曹觀峰　肖瑞亞

摘 要：因經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及人類對(duì)資源的索取，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境原有平衡被打破，生物多樣性銳減，植被遭受破壞，水土流失嚴(yán)重，自然災(zāi)害頻繁，因此加強(qiáng)自然生態(tài)環(huán)境保護(hù)迫在眉睫。建筑業(yè)作為推進(jìn)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱性產(chǎn)業(yè)，在倡導(dǎo)環(huán)境保護(hù)的今天，近零能耗建筑成為建筑領(lǐng)域追求的目標(biāo)。要保證該目標(biāo)得到實(shí)現(xiàn)，還需在選址、外圍護(hù)結(jié)構(gòu)、暖通空調(diào)、外窗等設(shè)計(jì)以及材料選擇等方面遵循低能耗、高能效、污染少與舒適性高等建造設(shè)計(jì)要求，盡可能把對(duì)環(huán)境造成的影響降到最低。為了對(duì)生態(tài)優(yōu)化視角下近零能耗農(nóng)村建筑有更全面的認(rèn)識(shí)，以嚴(yán)寒地區(qū)的某棟建筑為例，基于外窗近零能耗優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行相關(guān)闡述。

關(guān)鍵詞：生態(tài)優(yōu)化;零能耗;農(nóng)村居住建筑;優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TU201.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2021）25-0094-03

Optimal Design of Zero Energy Consumption Rural Residential Buildings Based on Ecological Optimization

CAO Guanfeng XIAO Ruiya

（Xinxiang Vocational and Technical College， Xinxiang Henan 453000）

Abstract： Due to the rapid economic development and the endless demand of human beings， the original balance of the ecological environment has been broken， the biodiversity has been drastically reduced， vegetation has been destroyed， soil erosion has been serious， and natural disasters have been frequent. Faced with this situation， it is urgent to carry out natural ecological protection. The construction industry is a pillar industry that promotes the country’s economic development. Under the environment of advocating environmental protection， near-zero energy consumption buildings have become the core goal pursued in the construction field. The design and material selection of HVAC， exterior windows， etc. follow the construction design requirements of low energy consumption， high energy efficiency， low pollution and high comfort， and minimize the impact on the environment as much as possible. In order to have a more comprehensive understanding of the near-zero energy consumption of rural buildings from the perspective of ecological optimization， this article takes a building in a severe cold area as an example， and makes relevant explanations based on the near-zero energy optimization design of exterior windows.

Keywords： ecological optimization;zero energy consumption;rural residential buildings;optimal design

關(guān)于《中共中央關(guān)于全面深化改革若干重大問(wèn)題的決定》的說(shuō)明中提到人山水林田湖是一個(gè)生命共同體，即人、山、水、林、田、湖相互之間存在著密切的聯(lián)系，構(gòu)成了共同生命體[1]。改革開(kāi)放初期，我國(guó)部分區(qū)域忽視了對(duì)環(huán)境的保護(hù)，肆意地對(duì)環(huán)境進(jìn)行破壞，圍湖造田、毀林開(kāi)放的現(xiàn)象屢見(jiàn)不鮮。但是，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，這種現(xiàn)象所帶來(lái)的弊端日益凸顯，加劇了荒漠化、水土流失的生態(tài)問(wèn)題。為此，黨的十九大報(bào)告中提到，要像對(duì)待生命一樣對(duì)待生態(tài)環(huán)境，統(tǒng)籌山水林田湖草系統(tǒng)治理，可見(jiàn)國(guó)家對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)的重視。

與此同時(shí)，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部在2017年2月制定了《建筑節(jié)能與綠色建筑發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，提到我國(guó)建筑節(jié)能和綠色建筑發(fā)展仍存在諸多問(wèn)題，如建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)要求相較于同等氣候條件的發(fā)達(dá)國(guó)家明顯偏低，標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行質(zhì)量存在差異，城鎮(zhèn)現(xiàn)有建筑里大概存在60%不節(jié)能建筑[2]，能源利用率偏低，居住舒適性不高，對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重威脅。因此，農(nóng)村建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)需遵循綠色生態(tài)理念，進(jìn)行節(jié)能、節(jié)水、節(jié)地、節(jié)材的全方位環(huán)保工程打造，以達(dá)到改善生態(tài)環(huán)境、延長(zhǎng)建筑物使用壽命、降低環(huán)境污染的效果，充分展現(xiàn)零能耗綠色生態(tài)建筑的可持續(xù)發(fā)展特點(diǎn)。這既滿足了時(shí)代發(fā)展要求，也是順應(yīng)國(guó)家進(jìn)行綠色生態(tài)打造政策的表現(xiàn)[3]，因此對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)某棟建筑的外窗近零能耗優(yōu)化設(shè)計(jì)展開(kāi)研究很有必要。

