见的、热工性能优及较经济的材料。以上节能技术的应用对于提高当地室内热舒适环境、改善陕南地区人居环境质量及促进陕南民居建设的可持续发展具有重要意义。关键词：关键词：陕南商洛；传统民居；被动式节能技术；绿色建筑改造 中图分类号：中图分类号：TU318 1 研制背景及意义 随着科学技术的不断发展进步，建筑尤其是占比较大的居住建筑也发生着与时俱进的变化。据统计，建筑能耗占全球能耗的3045，研究指出，到2035年建筑业碳排量将达 424 亿吨，因此，对建筑采取节能减排的措施显得十分必要。我国建筑节能技术起步较晚，建筑能耗要比发达国家高很多，各地的建筑逐步失去了地域建筑文化和生态经验，导致了能耗大及历史文脉传承的缺失1。刘永刚等人运用现代的建筑技术从适宜性出发，对陕南传统民居进行研究创造出新的生态民居建筑2。曾筱深等人通过实地考察分析提出陕南地区农村居民家住的被动式技术的优化改造3。宋晓刚等人运用PEST 分析法和钻石模型理论，提出被动式超低能耗建筑的发展策略4。冯荣等人建立了基于太阳能和沼气互补供暖系统的农村建筑最佳保温层厚度的优化模型5。而在对建筑节能设计有专家进行优化，如 JUNG 等通过 Revit 建模在 Energy Plus 环境下进行能耗模拟，对建筑能耗进行优化6。RAMAJI等通过开发OpenStudio 的拓展插件，使 BIMserver 与 OpenStudio 进行了模型的转换及建筑能耗模拟7。随着我国农村经济的发展，陕南农村住房质量与安全性能也不断提高，但当地的经济基础较薄弱。传统民居多为居民自行建造，缺乏科学设计。因此，大部分农村住宅存在围护结构热工性能差、室内通风不佳等问题，室内热舒适度一般、建筑能耗高。结合当地气候条件，从绿色节能的理念出发，利用被动式节能技术，做好传统民居建筑的设计与改造，降低了能源消耗、提高了室内热舒适环境，提高了居住环境质量。2 设计方案 2.1 合理朝向 陕南地区在我国热工设计规范中属于夏热冬冷气候区，商洛市地处我国秦岭中山地段和高山地段，属湿性山地气候，年平均气温约 10.2，夏季较凉爽，冬季较寒冷，因此民居设计的关键是冬季保温的问题8。冬季主要自然热源是太阳辐射，其对室内温度影响较大。为在冬季获得较多太阳辐射，选择朝向非常重要。考虑陕南气候条件，民居较佳朝向为正南方向。2.2 平面布局 陕南传统民居建筑主体多为“L”或“一”字形平面，L 式民居多出一侧房屋可用作厨房或杂物间9，卫生间独立于主体建筑之外，整体结构未考虑厨卫、洗浴设施的合理位置。因此，本作品将卫生间和储藏室的平面位置调换，使建筑空间结构更加人性化。如图 1 所示。中文科技期刊数据库（引文版）工程技术 152 图 1 平面布局图（图片来源：自绘）2.3 室内自然通风 2.3.1 自然通风概念 自然通风可以向室内通新风，又可带走夏季室内多余的热量，使室内的温度下降。因其不需要消耗动力，节省设备投资和运行费用，是一种经济有效的通风方法。加强自然通风，可使室内热舒适区域增大，如图 2。图 2 加强自然通风对室内热舒适区域影响示意图 注：图片来源于陕南生态民居设计策略研究 2.3.2 合理开窗 本作品在传统民居的屋顶处做封闭处理，在卧室北侧开窗，使房间内形成“穿堂风”，夏季增大室内的通风量、消除室内余热、改变空气质量、减小人工制冷能耗。利用 Airpark 软件对民居改进前后室内的通风状况进行模拟，开窗尺寸按实际设置，模拟高度为高出室内地平 1.5m2，结果如图 3 和 4。图 3 传统民居 1.5m 高风速切面云图 图 4 改进民居 1.5m 高风速切面云图 注：图片来源于陕南生态民居设计策略研究 从图可知，改进后的民居室内的通风状况得到明显的改善，风速得到显著的提高。实现民居北侧开窗，在保证夏季通风的同时又可降低人工制冷的消耗。2.4 节能窗 2.4.1 窗墙比 陕南传统民居设计为多开窗、开大窗，但外窗的保温隔热性能远不如外墙。窗口越大，既不利于冬季保温，也不利于夏季隔热。因此，在满足采光、通风、观景的条件下，应严格控制窗墙比。通过分析冬夏两季的风向、风速、空气湿度等因素，同时又考虑到陕南地区夏热冬冷的气候情况，最终得出窗墙比以0.450.5 较为合适8。不同朝向的窗墙面积比如表 1所示。