山西原平地區(qū)傳統(tǒng)民居節(jié)能改造方法研究

康 志 涌

(山西省建筑設(shè)計研究院，山西 太原 030013)

山西原平地區(qū)傳統(tǒng)民居節(jié)能改造方法研究

康 志 涌

(山西省建筑設(shè)計研究院，山西 太原 030013)

以山西原平地區(qū)大營村傳統(tǒng)民居為例，通過對該地區(qū)民居建筑的能耗分析及研究，得出了該地區(qū)建筑能耗的特點，并提出了一種可行且經(jīng)濟(jì)的住宅節(jié)能改造方法，以增加傳統(tǒng)民居的舒適度。

傳統(tǒng)民居，能耗分析，節(jié)能改造

建筑節(jié)能減排在當(dāng)下已成為世界共同探索的課題。在既有建筑的節(jié)能改造方面，我國目前主要改造措施是在建筑表面增加節(jié)能保溫材料，以降低建筑能耗，提高能源的利用效率。

在我國現(xiàn)有建筑中，民居建筑面積約200億m2，占建筑總量的80%。其中北方民居約40億m2，每年用于北方地區(qū)采暖能耗達(dá)總能耗的20%。北方民居特別是傳統(tǒng)民居取暖能耗加劇了能源消耗總量，削減北方民居的取暖能耗成為遏制北方民居走低碳化道路的瓶頸。

我國北方寒冷地區(qū)月平均溫度為-10 ℃～0 ℃,累年日平均溫度不大于5 ℃的天數(shù)在90 d～145 d,屬采暖地區(qū),這種特定的氣候條件使寒冷地區(qū)農(nóng)村住宅對能源的依賴和需求程度很高。但現(xiàn)北方農(nóng)村能源供應(yīng)嚴(yán)重不足,農(nóng)村住宅仍采用分散式采暖方式,多使用火炕、火墻和火爐等采暖設(shè)備,燃燒效率低,造成嚴(yán)重的環(huán)境污染和能源浪費。另外還有部分貧困農(nóng)民因沒有足夠費用燒煤,冬季住宅內(nèi)溫度較低,夜間室內(nèi)溫度甚至在0 ℃以下,遠(yuǎn)不達(dá)國家采暖標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定?，F(xiàn)在農(nóng)村住宅的圍護(hù)結(jié)構(gòu)外墻、屋面和門窗等仍采用常規(guī)做法,保溫性能差,外墻和屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大大超出建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的限值,致使采暖能耗浪費嚴(yán)重,室內(nèi)熱舒適性差。近幾年農(nóng)村住宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能雖然有所改善,但總體保溫水平仍然偏低,滿足不了節(jié)能和舒適的需求。

缺乏節(jié)能意識，缺乏節(jié)能技術(shù)以及能源利用率低等成為寒冷地區(qū)農(nóng)村住宅存在的節(jié)能問題。其中采用必要的節(jié)能技術(shù)、使用價格較低廉的建筑保溫材料同時結(jié)合Autodesk Ecotect Analysis軟件的應(yīng)用來解決廣大北方地區(qū)傳統(tǒng)民居能耗較高的問題是本文所闡述的重點。

1 原平地區(qū)的地理位置及氣候特征

原平地處北緯38.75°，東經(jīng)112.70°，海拔838 m，位于山西西北部，屬于中溫帶大陸性季風(fēng)氣候。夏季主導(dǎo)風(fēng)向為東南風(fēng)，冬季主導(dǎo)風(fēng)向為西北風(fēng)。通過AUTODESK WEATHER TOOL軟件分析得出該地區(qū)的最佳朝向為南偏東20°。

2 原平地區(qū)傳統(tǒng)民居建筑的特點

原平地區(qū)傳統(tǒng)民居多以一進(jìn)式院落圍合成的宅院為主，院與院相連成片，形成村落，建筑主體多以木構(gòu)架作為受力構(gòu)件，圍護(hù)結(jié)構(gòu)多采用加草粘土作為外墻材料，墻體外層砌磚，內(nèi)層抹灰。屋頂多采用單坡頂。

