基于生态优化视角的零能耗农村居住建筑优化设计

曹观峰　肖瑞亚

摘 要：因经济的快速发展以及人类对资源的索取，导致生态环境原有平衡被打破，生物多样性锐减，植被遭受破坏，水土流失严重，自然灾害频繁，因此加强自然生态环境保护迫在眉睫。建筑业作为推进国家经济发展的支柱性产业，在倡导环境保护的今天，近零能耗建筑成为建筑领域追求的目标。要保证该目标得到实现，还需在选址、外围护结构、暖通空调、外窗等设计以及材料选择等方面遵循低能耗、高能效、污染少与舒适性高等建造设计要求，尽可能把对环境造成的影响降到最低。为了对生态优化视角下近零能耗农村建筑有更全面的认识，以严寒地区的某栋建筑为例，基于外窗近零能耗优化设计进行相关阐述。

关键词：生态优化;零能耗;农村居住建筑;优化设计

中图分类号：TU201.5 文献标识码：A 文章编号：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

關于《中共中央关于全面深化改革若干重大问题的决定》的说明中提到人山水林田湖是一个生命共同体，即人、山、水、林、田、湖相互之间存在着密切的联系，构成了共同生命体[1]。改革开放初期，我国部分区域忽视了对环境的保护，肆意地对环境进行破坏，围湖造田、毁林开放的现象屡见不鲜。但是，随着经济社会的快速发展，这种现象所带来的弊端日益凸显，加剧了荒漠化、水土流失的生态问题。为此，党的十九大报告中提到，要像对待生命一样对待生态环境，统筹山水林田湖草系统治理，可见国家对生态环境保护的重视。

与此同时，住房和城乡建设部在2017年2月制定了《建筑节能与绿色建筑发展“十三五”规划》，提到我国建筑节能和绿色建筑发展仍存在诸多问题，如建筑节能标准要求相较于同等气候条件的发达国家明显偏低，标准执行质量存在差异，城镇现有建筑里大概存在60%不节能建筑[2]，能源利用率偏低，居住舒适性不高，对生态环境造成了严重威胁。因此，农村建筑规划设计需遵循绿色生态理念，进行节能、节水、节地、节材的全方位环保工程打造，以达到改善生态环境、延长建筑物使用寿命、降低环境污染的效果，充分展现零能耗绿色生态建筑的可持续发展特点。这既满足了时代发展要求，也是顺应国家进行绿色生态打造政策的表现[3]，因此对严寒地区某栋建筑的外窗近零能耗优化设计展开研究很有必要。

1 零能耗建筑概述

零能耗建筑即不消耗常规能源，仅通过太阳能或多样化可再生能源来满足生活所需的建筑物。无论是生态建筑、节能建筑，还是绿色建筑，均有助于使二氧化碳排放量得到控制，减少对能源的使用，实现对环境的保护。零能源建筑并非近两年才提出来的新概念[4]，加拿大、瑞士、德国等早已经修建了不少的零能源建筑，泰国、日本、马来西亚等国家也在该领域的探索中取得了一定成效。

2 严寒地区近零能耗农村建筑基础模型建构

某近零能耗建筑是位于严寒地区的农村建筑，属于主体H型钢结构的平顶房，面积为302.4 m2，长、宽、高分别是18.0 m、8.4 m、6.9 m，建筑共两层，没有地下室，第一层底层层高为3.3 m，主要包括厨房、卧室、控制室、设备间及卫生间等;第二层层高3.6 m，主要包括卫生间、学习室以及其他功能室等。

3 建筑外窗热工性能为能耗带来的影响模拟分析

以外窗为例，通过EngeryPlus对建筑能耗进行模拟，并经Google SketchUp建构建筑的三维模型图。

3.1 近零能耗居住建筑外窗选择

《被动式超低能耗绿色建筑技术导则（试行）（居住建筑）》指出，严寒地带近零能耗居住建筑外窗传热系数为0.7～1.2 W/（m2·K），但当前市面上所存在的传热系数在1.2 W/（m2·K）以下的外窗厂家并不多。通过市场调研与总结得出了5种外窗商品，如表1所示。

3.2 外窗能耗模拟和优化选择

将表1中5类外窗热工参数录至EnergyPlus展开能耗模拟，发现供热能耗占主导地位，其次为供冷能耗。对供冷、供热、总能耗展开分析，结果如图1所示。供冷与供热能耗属于一个数量级，故而在主纵坐标轴进行设置，而总能耗的指标在次坐标轴进行设置。

依照上面给出的数据信息可得出，若外窗的传热系数在0.6～0.9 W/（m²·K），那么总能耗无显著改变，但根据图1的数据资料还可发现，传热系数处于0.6～0.9 W/（m·K）时总能耗无显著改变。由表1可发现材料间价格存在一定差异，传热系数处于0.9～1.0 W/（m·K）时能耗变化最显著，但价格差距不是特别大;传热系数处于1.0～1.1 W/（m·K）时能耗基本上无变化，价格差距相对偏小[5]。由此可得，传热系数处于0.9 W/（m·K）的B品牌PAS125类外窗经济性与节能性均满足要求，故而此次建筑选择的材料为B品牌PAS125。建议严寒地区零能耗居住建筑设计使用B品牌PAS125或其他参数接近的外窗类型，以更好地实现节能降耗目标。