1 零能耗建筑概述

零能耗建筑即不消耗常規(guī)能源，僅通過(guò)太陽(yáng)能或多樣化可再生能源來(lái)滿足生活所需的建筑物。無(wú)論是生態(tài)建筑、節(jié)能建筑，還是綠色建筑，均有助于使二氧化碳排放量得到控制，減少對(duì)能源的使用，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的保護(hù)。零能源建筑并非近兩年才提出來(lái)的新概念[4]，加拿大、瑞士、德國(guó)等早已經(jīng)修建了不少的零能源建筑，泰國(guó)、日本、馬來(lái)西亞等國(guó)家也在該領(lǐng)域的探索中取得了一定成效。

2 嚴(yán)寒地區(qū)近零能耗農(nóng)村建筑基礎(chǔ)模型建構(gòu)

某近零能耗建筑是位于嚴(yán)寒地區(qū)的農(nóng)村建筑，屬于主體H型鋼結(jié)構(gòu)的平頂房，面積為302.4 m2，長(zhǎng)、寬、高分別是18.0 m、8.4 m、6.9 m，建筑共兩層，沒(méi)有地下室，第一層底層層高為3.3 m，主要包括廚房、臥室、控制室、設(shè)備間及衛(wèi)生間等;第二層層高3.6 m，主要包括衛(wèi)生間、學(xué)習(xí)室以及其他功能室等。

3 建筑外窗熱工性能為能耗帶來(lái)的影響模擬分析

以外窗為例，通過(guò)EngeryPlus對(duì)建筑能耗進(jìn)行模擬，并經(jīng)Google SketchUp建構(gòu)建筑的三維模型圖。

3.1 近零能耗居住建筑外窗選擇

《被動(dòng)式超低能耗綠色建筑技術(shù)導(dǎo)則（試行）（居住建筑）》指出，嚴(yán)寒地帶近零能耗居住建筑外窗傳熱系數(shù)為0.7～1.2 W/（m2·K），但當(dāng)前市面上所存在的傳熱系數(shù)在1.2 W/（m2·K）以下的外窗廠家并不多。通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研與總結(jié)得出了5種外窗商品，如表1所示。

3.2 外窗能耗模擬和優(yōu)化選擇

將表1中5類外窗熱工參數(shù)錄至EnergyPlus展開(kāi)能耗模擬，發(fā)現(xiàn)供熱能耗占主導(dǎo)地位，其次為供冷能耗。對(duì)供冷、供熱、總能耗展開(kāi)分析，結(jié)果如圖1所示。供冷與供熱能耗屬于一個(gè)數(shù)量級(jí)，故而在主縱坐標(biāo)軸進(jìn)行設(shè)置，而總能耗的指標(biāo)在次坐標(biāo)軸進(jìn)行設(shè)置。

依照上面給出的數(shù)據(jù)信息可得出，若外窗的傳熱系數(shù)在0.6～0.9 W/（m²·K），那么總能耗無(wú)顯著改變，但根據(jù)圖1的數(shù)據(jù)資料還可發(fā)現(xiàn)，傳熱系數(shù)處于0.6～0.9 W/（m·K）時(shí)總能耗無(wú)顯著改變。由表1可發(fā)現(xiàn)材料間價(jià)格存在一定差異，傳熱系數(shù)處于0.9～1.0 W/（m·K）時(shí)能耗變化最顯著，但價(jià)格差距不是特別大;傳熱系數(shù)處于1.0～1.1 W/（m·K）時(shí)能耗基本上無(wú)變化，價(jià)格差距相對(duì)偏小[5]。由此可得，傳熱系數(shù)處于0.9 W/（m·K）的B品牌PAS125類外窗經(jīng)濟(jì)性與節(jié)能性均滿足要求，故而此次建筑選擇的材料為B品牌PAS125。建議嚴(yán)寒地區(qū)零能耗居住建筑設(shè)計(jì)使用B品牌PAS125或其他參數(shù)接近的外窗類型，以更好地實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗目標(biāo)。

3.3 不同朝向窗墻比對(duì)能耗造成的影響模擬研究

3.3.1 基于采光標(biāo)準(zhǔn)的最小窗墻比計(jì)算。對(duì)寒冷地區(qū)近零能耗居住建筑窗墻比進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化前，應(yīng)依照采光標(biāo)準(zhǔn)對(duì)不同朝向窗墻比要求進(jìn)行綜合考量，其中《住宅設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50096—2011）明確指出起居室（廳）、居住建筑臥室、處方采光系數(shù)均需在1%以上，樓梯間進(jìn)行采光窗設(shè)置時(shí)采光系數(shù)需在0.5%以上[6]。按照采光處平均采光系數(shù)在1%以上的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行最小窗戶尺寸計(jì)算，所用公式為：

Cb=WS+5f/100AT（1-T） （1）

式中：C為采光系數(shù);W為窗洞面積;[S]為室內(nèi)采光面積，主要受遮陽(yáng)角θ系數(shù)影響;f為窗玻璃散熱透射率;A為建筑所有室內(nèi)總表面積;T為室內(nèi)平均有效吸收率。