表面覆蓋清水瓦當(dāng)，內(nèi)部天花采用干草編制的草席。室內(nèi)取暖多采用火炕的形式。建筑窗戶采用傳統(tǒng)的木質(zhì)窗體，建國后多改造成為玻璃窗。

3 調(diào)研對象能耗分析

3.1 調(diào)研對象的地理位置及現(xiàn)狀

本次調(diào)研對象是原平大營村郭宅(見圖1)，該民居建于20世紀(jì)30年代～40年代，是一座由單坡頂建筑構(gòu)成的院落，正房一間，耳房三間，廂房兩間，主體結(jié)構(gòu)為木結(jié)構(gòu)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用加草粘土，外層砌以青磚，此次調(diào)研的主要對象是院落主人居住的正房(圖示C房間)。原因在于該房間長期有人居住，功能布局相對較為完善，在當(dāng)?shù)鼐哂幸欢ǖ拇硇?，C房間內(nèi)除電氣設(shè)備外，其他生活設(shè)施均為傳統(tǒng)設(shè)備，能夠較為真實地反映出傳統(tǒng)民居的能耗情況。C房間內(nèi)還設(shè)有一個儲物間，儲物間不采暖，主要功能是存放食品及雜物。

3.2 調(diào)研對象耗熱量指標(biāo)計算

此次調(diào)研的院落由于年代久遠(yuǎn)，在當(dāng)時并沒有相關(guān)的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)以供參考，所以，只能采用我國現(xiàn)行的《嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》來對調(diào)研對象進(jìn)行能耗計算，其目的旨在研究傳統(tǒng)民居建筑的能耗情況，得出相應(yīng)的節(jié)能措施，一些計算數(shù)據(jù)不能夠嚴(yán)格按照規(guī)范中所要求的進(jìn)行改造，因為對于有一定歷史年限的建筑用現(xiàn)行規(guī)范要求不免過于苛刻，無論從經(jīng)濟(jì)造價還是從傳統(tǒng)建筑保護(hù)的角度來說都不適宜，研究目的旨在經(jīng)濟(jì)可行的基礎(chǔ)之上提高房間的舒適度。

3.2.1 耗熱量指標(biāo)計算

C房間位于A，B，D房間之間，因此相當(dāng)于在東西墻體之間加設(shè)了較厚的空氣間層，所以其能耗情況基本可忽略不計，具體計算過程如下：

1)耗熱量指標(biāo)計算公式參照《建筑物理》中關(guān)于圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱耗熱量計算方法，具體見式(1)：

(1)

其中，ti為室內(nèi)計算溫度，18 ℃；te為采暖期室外平均溫度，-1.7 ℃;Ki為各部位圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)；Fi為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的表面積。

原平地區(qū)居住建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)的修正系數(shù)ε：

屋面：0.97，南墻：0.84，北墻：0.95，東墻：0.92，西墻：0.92。

外墻：寒冷(A)區(qū)不大于3層建筑外墻傳熱系數(shù)現(xiàn)值不大于0.45 W/(m2·K)。

當(dāng)厚120 mm青磚+厚180 mm三合土組成的墻時，K=1.818 W/(m2·K)。

當(dāng)厚120 mm青磚+厚330 mm三合土組成的墻時，K=1.320 W/(m2·K)。

屋面：傳熱系數(shù)限值不大于0.35 W/(m2·K)。

當(dāng)200 mm厚木結(jié)構(gòu)+10 mm厚青瓦時，K=0.63 W/(m2·K)。

外窗：傳熱系數(shù)限值不大于2.5 W/(m2·K)。

木制窗框+單層6 mm厚平板玻璃窗戶，K=4.7 W/(m2·K)。

戶門：傳熱系數(shù)限值不大于2.0 W/(m2·K)。

因建筑物戶門屬于采暖部分，故忽略不計。

2)圍護(hù)結(jié)構(gòu)耗熱量指標(biāo)計算。

a.傳熱量公式：

QHT=(ti-te)(∑εiKiFi)