表 1 朝向不同的窗墙面积比 朝向 窗墙比 朝北 0.45 朝东、朝西 0.40 朝南 0.50 注：表中数据来源于陕南传统民居绿色建筑设计与节能改造实例分析 2.4.2 开窗方式的选择 推拉窗生产工艺简单、使用便捷、不占用额外的空间、耐久性较强，但由于设计形式，推拉窗的窗扇与窗框之间存在间隙，抗风压能力较弱，窗户的气密性较低。平开窗的窗扇和窗框间采用良好的橡胶密封压条，气密性强于推拉窗如表 2。因此，基于提高气密性的考量，选用平开窗。表 2 常见窗户气密性能表 窗户类型 空气渗透量q0m(mh)-1 所属等级 推拉铝窗 2.5 平开铝窗 0.5 注：表中数据来源于 夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准（JGJ134-2010）2.4.3 材料选择（1）窗框材料。木材是陕南地区常见的窗框材料，但木材易受到外力影响，如受潮、受热等，易发生变中文科技期刊数据库（引文版）工程技术 153 形，导致气密性差，保温性差。而铝合金虽轻质，美观，但保温隔热性能差，也无法达到节能的效果。塑钢窗框即在塑料窗框内部加入钢衬，其气密性、水密性、保温隔热性均优于铝合金窗框，耐久性也强于铝合金窗框。因此本作品采用塑钢窗框。下表 3 为窗框材料性能表。表 3 窗框材料性能表 材料名称 强度性能 隔热性能 加工性能 抗潮湿性能 气密性能 耐燃性能 木材 中 优 优 差 差 差 铝合金 良 差 优 优 良 优 塑钢 良 优 优 良 良 差 注：表中数据来源于夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准（JGJ134-2010）（2）玻璃材料。分别采用单片普通玻璃和普通白玻中空玻璃作为外窗的玻璃材料，采用塑钢窗框，列出其在不同窗框窗洞面积比时的传热系数表，进行热工性能分析，如表 4 所示。由表可知采用单片白玻时，传热系数高，无法满足节能设计的标准要求，采用中空玻璃时，塑钢窗框外窗可以满足节能标准的要求。综上，选取窗框窗洞面积比为 40%的塑钢双层中空玻璃作为建筑外窗的材料。表 4 不同窗框窗洞面积比时的传热系数表 材料 结构 窗框窗洞面积比 30%35%40%单片 5mm 4.4 4.2 4.1 中空 5mm+6A+5mm 2.8 2.7 2,7 5mm+9A+5mm 2.7 2.6 2,6 5mm+12A+5mm 2.5 2.5 2,4 6mm+6A+6mm 2.8 2.7 2,7 6mm+9A+6mm 2.6 2.6 2.5 6mm+12A+6mm 2.5 2.5 2.4 注：表中数据来源于建筑围护结构节能工程做法及数据（09J908-3）2.5 节能外墙 2.5.1 节能技术 根据商洛的气候特点和各类保温形式的优缺点，外墙自保温技术无论在对施工工艺的要求上还是对成本的要求上，均适合陕南地区农村采用，因此本作品采用自保温外墙的节能技术。2.5.2 材料选择 陕南地区过去普遍使用烧结粘土砖作为外墙的主要材料，对环境产生的影响较大，现已被禁止使用。目前陕南常见的墙体材料主要有页岩多孔砖、混凝土砌块两种。这两种新型墙体材料与烧结粘土砖的热工参数如下表 5 所示：表 5 陕南地区常见墙体材料热工参数表 热工参数 烧结粘土砖 混凝土砌块 页岩多孔砖 导热系数W/(mk)0.93 0.68 0.54 蓄热系数W/(k)11.37 6 5.78 注：数据来源于陕南地区农村居住建筑围护结构节能技术研究 从表中可看出，混凝土砌块、页岩多孔砖的导热系数小于烧结粘土砖,说明这两种墙体材料在相同厚度时的热工性能要优于烧结粘土砖，有更好的保温能力。2.5.3 节能措施 采用外墙自保温的节能技术，使用混凝土砌块或页岩多孔砖材料，即墙体外侧为20mm厚水泥砂浆抹灰，墙体内侧为 20mm 厚石膏砂浆抹灰，当分别采用 240mm厚页岩多孔砖墙和 240mm 加气混凝土砌块墙时，传热系数表 6 如下所示。表 6 传热系数表 材料名称 材料厚度 d（mm）导热系数W/(mk)蓄热系数SW/(k)传热系数W/(m2K)页岩多孔砖 240 0.58 5.78 1.67 加气混凝土砌块 240 0.68 6 1.85 表 6 数据来源于陕南地区农村居住建筑围护结构节能技术研究.