农村建筑系统低能耗方法研究——以陕西省礼泉县榆村为例_程卓然.pdf

居 舍视角研究1372023年3月（中）1 碳减排目标下的农村住宅建筑现状及发展要求1.1 我国农村住宅建筑现状及存在的问题近年来，农村地区人民生活水平逐渐提高，整体住房需求量不断上升。同时，国家对农村地区推行了相关的住房补助政策。随着时代发展，越来越多的农村住户选择扎根农村，发展地方特色经济。网络销售与自媒体平台的兴起，政府对于农产品的帮扶政策，也保证了农民的收入稳定性。多方面因素相结合促成农村整体经济效益稳步发展，农民收入得到提高。相对应的整体住房需求量不断上涨。2021年，我国农村住宅面积约230亿平方米，农村住宅建筑能耗占总建筑能耗的22%，而根据2021中国建筑能耗与碳排放研究报告，2019年全国建筑碳排放总量为49.97亿吨，占全国碳排放的29.97%，与过去对比，年平均增长5.92%，但人均消费量却远低于发达国家，因此我国住宅建筑的节能减排压力不断增大。伴随农村新建建筑的逐步增加，建造过程中由于生产和施工而产生的碳排放量也呈逐年递增趋势。除此之外，农户对于生活品质的追求不断上升，室内家电设备的需求增加，导致建筑运行方面的碳排放量也不断增加。2018年，我国农村住宅的碳排放量占总建筑运行碳排放的23%。因此，在国际能源形势紧张、双碳目标以及国家高速发展的背景下，农村地区的建筑节能问题具有很高的发展空间。省级建筑碳达峰形式评估显示，北方采暖地区碳排放总量是非采暖地区碳排放总量的四倍，且相关研究显示各省市人均建筑碳排放与气候区关系密切，而电力碳排放的省际差异又十分明显。而陕西作为北方采暖地区，在碳排放总量、供热碳排放量、人均碳排放量均位于全国平均水平，但在农村地区的建筑节能生态方面又存在很多不足，因此本文选择北方地区的陕西省礼泉县农村住宅建筑系统研究低耗能方法。1.2 农村住宅建筑高能耗原因及节能减排需求我国北方农村住宅的能耗整体较高主要由于以下几个方面：（1）我国北方农村在中国建筑热工设计分区中属于寒冷或严寒地区，但围护结构的保暖性能较差，且仍旧采用较为落后的采暖方式，如土炕下的烧火取暖等，燃料以煤为主，碳排放量大、能源利用率低。（2）农村住户缺少节能意识。在调研过程中通过问卷统计发现，大多数住户并没有节能的意识，在日常生活中也并不会特别注意资源的节约利用。（3）建筑大多为住户自行建造。经走访发现，在进行新房搭建时，通常是按照周围建筑形式及个人经验进行自行设计，缺少专业知识以及对于节能技术的运用。大多数住房在采光、通风上并未遵守建筑规范，且在功能上未将居住功能与农业生产功能用房进行合理布置，导致居住环境较差。因此，应当改善建筑围护结构性能，采用合适的办法发展北方农村住宅的采暖技术，并通过技术引入和创新，探究易于农村住户自行修建的低能耗生态住宅。1.3 节能减排目标下的可实施方法基于现状分析及需求，北方农村住宅在布局上应根据住户居住习惯进行重新布置，将住房和生产用房合理区分，以减少生产对于居住环境的影响；分析气候情况，进行围护结构的节能设计，在经济满足的情摘 要随着农村新建建筑的逐步增加，农户对于生活品质追求的不断上升，农村住宅碳排放量逐年增加，如何通过建筑系统的设计与规范实现低碳建设，并改善农村住户的生活质量成为重要问题。本文选择陕西咸阳礼泉县榆村作为研究对象，通过现场调研，风、热环境模拟，发现农村住宅建筑在应对环境以及节能减排方面的问题。最后提出在系统设计中的解决方法，希望能为陕西地区的农村住宅建筑系统设计提供参考。关键词农村住宅；系统设计；环境模拟中图分类号TU201.5 文献标识码A 文章编号1674-1900（2023）08-0137-04农村建筑系统低能耗方法研究以陕西省礼泉县榆村为例程卓然（北京交通大学，北京 100044）作者简介：程卓然（2001-），女，汉族，陕西西安人，本科，研究方向为绿色建筑。居 舍视角研究1382023年3月（中）况下选择合适的保温隔热措施；进行被动式节能设计并适当增加助于节能减排的技术，以满足农村住宅所需要的舒适性和经济性。