川西地区藏族民居外围护结构优化研究

王黔豫　侯立强

(1.中国核电工程有限公司北京民用设计院，北京　100840；　2.西安建筑科技大学建筑学院，陕西 西安　710055)

近年来，随着社会的进步和经济的发展，建筑能耗问题日益凸显。但目前建筑节能工作主要集中在城市，这与我国庞大的农业人口现状极不相符。我国农村住宅的能耗的问题不容忽视。因此，改善和优化农村建筑的节能设计迫在眉睫。

建筑能耗是指建筑的运行能耗，主要是人们的日常用能，包括采暖、空调、照明以及其他设施的能耗。在寒冷地区，建筑的主要能耗为采暖能耗，而采暖能耗的1/3以上源于建筑外围护结构的热损耗[1]。因此优化建筑外围护结构是解决寒冷地区建筑能耗的重要手段。

外围护结构包括建筑的外墙体、屋顶、外门窗等构件。其中外墙体和外门窗两者的耗热量能够达到建筑外围护结构总耗热量的80%以上。建筑外墙体与外界环境接触面积大，热交换量大；外门窗由于其材料绝热性较差，是建筑围护结构中热损耗的薄弱环节。因此，外围护结构的优化主要是针对外墙体及外门窗的保温隔热优化。

目前，我国有四种外墙体保温做法：内保温、夹心保温、外保温及综合保温。各种保温做法都能够有效的降低外墙体的耗热量。但不同的材料及做法，在节能效率上各有差异。由于生活方式、资源环境的不同，农村住宅与城镇住宅极不相同。因此农村住宅的外围护结构的做法不能简单套用城镇做法，而应因地制宜，体现当地特色，利用当地资源。

1　川西地区既有藏族居住建筑现状

川西地区是指阿坝州和甘孜州等高原藏区，属高原季风气候区。以甘孜州康定为例，其年平均气温为7 ℃，最高温度为29 ℃，最低温度约为-14 ℃，属于建筑热工设计分区中的寒冷地区[2]。

1.1　建筑概况

经过对川西地区藏族传统民居的实地调研，将一栋具有代表性的当地民居选为研究对象，其概况如下：建筑朝向为坐北朝南，建筑面积283.92 m2，建筑为砖石结构，地上2层，层高为3.3 m。外墙喷涂20 mm厚水泥砂浆，500 mm石头墙，屋面为粘土，外窗为单玻塑钢窗。建筑平面图如图1所示。

1.2　围护结构构造及热工性能

川西地区藏族传统民居建筑外围护结构热工性能[3,4]如表1所示。通过对表1的分析可得出以下结论：

1)建筑的外墙及屋面均没有设保温层，保温性能差，传热系数是建筑节能设计标准的两倍多。

2)单薄塑钢材质的建筑外窗传热系数过大，是建筑节能设计标准近两倍。

表1　川西地区藏族传统民居主要围护结构热工性能

2　室内热环境状况

有关研究表明，人们的平均热感觉(MTS)随室内平均温度变化的相关性较强，热感觉随室内温度变化更为敏感，同时还受到相对湿度等其他因素的影响。因此研究川西地区藏族传统民居建筑室内热环境状况对于人体热舒适具有重要意义。本文采用EnergyPlus[5]软件及典型年气象年逐时数据(CSWD)对川西地区藏族传统民居的室内热环境进行模拟，得到了该建筑一层室内冬季及夏季设计日的平均温度和相对湿度。该建筑位于寒冷地区，《农村居住建筑节能设计标准》[6]规定冬季农村居住建筑的计算换气次数应取0.5 h-1。

2.1　冬季设计日(1月21日)室内平均温湿度分布

冬季设计日室内平均温度较为稳定，波动较小，分布在6.22 ℃～8.55 ℃之间，这是围护结构的保温及透过窗户的太阳辐射得热共同作用的结果，但仍低于室内人体热舒适温度18 ℃(见图2)。室内相对湿度较小，分布在14.49%～24.81%之间，达不到相对湿度40%～65%的要求(见图3)。冬季室内干燥、寒冷，热环境较差，不满足人体热舒适要求，因此采暖、加湿成为该地区的迫切需要，其中采暖能耗为主要能耗来源。

2.2　夏季设计日(7月21日)室内平均温湿度分布

夏季设计日室内平均温度稳定，温度分布在19.98 ℃～22.98 ℃之间(见图4)，相对湿度分布38.49%～46.27%之间(见图5)，室内较为舒适，不需要制冷。

3　优化方案及建筑耗热量分析

3.1　优化方案

川西地区藏族传统民居夏季室内热环境基本能满足人体热舒适要求，而冬季室内热环境较差，因此应注重冬季保温。外墙的传热系数1.85 W/(m·K)大于《农村居住建筑节能设计标准》中外墙的传热系数0.65 W/(m·K)，外窗传热系数4.699 W/(m·K)大于《农村居住建筑节能设计标准》中外窗的传热系数2.5 W/(m·K)，应加强这两个外围护结构的保温性能。对于既有建筑来说，在不影响建筑物的使用情况下同时又要实现节能改造，外墙外保温就成为最佳的改造技术措施。外墙外保温改造主要有几种系统：聚苯乙烯泡沫塑料板薄抹灰外墙外保温系统、胶粉聚苯颗粒保温浆料外墙外保温系统等。为了就地取材，本文提出在已有建筑外墙外加粘土草泥或者粘土草泥与聚苯乙烯泡沫塑料板相结合作为外保温层，同时将外窗由单玻塑钢窗改为双玻塑钢窗。为了对比草泥及聚苯乙烯泡沫塑料板厚度及双玻塑钢窗对建筑耗热量的影响大小，制定了三种围护结构优化方案，具体如表2所示。

