我国乡村民居建筑节能现状探究

文／李佳谣 内蒙古工业大学 硕士研究生

王 尚 内蒙古工业大学 硕士研究生

苏晓明 内蒙古工业大学 副教授（通讯作者）

引言

中国目前属于发展中国家，乡村在全国范围内分布较广。据国家统计局统计，乡村人口大约占全国总人口的50%以上[1]。相比城市地区的建筑，乡村地区民居建筑存在发展缓慢、滞后，乡村经济条件落后等问题，且民居建筑存在施工工艺简单、建筑材料有限、功能单一、节能效果差等特点，民居建筑节能研究有利于促进乡村的发展建设。

研究民居节能一般会从以下几个方面着手：室内热环境、围护结构的保温性能、被动式太阳能技术建筑等。节能主要是保证人们在室内舒适的环境下，减少能源的消耗。使用仪器收集数据，通过建筑的朝向、门窗密闭性、南北向的窗墙比、功能空间合理布置、民居构造技术、被动式技术、绿色建筑设备、可再生能源利用等方面优化民居节能设计。

随着十九大报告中提出“乡村振兴”，更多的学者着手研究乡村民居建筑节能。赵钦等人通过软件模拟研究了陕南地区乡村民居的室内热环境，利用被动式技术提高室内舒适度；桑国臣等人对宁夏中卫地区民居室内环境进行测评，利用太阳能技术提高冬季室内温度；刘艳峰等人对西北民居进行走访、问卷调查，为民居节能技术提供数据；刘盛等人在研究湘西民居时，使用模拟软件，通过正交试验设计对传统民居进行改造；闫海燕等人测量新旧建筑的室内外环境参数并进行分析，为新民居设计提供依据[2-5]。使用软件进行模拟测试，需要输入环境数据，测试单影响因素产生的节能影响，如果设置的环境数据、建筑数据与实际环境不完全吻合，会产生误差；如若只使用仪器测量室内外环境，用PMV-PPD评价法测评室内热舒适度，通过间接的方式评价民居节能，是达不到国家要求的标准的。本文通过总结上述研究，系统地介绍了目前研究乡村民居节能的方法，以期提供一些展望，为未来研究乡村建筑的节能提供借鉴。

1 乡村民居节能概况

近年来，城市化的推进促进了农村建设的蓬勃发展，居民大多数建起了砖混自建房。20%的民居由工程师设计建造，考虑了室内热舒适、采光、自然通风等等；80%的自建房在建设的过程中没有考虑过墙体的保温性能、开窗大小、太阳能使用、采光通风等因素。砖混自建房造价比生土建筑造价高很多，节能性能上的改善是微小的。在北方严寒地带的冬天，农村居民通常会以在炕内生火的形式加热房间温度，而建筑物防护构造的保温隔热特性不好、窗户尺寸不科学合理，是造成北部农村地区增加家庭能源费用的主要因素[6]；而在中国的夏热冬寒地带和南部的夏热冬暖地带面临着建筑物防护构造的保温隔热性和气密性较差以及供热、冷却空调系统效能不足等问题。乡村地区的民居节能情况不理想，需要我们持续关注。

2 民居建筑节能研究方法

2.1 软件模拟

2.1.1 研究对象

中国幅员辽阔，南北纬度长，东西跨度广，地理环境和自然环境丰富，气候多样。民居根据当地的自然条件，经过几百年形成了不同地域的特色民居。在北方，民居大多数位于寒冷、严寒地区，室内外温差大，主要的研究内容应是解决室内舒适度的问题；新疆、内蒙古、西藏等地区处于高原地区，太阳能资源丰富，室内热舒适、被动式太阳能技术应用是该地区的研究重点[7,8]。在南方，夏热冬暖地区夏季环境湿热、冬季湿冷，不同朝向的开窗尺寸、窗墙比、保温隔热、自然通风是研究的重点。在民居建筑节能的研究中，需要根据特定的地理环境、气候特征选取研究对象。

2.1.2 软件参数设定

DesignBuilder 是英国开发的分析软件，Ecotect 是Autodesk 开发的分析软件，EnergyPlus是美国能源部开发的软件，DeST-H 是清华大学开发的分析软件。选择研究对象后，设置相应的农村住宅建设模式，并设定该区域的经纬线、海拔高度、天气等标准数据，并确定外墙传热系数、顶棚传热系数、朝向、窗墙比、建筑材料的技术参数等，就可以分析出该模型的太阳辐射、遮阳、热力、照明等室内的热环境参数[9]。

2.1.3 数据分析

得到模拟数据之后，可进行单因素影响分析、多因素影响分析、正交试验分析。如前辈研究结论中，对康定地区传统民居采暖影响较大的因素分别是层高、朝向、屋顶构造、阳光间、南相窗墙比，而在拉萨地区新建民居采用深色玻璃，白天将玻璃全开的方式可有效提升室内温度。对于重庆地区新农村建设，通过动态能耗分析，得到其窗户的最佳设计是采用30mm厚膨胀聚苯板加LOW-E 中空玻璃[10-12]。

