甘肅傳統(tǒng)民居建筑節(jié)能改造研究

鄭英 王利利

摘要：基于甘肅靖遠(yuǎn)縣傳統(tǒng)民居存在冬季室內(nèi)氣溫低、能耗大、熱舒適性差的問題，從建筑設(shè)計(jì)、建筑構(gòu)造2個(gè)角度進(jìn)行分析，并提出改造方案。建筑設(shè)計(jì)方面：提出給建筑內(nèi)部添加隔墻，將貫通的3個(gè)空間改造為3個(gè)較封閉的空間，降低建筑室內(nèi)凈高，增設(shè)門斗，從而降低建筑室內(nèi)空氣流通性。建筑構(gòu)造設(shè)計(jì)方面：在外墻、屋頂、地面增設(shè)保溫材料，更換門窗，從而降低構(gòu)件的傳熱系數(shù)。經(jīng)過分析，改造前、后，典型建筑耗熱量指標(biāo)分別為128.82W/m2，37.16W/m2，單位建筑面積空氣滲透耗熱量分別為13.57W/m2，7.07W/m2，建筑物耗煤量指標(biāo)為55.83Kg/m2，16.11Kg/m2，改造效果明顯。

關(guān)鍵詞：傳統(tǒng)民居;建筑設(shè)計(jì);建筑構(gòu)造、節(jié)能

中圖法分類號(hào)：TU111.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-5922（2020）08-0041-05

Study on the Energy-saving Transformation of TraditionalResidential Buildings in Gansu Province

ZHENG Ying，WANG Li-li

（1.School of Civil Engineering，Shaanxi Polytechnic Institute，Xianyang Shaanxi 712000.China;2.Hangzhou Dongwang Electric Power Technology Co..Ltd..Hangzhou Zhejiang Hangzhou 311401.China）

Abstract ： Based on the problems of low indoor temperature，high energy consumption and poor thermal comfort intraditional residence in Jingyuan County，Gansu Province，this paper analyzes the problems from two aspects of ar-chitectural design and construction，and puts forward the renovation plan. In the aspect of architectural design，it isproposed to add partition walls to the intenor of the building， transform the three through spaces into three rela-tively closed spaces，reduce the clear height of the building interior，and add door buckets. so as to reduce the in-door air circulation of the building. In the aspect of architectural structure design，heat preservation materials areadded to the exterior wall.roof and ground，and doors and windows are replaced，so as to reduce the heat transfercoefficient of components. After analysis，before and after reconstruction.the heat consumption indexes of typicalbuildings are 128.82w/m2.37.16w/m2.the heat consumption of air infiltration per unit building area is 13.57w/m2.7.07w/m2.the coal（consumptlon indexes of buildings are 55.83kg/m2，16.11kg/m2，and the reconstruction effect isohvious.

Key words ： traditional residence;architectural design;architectural structure

0引言

近幾年，冬季霧霾嚴(yán)重，為了應(yīng)對(duì)降塵減霾，農(nóng)村實(shí)行無煤化，無煙化。傳統(tǒng)的燃燒農(nóng)作物燒炕，燃煤取暖等方式，改為的電暖桌、空調(diào)、電油汀等用電設(shè)備取暖方式。這些改造方式屬于對(duì)取暖方式的改變，治標(biāo)不治本，農(nóng)村居住建筑的節(jié)能改造的根本在于建筑節(jié)能改造。針對(duì)嚴(yán)寒、寒冷地區(qū)農(nóng)村居住建筑節(jié)能改造，很多研究者進(jìn)行了研究。其中，邵騰等在《東北嚴(yán)寒地區(qū)農(nóng)村住宅現(xiàn)狀分析及改進(jìn)策略》一文，從建筑空間布局優(yōu)化、圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能構(gòu)造、采暖方式改進(jìn)及被動(dòng)式太陽能利用等方面提出實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能的設(shè)計(jì)思路及策略。[1]李剛等在《嚴(yán)寒地區(qū)農(nóng)村住宅節(jié)能改造能耗模擬實(shí)驗(yàn)》一文中指出：單框雙玻塑鋼窗、增設(shè)南向陽光間，以及增設(shè)屋面保溫層均可顯著降低能耗，相比基礎(chǔ)能耗，節(jié)能率分別為21.3%，18.5%.11.4%，全面節(jié)能改造方案為外墻附加80mm膨脹聚苯板，北向外窗更換為單框雙玻塑鋼窗，南向附加陽光間，屋面附加80mm擠塑聚苯板，相比基礎(chǔ)住宅，全面節(jié)能方案節(jié)能率高達(dá)52%，并可使基礎(chǔ)室溫提高5.5℃。[2]方蕾等在《嚴(yán)寒地區(qū)農(nóng)村住宅保溫》一文中指出：采用保溫窗簾（板），可以將窗戶部位的傳熱系數(shù)由2.0W/（m2·K）降為1.24-1.73W/（m2·K）。[3]金虹等在《嚴(yán)寒地區(qū)低密度住宅節(jié)能設(shè)計(jì)策略》一文中指出：控制體形系數(shù)以減少住宅散熱，提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫性能，控制傳熱熱損失，控制對(duì)流熱損失。[4]

