文／李佳謠 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 碩士研究生

王 尚 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 碩士研究生

蘇曉明 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 副教授（通訊作者）

引言

中國(guó)目前屬于發(fā)展中國(guó)家，鄉(xiāng)村在全國(guó)范圍內(nèi)分布較廣。據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局統(tǒng)計(jì)，鄉(xiāng)村人口大約占全國(guó)總?cè)丝诘?0%以上[1]。相比城市地區(qū)的建筑，鄉(xiāng)村地區(qū)民居建筑存在發(fā)展緩慢、滯后，鄉(xiāng)村經(jīng)濟(jì)條件落后等問(wèn)題，且民居建筑存在施工工藝簡(jiǎn)單、建筑材料有限、功能單一、節(jié)能效果差等特點(diǎn)，民居建筑節(jié)能研究有利于促進(jìn)鄉(xiāng)村的發(fā)展建設(shè)。

研究民居節(jié)能一般會(huì)從以下幾個(gè)方面著手：室內(nèi)熱環(huán)境、圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫性能、被動(dòng)式太陽(yáng)能技術(shù)建筑等。節(jié)能主要是保證人們?cè)谑覂?nèi)舒適的環(huán)境下，減少能源的消耗。使用儀器收集數(shù)據(jù)，通過(guò)建筑的朝向、門(mén)窗密閉性、南北向的窗墻比、功能空間合理布置、民居構(gòu)造技術(shù)、被動(dòng)式技術(shù)、綠色建筑設(shè)備、可再生能源利用等方面優(yōu)化民居節(jié)能設(shè)計(jì)。

隨著十九大報(bào)告中提出“鄉(xiāng)村振興”，更多的學(xué)者著手研究鄉(xiāng)村民居建筑節(jié)能。趙欽等人通過(guò)軟件模擬研究了陜南地區(qū)鄉(xiāng)村民居的室內(nèi)熱環(huán)境，利用被動(dòng)式技術(shù)提高室內(nèi)舒適度；桑國(guó)臣等人對(duì)寧夏中衛(wèi)地區(qū)民居室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行測(cè)評(píng)，利用太陽(yáng)能技術(shù)提高冬季室內(nèi)溫度；劉艷峰等人對(duì)西北民居進(jìn)行走訪、問(wèn)卷調(diào)查，為民居節(jié)能技術(shù)提供數(shù)據(jù)；劉盛等人在研究湘西民居時(shí)，使用模擬軟件，通過(guò)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)傳統(tǒng)民居進(jìn)行改造；閆海燕等人測(cè)量新舊建筑的室內(nèi)外環(huán)境參數(shù)并進(jìn)行分析，為新民居設(shè)計(jì)提供依據(jù)[2-5]。使用軟件進(jìn)行模擬測(cè)試，需要輸入環(huán)境數(shù)據(jù)，測(cè)試單影響因素產(chǎn)生的節(jié)能影響，如果設(shè)置的環(huán)境數(shù)據(jù)、建筑數(shù)據(jù)與實(shí)際環(huán)境不完全吻合，會(huì)產(chǎn)生誤差；如若只使用儀器測(cè)量室內(nèi)外環(huán)境，用PMV-PPD評(píng)價(jià)法測(cè)評(píng)室內(nèi)熱舒適度，通過(guò)間接的方式評(píng)價(jià)民居節(jié)能，是達(dá)不到國(guó)家要求的標(biāo)準(zhǔn)的。本文通過(guò)總結(jié)上述研究，系統(tǒng)地介紹了目前研究鄉(xiāng)村民居節(jié)能的方法，以期提供一些展望，為未來(lái)研究鄉(xiāng)村建筑的節(jié)能提供借鑒。