表2　围护结构优化方案

川西地区藏族传统民居围护结构改造前后外墙传热系数如图6所示。

由图6可知，外墙外加草泥，厚度从10 mm到100 mm等间距变化时，外墙的传热系数逐渐减小且变化率减小；草泥厚度固定为20 mm，聚苯板厚度从10 mm到100 mm等间距变化时，传热系数显著减小，且当聚苯板厚度超过30 mm之后，外墙传热系数小于0.65 W/(m·K)，满足节能标准要求。草泥或聚苯板厚度的增加与外墙传热系数的减小并不呈线性关系，变化率逐渐减小。

3.2　建筑改造前后采暖期围护结构耗热量

为了反映围护结构改造前后窗户、墙体等各部分耗热构成以及改造后效果是否明显，本文对采暖期(即11,12,1,2,3五个月)建筑的耗热量进行模拟。三种不同围护结构优化方案建筑耗热量如图7所示。

采暖期建筑耗热量主要由窗户得热、窗户失热、渗透耗热、不透明表面(外墙、屋面)耗热组成，其中不透明表面耗热所占比重较大，渗透耗热量次之，窗户失热较小。窗户得热即是透过窗户的太阳辐射。对于方案一、方案二随着草泥或聚苯板厚度的增加，不透明表面耗热量减小，原因是在原建筑外层加草泥或者聚苯板后，传热系数减小，墙体的保温性能变好，其他各部分变化不大，且方案二较方案一采暖期建筑耗热量显著减小。对于方案三外窗由单玻塑钢窗变为双玻塑钢窗，外窗传热系数减小，遮阳系数同样减小，即窗户得热和失热同时减少，窗户失热减少更多，从而使采暖期建筑耗热量更小。

3.3　建筑改造前后耗热量指标

建筑耗热量指标是指建筑在采暖期间，为维持室内计算温度，每平方米建筑面积每小时消耗的热量。这一指标可作为建筑物改造前后其围护结构的热工性能的评判依据。室内计算温度取满足人体热舒适18 ℃，经过模拟得出改造前后的建筑耗热量指标如图8所示。

随着外墙传热系数的减小，建筑耗热量指标也在减小。其中方案一耗热量指标为原建筑耗热量指标的98.1%,96.6%,95.2%,94%,92.9%,91.8%,90.7%,89.7%,88.8%,87.9%。方案二耗热量指标为原建筑耗热量指标的85.4%,79.2%,75.3%,72.7%,70.7%,69.2%,68.1%,67.1%,66.3%,65.7%。方案三耗热量指标为原建筑耗热量指标的81.8%,76.4%,72.5%,69.9%,67.9%,66.4%,65.3%,64.3%,63.6%,62.9%。传统民居改造后建筑耗热量指标减小，尤其是方案二、三，建筑耗热量指标显著减小。而方案三与方案二相比，建筑耗热量指标较小，但其耗热特点不同，方案二能够争取更多白天的太阳辐射得热，但传热损失较大，方案三与此相反。

因此，对于卧室等夜晚使用或北向的房间，采用方案三较好，减少外窗的传热损失，减少人体的不舒适，对于起居室等白天使用且南向的房间，则采用方案二较好，争取白天更多的太阳辐射得热。

4　结语

本文基于广泛调研，建立川西地区藏族传统民居建筑模型，设定建筑外围护结构材料热工性能参数，在EnergyPlus软件模拟分析中得到建筑物改造前后的传热系数、采暖期耗热量、耗热量指标，经比较分析得出结论：

1)川西地区藏族传统民居外围护结构中外墙及外门窗的传热系数远高于《农村居住建筑节能设计标准》，从而使冬季室内热环境较差，不满足人体热舒适要求。

2)在原建筑外层加不同厚度的草泥或者聚苯乙烯泡沫塑料板后，传热系数，采暖期耗热量及耗热量指标均逐渐减小，墙体的保温性能变好。当外层加草泥20 mm且聚苯乙烯泡沫塑料板厚度大于30 mm时，墙体传热系数开始小于节能标准要求中的0.65 W/(m·K)。

3)为了不影响建筑物使用情况且可就地取材，选择了墙体外保温以及将窗由单玻塑钢窗变为双玻塑钢窗，结合房间的朝向及用途，采取适当的措施改善室内热环境来满足人体热舒适要求。

参考文献:

[1]李翔，张宝军.苏北地区农村建筑能耗分析与节能技术研究[J].徐州建筑职业技术学院学报，2007,7(4):35-37.

[2]JGJ 26—2010,严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准[S].

[3]刘加平.建筑物理[M].第4版.北京:中国建筑工业出版社,2000:164-165.

[4]师奶宁.不同区域传统民居围护结构热工性能研究[D].西安:西安建筑科技大学,2006:33.

[5]EnergyPlus supplement,version 8.1.Lawrence Berkeley National Laboratory,University of California,2013.

[6]GB/T 50824—2013，农村居住建筑节能设计标准[S].