读表可知，当墙体厚度都为 240mm 时，页岩多孔砖墙体的传热系数小于混凝土砌块墙体的传热系数，因此，在墙体厚度和构造做法相同时，页岩多孔砖墙的节能效果优于混凝土砌块墙。墙体构造如图5所示。图 5 外墙节能构造示意图 1：5 注：图片来源陕南地区农村居住建筑围护结构节能技术研究 中文科技期刊数据库（引文版）工程技术 154 综上，建筑外墙保温形式采用自保温墙体，墙体材料为当地常见的页岩多孔砖。2.6 节能屋顶 2.6.1 节能技术 陕南地区砖混结构农村的屋面一般为平屋面上加盖坡屋面的构造形式9。平屋面的节能形式有保温隔热屋面、倒置式屋面、种植屋面等形式。现有的屋面结构中，平屋面部分普遍缺少保温层，因此可考虑保温隔热屋面或倒置式屋面作为节能技术。保温隔热屋面的做法是在保温层上面做防水层。防水层的蒸汽渗透阻很大，极易老化和破坏，同时屋面易出现内部结露。倒置式屋面做法是防水层不设在保温层的上方，而是倒过来设在保温层下面。不仅消除内部结露，又保护防水层，提高了屋顶保温构造的耐久性。因此，本作品采用倒置式屋面。坡屋面的节能技术，一是在瓦面与木屋架之间填充保温材料，二是设置保温吊顶。由于现有的填充材料多为秸秆或稻草，易出现虫蛀、腐蚀的问题，而保温吊顶通常在顶棚上与屋面之间加铺保温材料，材料在农村常见且易取，如锯末、稻壳及膨胀珍珠岩等。增设的吊顶层耐久性好、防火性好，并能够承受保温层的荷载，可使室内热环境大为改善，因此本作品采用保温吊顶。综上，本作品采用倒置式屋面和保温吊顶的屋顶节能技术。2.6.2 材料选择 节能屋顶需考虑保温材料和防水材料。（1）表 7 是陕南农村建材市场常见的保温材料的性能对比表。本作品选用导热系数小、重量轻、吸水率低的 XPS 挤塑保温板作为屋顶的保温隔热材料。表 7 陕南农村建材市场常见的保温材料的性能及价格对比表 名称 导热系数W/(mk)干密度Kg/m3 抗压强度KPa 吸水率%修正系数 XPS 挤塑保温板 0.030 4 150500 1.5 1.25 泡沫玻璃板 0.062 140 400 0.20.5 1.20 加气混凝土砌块 0.220 400600 200-1.45 憎水珍珠岩保温板 0.078 200250 400-5-1.45 注：表中数据来源于夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准（JGJ134-2010）（2）防水材料既要考虑要经济因素，又需要考虑陕南地区农村施工难易的因素。因此，本作品选用涂抹防水材料中改性沥青防水材料、刚性防水材料中的防水砂浆作为屋顶防水材料为宜。2.7 附加式阳光间 本作品在两间朝南的卧室处设置阳光间，阳光间内过高的温度使其作为缓冲区减少建筑的热损失，以提高冬季室内的热舒适度。气候炎热的夏季将打开洞口进行通风散热。阳光间原理如图 6 所示。图 6 阳光间原理图 图片来源：被动式太阳能建筑设计（15J908-4）2.8 太阳能-沼气循环供暖系统 本作品在厨房和卫生间处设置太阳能-沼气循环系统，主要由太阳能热水器、壁式沼气热水器、控制器、沼气池、储气罐等组成。循环泵驱动太阳能集热器中的热水流经恒温沼气池进行加热，从而增加沼气池产气量，流经沼气池的热水在循环水泵的作用下进入壁式沼气热水器，加热之后再流回太阳能集热器，智能控制器通过温度传感器测得恒温沼气池的温度控制循环泵的启停，从而控制恒温沼气池的温度。太阳能热水器加热的热水既保证沼气池的恒温发酵，同时为农民提供生活热水。沼气池产生的沼气暂时储存在储气罐里，一部分用作炊事燃气，一部分燃烧后与家用太阳能热水器组协同供暖。如图 7。图 7 太阳能-沼气循环供暖系统图 图片来源：自绘 中文科技期刊数据库（引文版）工程技术 155 2.9 模型建立 图 8 为改造后的商洛传统民居，采用 Sketchup 软件建立三维建筑信息模型，该民居包括堂屋，卧室，卫生间，厨房，储藏室五个区域。图 8 改造后的传统民居建筑信息模型 图片来源：自绘 3 室内温度模拟 利用Dest数据模拟软件对民居改造前后的室内温度进行模拟。模拟结果如图 9 和 10 所示。从模拟数据可知，本文设计的一系列被动式节能手段真实有效。