1 鄉(xiāng)村民居節(jié)能概況

近年來(lái)，城市化的推進(jìn)促進(jìn)了農(nóng)村建設(shè)的蓬勃發(fā)展，居民大多數(shù)建起了磚混自建房。20%的民居由工程師設(shè)計(jì)建造，考慮了室內(nèi)熱舒適、采光、自然通風(fēng)等等；80%的自建房在建設(shè)的過(guò)程中沒(méi)有考慮過(guò)墻體的保溫性能、開(kāi)窗大小、太陽(yáng)能使用、采光通風(fēng)等因素。磚混自建房造價(jià)比生土建筑造價(jià)高很多，節(jié)能性能上的改善是微小的。在北方嚴(yán)寒地帶的冬天，農(nóng)村居民通常會(huì)以在炕內(nèi)生火的形式加熱房間溫度，而建筑物防護(hù)構(gòu)造的保溫隔熱特性不好、窗戶尺寸不科學(xué)合理，是造成北部農(nóng)村地區(qū)增加家庭能源費(fèi)用的主要因素[6]；而在中國(guó)的夏熱冬寒地帶和南部的夏熱冬暖地帶面臨著建筑物防護(hù)構(gòu)造的保溫隔熱性和氣密性較差以及供熱、冷卻空調(diào)系統(tǒng)效能不足等問(wèn)題。鄉(xiāng)村地區(qū)的民居節(jié)能情況不理想，需要我們持續(xù)關(guān)注。

2 民居建筑節(jié)能研究方法

2.1 軟件模擬

2.1.1 研究對(duì)象

中國(guó)幅員遼闊，南北緯度長(zhǎng)，東西跨度廣，地理環(huán)境和自然環(huán)境豐富，氣候多樣。民居根據(jù)當(dāng)?shù)氐淖匀粭l件，經(jīng)過(guò)幾百年形成了不同地域的特色民居。在北方，民居大多數(shù)位于寒冷、嚴(yán)寒地區(qū)，室內(nèi)外溫差大，主要的研究?jī)?nèi)容應(yīng)是解決室內(nèi)舒適度的問(wèn)題；新疆、內(nèi)蒙古、西藏等地區(qū)處于高原地區(qū)，太陽(yáng)能資源豐富，室內(nèi)熱舒適、被動(dòng)式太陽(yáng)能技術(shù)應(yīng)用是該地區(qū)的研究重點(diǎn)[7,8]。在南方，夏熱冬暖地區(qū)夏季環(huán)境濕熱、冬季濕冷，不同朝向的開(kāi)窗尺寸、窗墻比、保溫隔熱、自然通風(fēng)是研究的重點(diǎn)。在民居建筑節(jié)能的研究中，需要根據(jù)特定的地理環(huán)境、氣候特征選取研究對(duì)象。

2.1.2 軟件參數(shù)設(shè)定

DesignBuilder 是英國(guó)開(kāi)發(fā)的分析軟件，Ecotect 是Autodesk 開(kāi)發(fā)的分析軟件，EnergyPlus是美國(guó)能源部開(kāi)發(fā)的軟件，DeST-H 是清華大學(xué)開(kāi)發(fā)的分析軟件。選擇研究對(duì)象后，設(shè)置相應(yīng)的農(nóng)村住宅建設(shè)模式，并設(shè)定該區(qū)域的經(jīng)緯線、海拔高度、天氣等標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，并確定外墻傳熱系數(shù)、頂棚傳熱系數(shù)、朝向、窗墻比、建筑材料的技術(shù)參數(shù)等，就可以分析出該模型的太陽(yáng)輻射、遮陽(yáng)、熱力、照明等室內(nèi)的熱環(huán)境參數(shù)[9]。

2.1.3 數(shù)據(jù)分析

得到模擬數(shù)據(jù)之后，可進(jìn)行單因素影響分析、多因素影響分析、正交試驗(yàn)分析。如前輩研究結(jié)論中，對(duì)康定地區(qū)傳統(tǒng)民居采暖影響較大的因素分別是層高、朝向、屋頂構(gòu)造、陽(yáng)光間、南相窗墻比，而在拉薩地區(qū)新建民居采用深色玻璃，白天將玻璃全開(kāi)的方式可有效提升室內(nèi)溫度。對(duì)于重慶地區(qū)新農(nóng)村建設(shè)，通過(guò)動(dòng)態(tài)能耗分析，得到其窗戶的最佳設(shè)計(jì)是采用30mm厚膨脹聚苯板加LOW-E 中空玻璃[10-12]。