3.3 不同朝向窗墙比对能耗造成的影响模拟研究

3.3.1 基于采光标准的最小窗墙比计算。对寒冷地区近零能耗居住建筑窗墙比进行节能优化前，应依照采光标准对不同朝向窗墙比要求进行综合考量，其中《住宅设计规范》（GB 50096—2011）明确指出起居室（厅）、居住建筑卧室、处方采光系数均需在1%以上，楼梯间进行采光窗设置时采光系数需在0.5%以上[6]。按照采光处平均采光系数在1%以上的标准来进行最小窗户尺寸计算，所用公式为：

Cb=WS+5f/100AT（1-T） （1）

式中：C為采光系数;W为窗洞面积;[S]为室内采光面积，主要受遮阳角θ系数影响;f为窗玻璃散热透射率;A为建筑所有室内总表面积;T为室内平均有效吸收率。

窗户面积计算公式为：

W=100ATC/（S+5）f（1-T） （2）

计算过程中，若C≥1%，S以全阴天室内无遮挡为标准，T依照室内表层明亮程度（暗、中、明亮）分别定作0.7、0.5与0.3，这里T取值为0.5，f依照窗玻璃可见光透射率90%来计算。

由式（1）能够进行窗户尺寸计算，并根据窗墙比定义对不同朝向最小窗墙比进行计算。通过计算得到严寒地区近零能耗居住建筑采光条件下最小窗墙比依次为：南向9.93%，东西向11.59%，北向10.66%。将该计算结果视作后期不同朝向窗墙比节能优化设计的参考，以保障结果的精准度。

3.3.2 不同朝向窗墙比的能耗模拟和优化选择。若要对此次提到的建筑模型不同朝向的窗墙比给予优化，应对供冷、供热、总能耗随窗墙比变动情况展开综合考量，并且不同朝向总能耗会因窗墙比的增大而逐渐升高[7]。同时，相较于供热能耗而言，供冷能耗的变化更突出。若东西向窗墙比为10%～15%，供热能耗提高，刚好和5%～10%的窗墙比彼此抵消，在这种情况下即便供冷能耗提升，但因每单位供冷能耗增量低，总能耗不会表现出显著变化。

若南向窗墙比为7.5%～17.5%，即便供热能耗高，但因每单位供冷能耗增量较低，故而总能耗平均每单位变化量也较小。不同能耗随北向窗墙比的增大不会产生显著改变，但无论是供冷、供热或总能耗均会因为北向窗墙比的增大而有所增加。天气寒冷地区近零能耗居住建筑窗墙比的排序为“东西向>南向>北向”，东西向11.59%～59%，南向9.93%～17.5%。当符合采光10.66%、通风性好的情况下，北向应取最小值。综上所述，在寒冷地区近零能耗居住建筑能耗受到窗墙比的影响大小排序为“东西向>南向>北向”。

4 结语

良好生态环境是当前社会在文明进步背景下追寻的目标，是最普惠的民生福祉。但我国经济发展水平的提升引起的环境污染问题越来越严重，各类电器设备（如空调、热水器等）的使用同样给环境带来了沉重负担，人们对舒适环境的追寻也更加迫切。改善生态人居环境，有利于实现低碳可持续乡村发展目标。

农村地区是国家乡村振兴战略的主要扶持对象，应对新农村人居环境进行合理的优化调整，本着因地制宜、以人为本的原则，做好村民房屋建设的规划设计，进而打造适宜的生态人居环境，确保低碳可持续乡村发展目标得以实现。经红外热像仪测试近零能耗居住建筑的外窗气密性，发现外窗的玻璃与边缘密实，不存在热桥缺陷，但窗框具有显著热桥缺陷，表明近零能耗居住建筑在外窗选择时除了重视玻璃传热系数，还需结合窗框、密封胶条传热系数进行整窗选择。

站在生态环境保护视角下进行零能耗追求的农民居住建筑优化设计，满足新农村建设理念和农民群众生活水平提升的要求，是积极响应国家生态环境保护的表现，有利于推动人民群众生产生活水平得到全面提高，保障整个社会的稳定和谐。

参考文献：

[1]何文芳，陈玉洁，王登甲，等.寒冷地区既有居住建筑室内热舒适分级研究：以西安为例[J].建筑科学，2019（10）：61-65.

[2]彭梦月，杨润芳，杨铭.我国近零能耗建筑推广模式、效果分析及政策建议[J].建设科技，2020（9）：9-14.

[3]余镇雨，路菲，邹瑜，等.基于模拟的多目标优化方法在近零能耗建筑性能优化设计中的应用[J].建筑科学，2019（10）：8-15.

[4]彭建明，赵周洋，彭晴.寒冷地区净零能耗建筑示范研究与实践：兰州新区中建大厦项目1#办公楼[J].建设科技，2020（12）：55-60.

[5]高彩凤，陈梦源，潘玉亮，等.寒冷气候区近零能耗公共建筑设计方法：以某展馆建筑为例[J].建筑科学，2020（4）：1-8.

[6]王训迪，任红梅，侯玉书.生态优先的新农村规划设计模式探究：以山东青岛即墨市龙泉乡为例[J].城市建筑，2017（2）：24-26.

[7]吴博.基于新型城镇化的陕西关中地区农村居住环境优化研究[J].中国农业资源与区划，2019（6）：70-77.

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