(2)

ti-te=19.7 ℃。

b.計算C房間的能耗。

C房間處于A，B，D之間，此狀態(tài)下的C房間東、西墻相當(dāng)于各加了一個空氣層，由于空氣層的厚度使得東、西墻的傳熱耗熱量忽略不計。

屋頂耗熱量：

Q屋頂=19.7×0.97×0.07×44.80=60.7 W。

外墻耗熱量：

Q南墻=19.7×0.84×1.28×19.56=414.31 W。

Q北墻=19.7×0.95×1.32×36.80=909.10 W。

外窗耗熱量：

Q南窗=19.7×0.34×4.7×7=220.36 W。

總傳熱耗熱量：Q總=1 549.77 W。

傳熱量耗熱指標(biāo)：QH=40.3 W/m2。

空氣滲透耗熱量指標(biāo)：QIHF=13.26 W/m2。

內(nèi)部的熱指標(biāo)：QIH=3.8 W/m2。

建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)耗熱量指標(biāo)Q=50.7 W/m2。

3.2.2 計算C房間冬季維持室內(nèi)在18 ℃時所需的能量

將所得出的熱量轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)煤的消耗量，現(xiàn)有以下?lián)Q算關(guān)系：

1 J=1 W·s，1卡=4.2 J，1大卡=1 000卡。

每千克標(biāo)準(zhǔn)煤的熱值為7 000大卡，C房間總耗熱量：2 053.7 W=5.95×106大卡；換算成標(biāo)煤：0.85 t。

3.2.3 耗煤量分析

經(jīng)過調(diào)研，該院落一般只有C房間使用，通過詢問主人得知，房屋在冬季煤消耗量在1 t～1.5 t之間，比計算結(jié)果稍大，考慮到做飯及煤炭質(zhì)量等因素，計算結(jié)果與實際結(jié)果基本相符。

3.2.4 計算結(jié)果分析

由計算結(jié)果看出，各項指標(biāo)數(shù)據(jù)均超過規(guī)范要求，其中，外墻，尤其是北墻的能耗值最大，是改造的重點，窗戶的耗熱量也是主要的能耗之一，原有的窗戶形式應(yīng)予以更換。

4 改造方法研究

4.1 改造過程中需解決的問題

1)傳統(tǒng)民居因其特殊的歷史價值在進(jìn)行改造上存在著諸多問題。民居建筑本身代表了一個時代的建筑標(biāo)志，其建筑造型及材質(zhì)機理的運用對研究傳統(tǒng)建筑美學(xué)和建筑構(gòu)造等相關(guān)學(xué)科有著重要的意義。因此，傳統(tǒng)建筑的改造原則應(yīng)盡量保留其原有風(fēng)貌及地域特色，盡可能的在建筑內(nèi)部采取相關(guān)措施。2)由于地理位置和經(jīng)濟(jì)條件的原因，原平大營地區(qū)的建筑外墻做法通常采取土坯墻外層砌磚的形式，其熱工性能大大降低。3)針對上述計算和分析結(jié)果，該民居的能耗主要表現(xiàn)在圍護(hù)結(jié)構(gòu)上，尤其是北墻因其面積較大耗熱量最高。在計算過程中發(fā)現(xiàn)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料的導(dǎo)熱系數(shù)決定了材料的熱工性能的好壞，改造過程中保溫材料的選擇原則盡量以導(dǎo)熱系數(shù)較小并且廉價為主。

4.2 保溫材料的選擇

4.2.1 材料初選

考慮到保留建筑原有風(fēng)貌，對建筑主體進(jìn)行內(nèi)保溫處理，因此，所選材料厚度盡量小，同時注意防潮防火。綜合以上進(jìn)行材料初選，選擇膨脹珍珠巖，水泥膨脹珍珠巖砂漿，聚氨酯硬泡沫塑料板，聚苯乙烯泡沫塑料板等作為備選保溫材料。