2.2 PMV-PPD 評(píng)價(jià)

2.2.1 測(cè)量?jī)x器

（1）太陽(yáng)輻射測(cè)量?jī)x器，采用全天候輻射數(shù)據(jù)自記儀TBQ-2。

（2）空氣溫度測(cè)量?jī)x，采用自記式溫度計(jì)紐扣溫濕度計(jì)TR-72wf、iButton。

（3）空氣溫濕度測(cè)試采用175-H1 型自記式高精度溫濕度計(jì)。

（4）采用JTNT-C 型圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀[13-15]。

2.2.2 PMV-PPD 評(píng)價(jià)

PMV-PPD 評(píng)價(jià)指標(biāo)能直接反映出人在室內(nèi)的熱舒適度，是用來(lái)評(píng)價(jià)熱舒適的一個(gè)指標(biāo)。PMV（Predicted Mean Vote）能代表相同環(huán)境中大多數(shù)人平均的室內(nèi)冷熱感覺(jué)，PMV 是指預(yù)測(cè)平均投票數(shù)。PMV 有7 個(gè)等級(jí)：+3 熱、+2溫暖、+1 較溫暖、0 適中、-1 較涼、-2 涼、-3冷，每一個(gè)程度對(duì)應(yīng)一個(gè)數(shù)值，當(dāng)室內(nèi)熱舒適度最佳時(shí)，PMV=0。我國(guó)農(nóng)村地區(qū)的民居室內(nèi)舒適度應(yīng)該在-1 至+1 之間比較合適。

3 民居建筑節(jié)能策略研究

3.1 加強(qiáng)對(duì)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能

建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能重點(diǎn)，是要增加建筑的墻面、窗戶和頂棚等建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫施工及隔熱性能。

3.1.1 外墻

據(jù)南北方鄉(xiāng)村民居建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)能耗統(tǒng)計(jì)，外墻和屋頂?shù)臒崃磕芎倪_(dá)到了40%左右，因此，墻體的保溫隔熱性能對(duì)于建筑物采暖能耗的影響很大。目前通過(guò)設(shè)計(jì)節(jié)能保溫外墻是比較常見(jiàn)的做法，常用的為外部保溫和夾心保溫，從造價(jià)和性能方面，優(yōu)先選用外墻外保溫技術(shù)，在民居建筑中最常用的保溫材料是EPS板（可發(fā)性聚苯乙烯板），其導(dǎo)熱系數(shù)小，較為輕質(zhì)，易于施工。但還需要加強(qiáng)對(duì)新型墻體材料的研究。

3.1.2 門(mén)窗

玻璃窗是建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)件。據(jù)統(tǒng)計(jì)，外窗的能源大約占建筑物總能源的50%。所以，門(mén)窗的節(jié)能措施在農(nóng)村住宅建筑節(jié)能中十分重要。此外，農(nóng)村住宅的建筑節(jié)能措施還必須從玻璃、門(mén)框、氣體密閉等多方面考慮，可采用的主要措施有：（1）選用新型節(jié)能玻璃，以提高玻璃的保溫措施及隔熱性能，可選擇中空玻璃，它們?cè)诟粢?、隔熱方面都具有良好的效果；?）根據(jù)不同地區(qū)的氣候選擇合適的窗墻比；（3）減少使用推拉窗，優(yōu)選平開(kāi)窗可有效減少熱量流失，窗框首選斷橋鋁合金門(mén)窗，氣密性較好，能減少30%室內(nèi)熱量的散失。

3.1.3 屋面

屋面在圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的耗能相比于外墻和門(mén)窗占比較小，約占能耗的10%。其節(jié)能的方法，主要是利用改善屋面層的熱工特性抑制熱能的傳導(dǎo)。目前在屋面節(jié)能技術(shù)中，綠化屋面和覆土屋面可有效降低熱島強(qiáng)度，選擇價(jià)格低廉的草本或蕨類植物鋪設(shè)至屋面，可達(dá)到隔熱降溫的目的，同時(shí)具有美化屋面的作用。屋面材料要選擇合適的保溫材料，如聚乙烯版（EPS、XPS 板）、巖棉、膨脹珍珠棉等。