表 8 模拟数据 1 分段序号 1 2 3 4 段节点 16 22 29 35 房间名称 16 1622 2229 2935 35 外温 4354 1882 1923 591 10 R1-1433 3536 1991 2471 762 0 R1-1436 3283 2051 2534 882 10 R1-1439 3174 2073 2581 919 13 R1-1442 3225 1990 2454 1076 15 R1-1445 3893 1898 2438 531 0 R1-1448 3345 2209 2706 500 0 图 9 改造前各房间自然温度及室外温度分布统计图 表 8 模拟数据 2 分段序号 1 2 3 4 段节点 16 22 29 35 房间名称 16 1622 2229 2935 35 外温 4354 1882 1923 591 10 R1-1433 3497 2169 2587 507 0 R1-1436 3184 2197 2716 663 0 R1-1439 3025 2280 2802 653 0 R1-1442 3126 2051 2502 1062 19 R1-1445 3898 1978 2434 450 0 R1-1448 3306 2374 2714 366 0 图 10 改造后各房间自然温度及室外温度分布统计图 图片来源：自绘 4 结论 现今我国仍有大量传统建筑，提高传统建筑室内热舒适环境、减少建筑耗能依然具有十分重要的现实意义。本文对陕南商洛地区进行分析研究，为陕南商洛地区传统民居节能改造和未来新建民居节能设计提供参考，同时对降低陕南商洛地区居民建筑的能源消耗，改善居民居住热环境，促进陕南商洛地区的可持续发展有重要意义。（1）创新：本设计在传统平面形式上将储藏室与卫生间调换，优化了建筑功能，使空间结构更加合理；通过定量地分析建筑物理指标，利用被动式节能技术改进墙体、屋顶、外窗的构造，采用热工性能好且较经济的材料，解决围护结构气密性差、材料使用寿命短等问题；南向卧室设置阳光间，利用冬季太阳辐射热提高冬季室内温度；综合利用太阳能和沼气，降低能源的消耗，充分达到节能减排的效果。0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%100%16162222292935350%10%20%30%40%50%60%70%80%90%100%1616222229293535中文科技期刊数据库（引文版）工程技术 156（2）应用：结合当地的气候、经济、技术条件，在保留当地传统民居文化载体原真性的基础上分析得出适合陕南商洛传统民居的外围护体系节能技术，对其他地区民居的绿色节能改造、实现建筑的可持续发展具有重要的参考意义。本文通过对调研数据的分析和陕南地区农村典型住宅围护结构热工性能的计算，发现陕南地区农村居住建筑中存在的问题，提出创新性节能措施，但仍有一些不足之处:（1）限于当地的经济、自然资源条件，对节能技术的研究不够全面。（2）由于建材价格随时间波动，其波动幅度不一，因此并未对节能技术的造价进行研究。参考文献 1 王 崇 杰,薛 一 冰.节 能 减 排 与 低 碳 建 筑J.2010:42-47.2 刘 永 刚.陕 南 生 态 民 居 设 计 策 略 研 究D.2017:22-33.3曾筱深.陕南地区农村居住建筑围护结构节能技术研究D.2019:37-44 4宋晓刚,刘耀华,张培兴.被动式超低能耗建筑推广发展策略研究J.2022:5-10.5冯荣,李金平,杨捷媛.基于太阳能和沼气互补供暖系统的农村节能建筑优化J.2015:84-89.6Dae Kyo JUNG et al.Optimization of Energy Consumption Using BIM-Based Building Energy Performance AnalysisJ.2013:649-652.7RAMAJI I J,MESSNER J,MOSTAVI E.IFC-based BIM-to-BEM model transformation J/OL.2020:24-28.8张宁,刘学锋.陕南传统民居绿色建筑设计与节能改造实例分析J.2017:158-160.9田海宁.陕南传统民居更新生态适应性策略研究J.2016:1050-1052.作者简介：作者简介：李宜林（2001），女，苗族，四川资阳人，大学本科，建筑环境与能源应用工程。