窗戶面積計(jì)算公式為：

W=100ATC/（S+5）f（1-T） （2）

計(jì)算過(guò)程中，若C≥1%，S以全陰天室內(nèi)無(wú)遮擋為標(biāo)準(zhǔn)，T依照室內(nèi)表層明亮程度（暗、中、明亮）分別定作0.7、0.5與0.3，這里T取值為0.5，f依照窗玻璃可見(jiàn)光透射率90%來(lái)計(jì)算。

由式（1）能夠進(jìn)行窗戶尺寸計(jì)算，并根據(jù)窗墻比定義對(duì)不同朝向最小窗墻比進(jìn)行計(jì)算。通過(guò)計(jì)算得到嚴(yán)寒地區(qū)近零能耗居住建筑采光條件下最小窗墻比依次為：南向9.93%，東西向11.59%，北向10.66%。將該計(jì)算結(jié)果視作后期不同朝向窗墻比節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)的參考，以保障結(jié)果的精準(zhǔn)度。

3.3.2 不同朝向窗墻比的能耗模擬和優(yōu)化選擇。若要對(duì)此次提到的建筑模型不同朝向的窗墻比給予優(yōu)化，應(yīng)對(duì)供冷、供熱、總能耗隨窗墻比變動(dòng)情況展開(kāi)綜合考量，并且不同朝向總能耗會(huì)因窗墻比的增大而逐漸升高[7]。同時(shí)，相較于供熱能耗而言，供冷能耗的變化更突出。若東西向窗墻比為10%～15%，供熱能耗提高，剛好和5%～10%的窗墻比彼此抵消，在這種情況下即便供冷能耗提升，但因每單位供冷能耗增量低，總能耗不會(huì)表現(xiàn)出顯著變化。

若南向窗墻比為7.5%～17.5%，即便供熱能耗高，但因每單位供冷能耗增量較低，故而總能耗平均每單位變化量也較小。不同能耗隨北向窗墻比的增大不會(huì)產(chǎn)生顯著改變，但無(wú)論是供冷、供熱或總能耗均會(huì)因?yàn)楸毕虼皦Ρ鹊脑龃蠖兴黾?。天氣寒冷地區(qū)近零能耗居住建筑窗墻比的排序?yàn)椤皷|西向>南向>北向”，東西向11.59%～59%，南向9.93%～17.5%。當(dāng)符合采光10.66%、通風(fēng)性好的情況下，北向應(yīng)取最小值。綜上所述，在寒冷地區(qū)近零能耗居住建筑能耗受到窗墻比的影響大小排序?yàn)椤皷|西向>南向>北向”。

4 結(jié)語(yǔ)

良好生態(tài)環(huán)境是當(dāng)前社會(huì)在文明進(jìn)步背景下追尋的目標(biāo)，是最普惠的民生福祉。但我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的提升引起的環(huán)境污染問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，各類電器設(shè)備（如空調(diào)、熱水器等）的使用同樣給環(huán)境帶來(lái)了沉重負(fù)擔(dān)，人們對(duì)舒適環(huán)境的追尋也更加迫切。改善生態(tài)人居環(huán)境，有利于實(shí)現(xiàn)低碳可持續(xù)鄉(xiāng)村發(fā)展目標(biāo)。

農(nóng)村地區(qū)是國(guó)家鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的主要扶持對(duì)象，應(yīng)對(duì)新農(nóng)村人居環(huán)境進(jìn)行合理的優(yōu)化調(diào)整，本著因地制宜、以人為本的原則，做好村民房屋建設(shè)的規(guī)劃設(shè)計(jì)，進(jìn)而打造適宜的生態(tài)人居環(huán)境，確保低碳可持續(xù)鄉(xiāng)村發(fā)展目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)。經(jīng)紅外熱像儀測(cè)試近零能耗居住建筑的外窗氣密性，發(fā)現(xiàn)外窗的玻璃與邊緣密實(shí)，不存在熱橋缺陷，但窗框具有顯著熱橋缺陷，表明近零能耗居住建筑在外窗選擇時(shí)除了重視玻璃傳熱系數(shù)，還需結(jié)合窗框、密封膠條傳熱系數(shù)進(jìn)行整窗選擇。

站在生態(tài)環(huán)境保護(hù)視角下進(jìn)行零能耗追求的農(nóng)民居住建筑優(yōu)化設(shè)計(jì)，滿足新農(nóng)村建設(shè)理念和農(nóng)民群眾生活水平提升的要求，是積極響應(yīng)國(guó)家生態(tài)環(huán)境保護(hù)的表現(xiàn)，有利于推動(dòng)人民群眾生產(chǎn)生活水平得到全面提高，保障整個(gè)社會(huì)的穩(wěn)定和諧。

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