3.2 重視空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能

對(duì)于我國(guó)夏熱冬冷地區(qū)和夏熱冬暖地區(qū)的民居建筑來(lái)說(shuō)，空調(diào)能耗約占總能耗的50%。因此，降低空調(diào)系統(tǒng)的能耗，發(fā)展空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)十分必要。目前我國(guó)空調(diào)節(jié)能技術(shù)有熱能再回收技術(shù)、水源熱泵技術(shù)、蓄冰空調(diào)技術(shù)和變頻調(diào)速系統(tǒng)。水源熱泵技術(shù)主要是利用地下水與空調(diào)冷卻水間的溫度進(jìn)行調(diào)溫，當(dāng)夏季冷卻水溫度下降后即為房間的冷卻，而冬季則從地下水中汲取熱量為房間供暖，由于節(jié)能效果好，現(xiàn)在已被廣泛應(yīng)用。變頻控制的節(jié)能技術(shù)主要是對(duì)制冷及空調(diào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能管理，按照不同時(shí)期、不同條件相應(yīng)調(diào)節(jié)空調(diào)系統(tǒng)的制冷量，讓中央空調(diào)機(jī)械設(shè)備及控制系統(tǒng)以最合理的方案工作，從而提升中央空調(diào)機(jī)械設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)效能，并最大程度地減少運(yùn)營(yíng)能源。

3.3 強(qiáng)化照明系統(tǒng)的節(jié)能

通過(guò)前人對(duì)傳統(tǒng)鄉(xiāng)村民居調(diào)研發(fā)現(xiàn)，民居的照明系統(tǒng)還大量在使用熒光燈、金屬鹵化物燈等照明設(shè)備，這些光源因功率系數(shù)較低，需要通過(guò)加裝無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備來(lái)保障照明系統(tǒng)的正常運(yùn)行，不但消耗了大量的電能資源，還無(wú)端增加了成本。因此，照明節(jié)電已成為鄉(xiāng)村民居節(jié)能的重要方面。而實(shí)行照明節(jié)能的措施主要有：（1）在建筑設(shè)計(jì)初期合理考慮窗墻比，充分利用自然光；（2）選擇高效節(jié)能、照明系數(shù)高的燈具；（3）合理設(shè)計(jì)燈具的安裝位置可以降低燈光功率，減少燈光散射。

3.4 提高再生能源技術(shù)的利用

因?yàn)槲覈?guó)再生能源資源極為充足，所以近年來(lái)我國(guó)新能源行業(yè)發(fā)展速度很快，可再生能源科技與裝備的水平也明顯提高，因而在我國(guó)鄉(xiāng)村地區(qū)可大力開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)崮艿?，可在鄉(xiāng)村推廣采用太陽(yáng)能熱水器、太陽(yáng)灶等。

結(jié)語(yǔ)

研究民居建筑節(jié)能有利于促進(jìn)“鄉(xiāng)村振興”，有利于鄉(xiāng)村地區(qū)合理地進(jìn)行房屋自建，建筑節(jié)能合理減少能耗，優(yōu)化建筑功能空間。本文收集了大量的資料，通過(guò)總結(jié)研究方法，發(fā)現(xiàn)未來(lái)需要提高北方地區(qū)的可再生能源技術(shù)的利用，充分將北方地區(qū)的太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)崮苡行Ю糜诮ㄖ?jié)能中。南方地區(qū)建筑需要注重環(huán)保建材的合理使用，多運(yùn)用“鄉(xiāng)土”建筑材料，并合理利用與當(dāng)?shù)孛窬咏ㄖ锵嗤慕Y(jié)構(gòu)與構(gòu)造，以充分發(fā)揮其物理上的特點(diǎn)，而鄉(xiāng)土建筑材料則通常都具備低耗環(huán)保、耐火防水、隔熱性能較好等優(yōu)勢(shì)，不僅綠色又生態(tài)，還能體現(xiàn)不同地區(qū)的特色建筑風(fēng)貌。作者通過(guò)對(duì)鄉(xiāng)村節(jié)能的研究，希望能為鄉(xiāng)村節(jié)能建筑的建設(shè)提供參考依據(jù)。