2 礼泉县榆村住宅建筑现状2.1 建筑室外风、热环境分析礼泉县榆村位于关中平原中部，当地气候条件为暖温带大陆性季风气候。首先，本文运用 ladybug 对当地气候特征进行分析，如图1，图2。图1全年湿球温度图2全年干球温度由于数据原因，以西安的数据作参考，并结合相关资料可得，当地雨热同期，四季分明，夏季炎热多雨，冬季寒冷，春秋季有阴雨天气，年平均温度为12.96，年平均降水量为537546mm2，如图3，图4，图5，图6，图7。图3全年湿度 图4春季风玫瑰图 图5夏季风玫瑰图 图6秋季风玫瑰图 图7冬季风玫瑰图全年以东北风为主，风向上变化不大，年平均风速为1.8m/s。榆村的主要道路为五条东西方向的道路和六条南北方向的道路，房屋均沿东西方向道路依次排布，门向道路方向打开。建筑面宽78m，且大部分住宅建筑均为上下两层，长10m 以上，一层主要为厨房、大厅以及农具储藏空间，二层主要用作卧室。多户人家的建筑中间或后方有庭院，且建筑前后均有入口，分析选址为图中黄色区域，如图8，图9，图10。图8全年每日早8点至晚8点太阳及温度变化图图9全年每日早 8 点至晚8点太阳及湿度变化图图10日照分析图由于位置紧凑，每户住房的东西两侧均距相邻建筑过近，大部分甚至和相邻住宅仅有一墙之隔，因此采光方面只能依靠南北方向进行采光。而多数建筑的居 舍视角研究1392023年3月（中）后侧为通向庭院的大门，因此在不需要时会保持关闭状态。每户能够建房的场地均为南北向的长条形状，中间院落也并不能很好地满足建筑内部的采光需求，因此距道路较远的部分光照条件差。且由于东西向距离过小，通常不开窗，导致各户室内也无法满足很好的通风环境。2.2 建筑及建筑系统现状在对于村中整体建筑布局进行分析后，针对建筑单体进行现状分析。在人群方面，常住人口中，老年人占比较大，经济水平较低。对应功能上，室内中卧室利用率最高，餐厅利用率最低，因此大部分建筑内并无餐厅的设计。院子通常被用作就餐、晾晒衣服、食物的功能。在使用方面，老式农村住宅在布局上几十年中未有较大更新，即使在技术手段先进、能够改善舒适性的现阶段，在后期改造中仍旧延续了固有住宅的整体布局，如旱厕的更新方面在使用习惯与合理规划上有较大提高空间，尤其针对老年人的身体状况，需要考虑更多如距离与使用的便捷性，空间的合理性等因素。而村内的建筑中对此的重视度不够，因此使用极其不便。在功能布局方面，门房与正房合并，农具、三轮车、摩托车等农作用具堆积在门口的大厅位置，导致建筑中并无明显客厅。卧室等主要功能靠两侧布局，无法区分出明确的生产、生活空间。厕所位于院中，因此使用极其不便。在采光方面，由于建筑东西向并无开窗，因此前院正厅处光照最为充足。但室内主要功能空间的窗户向正厅打开，即均为黑房间，采光不足，且冬天温度最低，需要增强保温。通风方面，建筑仅靠道路一侧的窗户以及通往院落的大门进行通风，在大门关闭时无法提供良好的通风环境。围护结构方面，建筑外墙并未采用保温措施，多为370mm 或240mm 墙厚，用实心砖搭建而成，墙体传热系数大，保温性能不佳，导致冬天室内热环境较差。门、窗面积过大且使用的材料多为木质，气密性较差，易使建筑损失热量。屋面、地面也并未进行保温措施的考虑。供暖方面，以分散供暖为主，供暖设备落后，大多数采取燃烧煤的老旧方式进行供暖，导致能源利用率低，环境污染问题严重。热舒适性方面，农村住户全年的日间均习惯保持开窗开门，导致冬季室内温度较低，冷热感多为稍冷或很冷，且并无节能高效的采暖措施。而住户解决采暖费用高的办法是在冬季，一家人集中居住在同一间房屋，以此提高房间热利用率，但并不能真正解决节能需求，且不满足建筑以人为本的宗旨。3 礼泉县榆村住宅建筑系统改造方法3.1 建筑水系统改造方法在已有条件做新式卫生间的情况下，大多数村民由于约定俗成的习惯，保持在院内或院外建无水卫生间。但据观察，大多数无水卫生间并未对排污进行处理，仍旧采取在地下埋入贮粪池的方式处理排泄物，并不利于整体环境。