1)膨脹珍珠巖。材料性能：導(dǎo)熱系數(shù)小，保溫性能好，但成顆粒狀，無法施工；價格低廉。

2)水泥膨脹珍珠巖砂漿。材料性能：導(dǎo)熱系數(shù)較小，保溫性能較好，0.05 m以上施工難度較大；價格低廉。

3)聚氨酯硬泡沫塑料板。材料性能：導(dǎo)熱系數(shù)小，保溫性能極佳，施工便捷，價格昂貴。

4)聚苯乙烯泡沫塑料板。材料性能：導(dǎo)熱系數(shù)小，保溫性能好，施工便捷，價格低廉，但不穩(wěn)定，易燃。

4.2.2 具體做法

1)南墻風(fēng)貌需保留，對其做內(nèi)保溫。

由外而內(nèi)依次為：粘土磚(120 mm)→加草粘土(180 mm)→聚苯乙烯泡沫塑料板(70 mm)→水泥膨脹珍珠巖砂漿(30 mm)→石灰抹面(10 mm)。

經(jīng)計算，改造后的南墻傳熱系數(shù)值為0.42 W/(m2·K)，滿足規(guī)定值范圍。

2)由于北墻不對外，考慮到北墻緊鄰灶臺，故對其做外保溫。

由內(nèi)而外順序為：加草粘土→粘土磚→聚苯乙烯泡沫塑料板→水泥膨脹珍珠巖砂漿→石灰抹面。

3)通過上述改造，房屋傳熱耗熱量指標(biāo)為16.72 W/m2，完全滿足原平地區(qū)傳熱耗熱量指標(biāo)的要求。

4.3 使用Autodesk Ecotect Analysis軟件對改造結(jié)果進(jìn)行分析

模型參數(shù)設(shè)定后，使用熱工計算模式。將改造前后的模型分別進(jìn)行計算得出相應(yīng)結(jié)果，分析結(jié)果顯示，改造后的室內(nèi)溫度較之前提高了1 ℃～2 ℃，測試結(jié)果證明，所采取的節(jié)能改造措施能夠有效的改善室內(nèi)熱環(huán)境，增加冬季室內(nèi)的熱舒適性。

5 結(jié)語

通過計算及軟件的分析證明了改造措施及方法的科學(xué)性，說明了傳統(tǒng)民居建筑節(jié)能改造是可以在經(jīng)濟(jì)可行的基礎(chǔ)上有效開展進(jìn)行的。傳統(tǒng)民居在我國仍然大量的存在，由于篇幅有限，本文僅對晉西北地區(qū)的民居建筑進(jìn)行了調(diào)研分析，但是，從民居節(jié)能研究的方法上來看，此種研究模式是通用可行的。在此基礎(chǔ)之上可進(jìn)一步展開傳統(tǒng)民居建筑保溫材料的性能研究。在世界倡導(dǎo)節(jié)能減排的大前提下，針對我國廣泛存在并且正在使用中的傳統(tǒng)民居建筑進(jìn)行必要的節(jié)能改造，可以在很大范圍內(nèi)減少國內(nèi)碳排放量，提高能源的利用效率，為達(dá)到我國政府向國際社會提出的節(jié)能減排目標(biāo)盡一份綿薄之力。

Research on energy saving transformation method of traditional houses in Shanxi Yuanping area

KANG Zhi-yong

(ShanxiArchitecturalDesignResearchInstitute,Taiyuan030013,China)

Taking the traditional houses in Daying Shanxi Yuanping area as an example, through the analysis and research on energy consumption of residential buildings in the area, gained the buildings energy consumption characteristics in the area and put forward a feasible and economical method to residential energy-saving transformation, so as to increase the comfort of traditional houses.

traditional houses, energy consumption analysis, energy saving transformation

1009-6825(2014)13-0212-03

2014-02-25

康志涌(1980- )，男，工程師

TU201.5

A