但是，以上研究只是針對(duì)嚴(yán)寒、寒冷地區(qū)農(nóng)村居住建筑改造的常規(guī)研究，在居住建筑節(jié)能改造過程中，存在十里鄉(xiāng)俗不同，建筑風(fēng)格不同，改造方案不同的問題，研究者必須明確改造對(duì)象，針對(duì)改造對(duì)象存在的具體問題，提出有針對(duì)性的改造措施和方案。

本課題以甘肅省白銀市靖遠(yuǎn)縣烏蘭鎮(zhèn)傳統(tǒng)民居為研究對(duì)象，通過訪談、觀測(cè)等方式，對(duì)烏蘭鎮(zhèn)現(xiàn)有傳統(tǒng)民居冬季熱舒適性進(jìn)行調(diào)查研究，優(yōu)選一棟能代表當(dāng)?shù)亟ㄖ厣牡湫徒ㄖ?，選取冬季最冷月某一天，進(jìn)行建筑室內(nèi)、室外24h氣溫監(jiān)測(cè)，比較測(cè)試溫度與規(guī)范規(guī)定溫度。研究者從建筑設(shè)計(jì)、建筑構(gòu)造設(shè)計(jì)2個(gè)角度進(jìn)行調(diào)查研究，針對(duì)具體問題提出具體改造方案，并借助斯維爾節(jié)能軟件計(jì)算出典型建筑改造前、后建筑能耗。

1建筑基本信息

烏蘭鎮(zhèn)位于甘肅省白銀市靖遠(yuǎn)縣城東1km黃河南岸，總土地面積327.7km2?，F(xiàn)轄12個(gè)村民委員會(huì)，88個(gè)村民小組，總?cè)丝?5373人。年均降雨量203mm，年均氣溫9℃，全年無霜期197d。其采暖度日數(shù)HDD18為3087℃.d，室外平均氣溫為-3℃，根據(jù)民用建筑熱工分區(qū)，本地區(qū)屬于寒冷地區(qū)A區(qū)，采暖期為147d。[5][6]

1.1選取典型建筑

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，本地建筑逐漸采用磚混、鋼混等結(jié)構(gòu)，但是，傳統(tǒng)的磚木結(jié)構(gòu)建筑備受當(dāng)?shù)厝讼矏?。本次研究選取典型建筑，具體情況如下描述。建造年代為1995年;建筑布局為獨(dú)棟獨(dú)院，主體建筑為上房3間比鄰2間;建筑主體前側(cè)為院落，后、左、右均為馬路或通道;結(jié)構(gòu)類型為磚木結(jié)構(gòu)，北面墻為磚墻承重，南面墻為木柱支撐的框架結(jié)構(gòu)，抬梁式木屋架，屋頂為木檁椽覆蓋小青瓦;建筑南北朝向，南面墻有門窗，東、西、北面都沒有門窗;門窗形式為木框鑲嵌玻璃，雙扇平開門，平開雙層木窗。

1.2檢測(cè)建筑空氣溫度

為獲取冬季最冷月具體氣溫值，研究組選取2018年1月17日進(jìn)行24h氣溫檢測(cè)，測(cè)試點(diǎn)為室外空氣溫度、室內(nèi)臥室區(qū)域空氣溫度。室內(nèi)布置中，主臥室區(qū)域家具為床、衣柜、被褥等，照明設(shè)備為60W白熾燈，燃爐火熄滅狀態(tài)，室內(nèi)沒有任何其它取暖設(shè)備。以上設(shè)置可以看出，室內(nèi)測(cè)試氣溫為室內(nèi)基礎(chǔ)溫度。此次測(cè)試中，建筑平面布局及測(cè)試點(diǎn)分布圖如圖1所示，氣溫檢測(cè)圖如圖2所示。