因此，在尽量满足村民习惯的前提下，保留室外卫生间，将室内与室外卫生间的功能分为小便功能、大便功能，两个功能之间通过污水管相连，排泄物能够就近排入后院的三格式化粪池。既方便室内使用，又能够在一定程度上解决环境问题。而在污水的处理方面，由于农村每家都有大量用于储水的陶罐，在自来水畅通后被闲置，且陶土具有良好的耐久性和防腐性，因此可用作污水处理池。污水可通过前两缸进行厌氧处理，在第三缸中进行生态湿地处理。3.2 建筑暖通系统改造方法3.2.1 通风方式（1）自然通风不需要消耗其他能源，投资成本小，是改善农村住宅建筑通风情况最好的方式。由于建筑进深较大，且东西方向无法开窗，因此可采取开设天井的方式，在上空形成采光通风井，形成热压通风，改善大进深农村住宅的空气质量。考虑到冬季通风量越大，室内气温会越低，舒适度下降，因此，为平衡冬季室内温度与通风情况，可在外窗的开启扇上加气窗，在温度合适时只需要打开气窗。针对主要功能空间卧室，在对于卧室空气品质进行评价时，发现卧室的主要污染来源于秸秆燃烧，产生的主要污染物为一氧化碳、PM2.5，开两扇窗能够大幅降低二者的浓度，仅为开一扇窗时二者浓度的30%，且具有经济性。（2）北方具有较为丰富的太阳能资源，因此可通过在南向设置太阳能空气集热器的方式进行室内通风，室外的冷空气通过集热器的加热变为热空气进入室内，能够为室内提供室外新风并提供热量。研究表明，1.5m2的集热器每小时能够将60cm3的空气升温居 舍视角研究1402023年3月（中）20 30，是一种农村住宅建筑在冬季能够加装使用的成本低且能耗低的通风供暖方式。（3）利用太阳能资源，可在南墙表面涂深色选择性图层，并安装玻璃隔板，从而在二者之间形成空气间层，即设置太阳能通风墙。太阳辐射被表面吸收后，通过玻璃隔板的开口处进入间层，温度上升，空气上升后由墙体中的开口进入室内，形成室外冷空气预热后输入室内的作用。而夜晚无法吸收太阳辐射时，墙体表面温度下降，玻璃隔板和墙体的开口需要保持关闭状态，来达到夜间的保温效果。（4）针对厨房产生的烟气导致的室内污染，需要被及时排至室外，以减少室内的烟气颗粒以及丙酮气体对于人体健康的危害。在北方地区冬季供暖期间，为保证室内舒适温度，建筑通风量较小，农村住宅中需要安装抽油烟机来进行厨房排烟，改善因厨房油烟造成的空气污染。3.2.2 供暖方式（1）北方地区土壤中具有丰富的浅层地能资源，使用过程清洁环保，能够用于解决农村的供暖问题。只采用太阳能或地热能源进行供暖会产生负荷不平衡的问题，因此可以将太阳能供能和地源热泵系统相结合，产生稳定供暖且经济节能的作用。根据光照分析以及经济条件，在串联式、并联式、双源地源热泵中可采取并联式地源热泵系统。在太阳辐射充足时运用太阳能集热系统为建筑进行供暖，在太阳辐射达不到要求时，可开启地源热泵系统，通过提取地热能的方式给蓄热水箱提供充足热量，以达到系统运行稳定的效果。（2）为减少以燃烧煤的方式供暖而导致的能源浪费与环境污染，根据国家发展改革委、国家能源局、财政部对于我国北方地区冬季清洁取暖规划，可选取生物质能供暖的方式利用生物质原料和转化的燃料进行清洁燃烧供暖。我国农作物秸秆以及农产品加工剩余物每年可为能源化利用供给约4亿吨标煤，因此具有很好的资源条件。但针对农村经济水平较低的情况，根据2019-2020年对于试点城市清洁取暖的情况，目前这种方式的运行费用高于传统烧煤的取暖方式，因此还有较大的提升空间。（3）针对室内供暖末端系统，可选取地板辐射供暖系统，将热水作为热源，向室内均匀辐射散热。用这种方式进行供暖，具有热舒适度高、便于农村住宅内住户个体的装修及布置等优点，且系统高效节能，建造成本低，方便分区控制管理。（4）针对住户习惯使用的火炕也可进行改进。传统火炕采用燃烧的方式进行供暖，由于大量热量并未得到充分利用就被排出，导致能源浪费，且无法得到稳定的供暖。因此，结构上，传统火炕以炉灶作为热源，利用炕体散热，可将结构与清洁能源供暖相结合，将