2.2 PMV-PPD 评价

2.2.1 测量仪器

（1）太阳辐射测量仪器，采用全天候辐射数据自记仪TBQ-2。

（2）空气温度测量仪，采用自记式温度计纽扣温湿度计TR-72wf、iButton。

（3）空气温湿度测试采用175-H1 型自记式高精度温湿度计。

（4）采用JTNT-C 型围护结构传热系数现场检测仪[13-15]。

2.2.2 PMV-PPD 评价

PMV-PPD 评价指标能直接反映出人在室内的热舒适度，是用来评价热舒适的一个指标。PMV（Predicted Mean Vote）能代表相同环境中大多数人平均的室内冷热感觉，PMV 是指预测平均投票数。PMV 有7 个等级：+3 热、+2温暖、+1 较温暖、0 适中、-1 较凉、-2 凉、-3冷，每一个程度对应一个数值，当室内热舒适度最佳时，PMV=0。我国农村地区的民居室内舒适度应该在-1 至+1 之间比较合适。

3 民居建筑节能策略研究

3.1 加强对建筑围护结构的节能

建筑围护结构的节能重点，是要增加建筑的墙面、窗户和顶棚等建筑围护结构的保温施工及隔热性能。

3.1.1 外墙

据南北方乡村民居建筑的围护结构能耗统计，外墙和屋顶的热量能耗达到了40%左右，因此，墙体的保温隔热性能对于建筑物采暖能耗的影响很大。目前通过设计节能保温外墙是比较常见的做法，常用的为外部保温和夹心保温，从造价和性能方面，优先选用外墙外保温技术，在民居建筑中最常用的保温材料是EPS板（可发性聚苯乙烯板），其导热系数小，较为轻质，易于施工。但还需要加强对新型墙体材料的研究。

3.1.2 门窗

玻璃窗是建筑物围护结构的主要构件。据统计，外窗的能源大约占建筑物总能源的50%。所以，门窗的节能措施在农村住宅建筑节能中十分重要。此外，农村住宅的建筑节能措施还必须从玻璃、门框、气体密闭等多方面考虑，可采用的主要措施有：（1）选用新型节能玻璃，以提高玻璃的保温措施及隔热性能，可选择中空玻璃，它们在隔音、隔热方面都具有良好的效果；（2）根据不同地区的气候选择合适的窗墙比；（3）减少使用推拉窗，优选平开窗可有效减少热量流失，窗框首选断桥铝合金门窗，气密性较好，能减少30%室内热量的散失。

3.1.3 屋面

屋面在围护结构中的耗能相比于外墙和门窗占比较小，约占能耗的10%。其节能的方法，主要是利用改善屋面层的热工特性抑制热能的传导。目前在屋面节能技术中，绿化屋面和覆土屋面可有效降低热岛强度，选择价格低廉的草本或蕨类植物铺设至屋面，可达到隔热降温的目的，同时具有美化屋面的作用。屋面材料要选择合适的保温材料，如聚乙烯版（EPS、XPS 板）、岩棉、膨胀珍珠棉等。

3.2 重视空调系统的节能

对于我国夏热冬冷地区和夏热冬暖地区的民居建筑来说，空调能耗约占总能耗的50%。因此，降低空调系统的能耗，发展空调系统的节能技术十分必要。目前我国空调节能技术有热能再回收技术、水源热泵技术、蓄冰空调技术和变频调速系统。水源热泵技术主要是利用地下水与空调冷却水间的温度进行调温，当夏季冷却水温度下降后即为房间的冷却，而冬季则从地下水中汲取热量为房间供暖，由于节能效果好，现在已被广泛应用。变频控制的节能技术主要是对制冷及空调系统实现智能管理，按照不同时期、不同条件相应调节空调系统的制冷量，让中央空调机械设备及控制系统以最合理的方案工作，从而提升中央空调机械设备的运转效能，并最大程度地减少运营能源。

3.3 强化照明系统的节能

通过前人对传统乡村民居调研发现，民居的照明系统还大量在使用荧光灯、金属卤化物灯等照明设备，这些光源因功率系数较低，需要通过加装无功补偿设备来保障照明系统的正常运行，不但消耗了大量的电能资源，还无端增加了成本。因此，照明节电已成为乡村民居节能的重要方面。而实行照明节能的措施主要有：（1）在建筑设计初期合理考虑窗墙比，充分利用自然光；（2）选择高效节能、照明系数高的灯具；（3）合理设计灯具的安装位置可以降低灯光功率，减少灯光散射。

3.4 提高再生能源技术的利用

因为我国再生能源资源极为充足，所以近年来我国新能源行业发展速度很快，可再生能源科技与装备的水平也明显提高，因而在我国乡村地区可大力开发利用太阳能、风能、地热能等，可在乡村推广采用太阳能热水器、太阳灶等。

结语

研究民居建筑节能有利于促进“乡村振兴”，有利于乡村地区合理地进行房屋自建，建筑节能合理减少能耗，优化建筑功能空间。本文收集了大量的资料，通过总结研究方法，发现未来需要提高北方地区的可再生能源技术的利用，充分将北方地区的太阳能、风能、地热能有效利用于建筑节能中。南方地区建筑需要注重环保建材的合理使用，多运用“乡土”建筑材料，并合理利用与当地民居建筑物相同的结构与构造，以充分发挥其物理上的特点，而乡土建筑材料则通常都具备低耗环保、耐火防水、隔热性能较好等优势，不仅绿色又生态，还能体现不同地区的特色建筑风貌。作者通过对乡村节能的研究，希望能为乡村节能建筑的建设提供参考依据。