經(jīng)測(cè)試，研究組發(fā)現(xiàn)室外全天氣溫均低于0℃，其中23：00-12：00（13h）氣溫均低于-10℃，僅有13：00-22：00（9h）氣溫在-10℃以上，最高氣溫為-4℃，出現(xiàn)在15：00左右，最低氣溫為-15.8℃出現(xiàn)在7：00左右;室內(nèi)臥室區(qū)域氣溫23：00-14：00（15h）氣溫均低于O℃，約為-2℃，僅有14：00-19：00（5h）氣溫在0℃以上，最高氣溫為4℃，出現(xiàn)在16：00左右。

3存在問題及改造辦法

以上氣溫與規(guī)范規(guī)定的冬季農(nóng)村室內(nèi)空氣溫度14℃[7]相比，相差較遠(yuǎn)。針對(duì)冬季典型建筑室內(nèi)氣溫較低的現(xiàn)象，研究組分別從建筑設(shè)計(jì)，建筑構(gòu)造2個(gè)角度進(jìn)行詳細(xì)分析，指出存在問題，并提出改造方案。

3.1建筑設(shè)計(jì)角度

3.1.1體形系數(shù)分析及改造

1）情況分析：本次研究以典型建筑的3間上房為研究對(duì)象，開間9.9m，進(jìn)深5m，北側(cè)層高5m，南側(cè)層高4m。經(jīng)過計(jì)算，上房3間的建筑體形系數(shù)為0.72，不滿足規(guī)范規(guī)定0.3的要求[6]。

2）改造措施：研究者對(duì)比3間上房表面積發(fā)現(xiàn)西側(cè)第1間建筑表面積最大，降低建筑體形系數(shù)可以在西側(cè)第1間人手。研究者選擇在西側(cè)第1、2間之間設(shè)置隔墻，使西側(cè)第1間形成一個(gè)較為封閉的空間，其它2間作為一個(gè)空間單元，隔墻設(shè)置門，冬季門關(guān)閉，西側(cè)第1間與其它兩間之間不形成空氣流通。改造后，近似計(jì)算，西側(cè)第1間空間體形系數(shù)約為0.93，中部空間建筑系數(shù)為0.62，與原建筑0.72的體形系數(shù)相比，中部空間體形系數(shù)降低0.1。在冬季，使用者將西側(cè)第1間空間作為存儲(chǔ)等次要空間使用，將舒適性較好的中部空間安排為起居室和臥室。

3.1.2建筑開間分析及改造

1）情況分析：典型建筑在室內(nèi)空間劃分沿襲傳統(tǒng)古建筑的傳統(tǒng)模式，上房3間布局中中間1間為廳，東側(cè)1間為臥室，西側(cè)1間為書房。室內(nèi)各空間為貫通空間，空間之間沒有隔墻分隔，從而形成建筑內(nèi)部開間9.9m的間距，超過了規(guī)范規(guī)定的開間6m[7]規(guī)定，冬季取暖效果很差。

2）改造措施：3個(gè)空間之間砌筑隔墻，形成3個(gè)較為獨(dú)立且封閉的空間，從而降低冬季室內(nèi)空氣的流動(dòng)性，增加室內(nèi)熱量的保存。改造后的平面布置圖如圖3所示。

3.1.3建筑層高分析及改造

1）情況分析：典型建筑為單坡屋頂，北側(cè)墻高5m，南側(cè)墻高4m，室內(nèi)頂部為開敞空間，沒有吊頂?shù)妊b修，室內(nèi)凈高高出規(guī)范規(guī)定3m凈高[7]1m多。由于室內(nèi)高度較高，室內(nèi)容積較大，空氣上下氣流流通性強(qiáng)，熱量不易保存，對(duì)冬季室內(nèi)取暖、節(jié)能等影響很大。

2）改造措施：距離屋頂1.5m的位置設(shè)置隔層，隔層部分采用結(jié)構(gòu)強(qiáng)化處理，將原有的坡屋頂部分改造成閣樓。閣樓上設(shè)置上下開啟的通道門，冬季，使用者將通道門關(guān)閉，使室內(nèi)主要使用空間于閣樓空間不流通。以上改造可將建筑層高壓低到室內(nèi)凈高為3.5m的位置，降低室內(nèi)建筑容積，減小換氣次數(shù)引起的能耗。研究者在開間改造中將建筑開間減小為3.3m，層高改造中將建筑凈高取為3.5m，室內(nèi)空間的高寬比為1：1，滿足建筑室內(nèi)空間比例舒適的要求。

3.1.4門的氣密性分析及改造。

1）情況分析：本地冬季風(fēng)較大，氣溫寒冷，當(dāng)?shù)厝硕净顒?dòng)以戶外與戶內(nèi)活動(dòng)交錯(cuò)為主，門啟閉次數(shù)較多，從而造成因?yàn)殚T啟閉引起的空氣換氣次數(shù)增大，嚴(yán)重影響能耗。

2）改造措施：增加門斗，作為緩沖層。具體做法為，在門口向外1.5m的位置，設(shè)置向外開啟的傳熱系數(shù)滿足規(guī)范要求的大門，與室外大門形成門斗，門斗是較好的冷氣緩沖空間，從而有效的改善入口冷熱交換量大的問題。[8]如圖4所示。

4建筑構(gòu)造措施角度

4.1.1墻體傳熱系數(shù)分析及改造。

改造前墻體為240mm厚實(shí)心黏土磚墻（清水磚墻），傳熱系數(shù)為2.0W/（m2·K），傳熱系數(shù)較大。針對(duì)清水磚墻最簡單有效的改造方式是外墻加保溫。改造后墻體構(gòu)造為10mm厚聚合物砂漿+90mm厚XPS保溫板+10厚聚合物砂漿+240min實(shí)心黏土磚，傳熱系數(shù)減小為0.48W/（m2·K）。

4.1.2屋頂傳熱系數(shù)分析及改造。

典型建筑屋頂穿梁式木構(gòu)架形成的單坡屋頂，具體構(gòu)造做法為，木屋架上架設(shè)木檁條，檁條上設(shè)置木椽，再加蘆葦，加粘土層，加小青瓦。其傳熱系數(shù)為2.0W/（m2·K）。其具體改造做法為，在隔層上部加設(shè)100mm厚XPS阻燃保溫板，從而隔層部分傳熱系數(shù)降低為0.5W/（m2·K）。[7]

4.1.3門窗傳熱系數(shù)、氣密性分析及改造。

典型建筑門窗為木門窗，木框上鑲嵌3mm單片玻璃。木窗為雙層窗，一層向內(nèi)開啟，一層向外開啟，傳熱系數(shù)為2.5W/（m2·K）。門為單層實(shí)體木門，門扇上鑲嵌固定玻璃，傳熱系數(shù)為3.5W/（m2·K）。[9]

木材翹曲變形、啟閉縫隙等原因，促使門窗的縫隙較大，在冬季，使用者能明顯感覺到有冷氣滲透進(jìn)入室內(nèi)。其氣密性不滿足建筑外窗氣密性能分級(jí)表中的4級(jí)的要求[10]。

為了改善以上存在問題，研究組建議更換平開木窗為加密封墊的塑鋼窗或復(fù)合木窗，增大窗戶空氣間層的空間。窗的顏色、造型與改造前相近，達(dá)成與建筑整體風(fēng)格匹配的效果。改造后雙層窗空氣間層大于60mm，傳熱系數(shù)為2.0W/（m2·K），氣密性滿足4級(jí)。更換單層實(shí)體木門為加密封墊的保溫木門，門的顏色、造型與改造前相近，達(dá)成與建筑整體風(fēng)格匹配的效果。改造后門的傳熱系數(shù)為2.0W/（m2·K），氣密性滿足4級(jí)。[10]

方蕾等在《嚴(yán)寒地區(qū)農(nóng)村住宅保溫》一文中指出：采用保溫窗簾（板），可以將窗戶部位的傳熱系數(shù)由2.0W/（m2·K）降為1.24-1.73W/（m2·K）。[3]借鑒以上研究結(jié)果，可在門窗上增設(shè)保溫簾，門簾全天懸掛，窗簾在夜間關(guān)閉，在白天需要采光時(shí)打開，從而降低室內(nèi)熱能耗。

4.1.4地面熱阻較大，吸熱指數(shù)較高。

1）地面熱阻分析與改造。由于冬季室外空氣溫度、地表土壤溫度較低，甚至低于露點(diǎn)，大量的熱量通過外墻四周的地面、墻面以熱橋的形式耗散。典型建筑地面構(gòu)造做法為10mm厚水磨石地面+60mm厚細(xì)石混凝土+100mm厚素土夯實(shí)。雖然滿足當(dāng)?shù)匾?guī)范對(duì)地面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的要求，但有效的降低地面?zhèn)鳠嵯禂?shù)能降低能耗，增加室內(nèi)熱舒適性，而且水磨石地面的改造難度較低，破壞程度小，改造效果好。具體做法為：10mm厚水泥砂漿+100mm厚保溫砂漿+10imn厚水磨石地面+60mm厚細(xì)石混凝土+100mm厚素土夯實(shí)，傳熱系數(shù)可降低為0.25W/（m2·K）。

2）地面吸熱指數(shù)改變。地面飾面材料，不同材料的吸熱指數(shù)不同，帶給使用者的使用舒適性不同，如木地板B=10.5，水磨石地面的B=26.8，B值越大從人腳底吸收的熱量越多、越快。[11]典型建筑在臥室可優(yōu)選木地板作為地面鋪設(shè)材料，從而減少地面從人體吸收的熱量，以增加使用者腳部的熱舒適感。

5改造前、后建筑能耗改造結(jié)果及分析

5.1改造結(jié)果

研究者應(yīng)用斯維爾軟件對(duì)建筑改造前、后的建筑能耗進(jìn)行計(jì)算，以《采暖居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（DB62/T25-3033-2006）、《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50176）、《建筑外窗氣密性分級(jí)及檢測(cè)方法》（GB/T7107-2002）為依據(jù)，并參考《農(nóng)村居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GBIT 50824-2013）進(jìn)行修正，通過計(jì)算，改造前后建筑能耗如表1所示，各圍護(hù)結(jié)構(gòu)耗熱量比例如表2所示。

5.2改造結(jié)果分析

5.2.1耗熱量指標(biāo)及耗煤量指標(biāo)分析

經(jīng)過以上改造，單位建筑面積圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳耗熱量從119.04W/m2降低為33.89W/m2，單位建筑面積空氣滲透耗熱量從13.57W/m2降低為7.07W/m2，建筑物耗煤量指標(biāo)從55.83kg/m2降低為16.11kg/m2，雖然沒有滿足規(guī)范規(guī)定的單位面積耗熱量指標(biāo)，但建筑的耗熱量已經(jīng)得到明顯改善？

5.2.2圍護(hù)結(jié)構(gòu)耗熱量比例分析

從改造前耗熱量比例可以看出，耗熱量大小依次為，北側(cè)外墻32.52W/m2，屋頂26.3W/m2，西側(cè)外墻14.14W/m2，南側(cè)外墻13.31W/m2，周邊地面7.2W/m2，外門3.95W/m2，外窗2.76W/m2，非周邊地面1.06W/m2。所以，在同樣條件下，墻體改造中北側(cè)墻優(yōu)先改造，西側(cè)次之，南側(cè)最后。屋頂為北側(cè)外墻之后。地面改造周邊地面改造優(yōu)先。改造后，屋頂?shù)暮臒崃勘壤畲?，其次外門，之后是北側(cè)南側(cè)外墻等。

6結(jié)語

基于甘肅靖遠(yuǎn)縣傳統(tǒng)民居存在冬季室內(nèi)氣溫低、能耗大、熱舒適性差的問題，研究者從建筑設(shè)計(jì)、建筑構(gòu)造2個(gè)角度進(jìn)行分析，并提出改造方案。

1）建筑設(shè)計(jì)方面：研究者提出給建筑內(nèi)部添加隔墻，將貫通的3個(gè)空間改造為3個(gè)較封閉的空間，降低建筑室內(nèi)凈高，增設(shè)門斗，從而降低建筑室內(nèi)空氣流通性。

2）建筑構(gòu)造設(shè)計(jì)方面：研究者提出在外墻、屋頂、地面增設(shè)保溫材料，更換門窗，從而降低構(gòu)件的傳熱系數(shù)。

3）經(jīng)過分析，改造前、后典型建筑耗熱量指標(biāo)分別為128.82W/m2，37.16W/m2，單位建筑面積空氣滲透耗熱量分別為13.57W/m2，7.07W/m2，建筑物耗煤量指標(biāo)為55.83kg/m2，16.11kg/m2，改造效果明顯。

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收稿日期：2020-01-06

作者簡介：鄭英（1980-），女，碩士學(xué)位，講師，研究方向：建筑設(shè)計(jì)與節(jié)能。