山西原平地區傳統民居節能改造方法研究

康 志 涌

(山西省建筑設計研究院，山西 太原 030013)

山西原平地區傳統民居節能改造方法研究

康 志 涌

(山西省建筑設計研究院，山西 太原 030013)

以山西原平地區大營村傳統民居為例，通過對該地區民居建筑的能耗分析及研究，得出了該地區建筑能耗的特點，并提出了一種可行且經濟的住宅節能改造方法，以增加傳統民居的舒適度。

傳統民居，能耗分析，節能改造

建筑節能減排在當下已成為世界共同探索的課題。在既有建筑的節能改造方面，我國目前主要改造措施是在建筑表面增加節能保溫材料，以降低建筑能耗，提高能源的利用效率。

在我國現有建筑中，民居建筑面積約200億m2，占建筑總量的80%。其中北方民居約40億m2，每年用于北方地區采暖能耗達總能耗的20%。北方民居特別是傳統民居取暖能耗加劇了能源消耗總量，削減北方民居的取暖能耗成為遏制北方民居走低碳化道路的瓶頸。

我國北方寒冷地區月平均溫度為-10 ℃～0 ℃,累年日平均溫度不大于5 ℃的天數在90 d～145 d,屬采暖地區,這種特定的氣候條件使寒冷地區農村住宅對能源的依賴和需求程度很高。但現北方農村能源供應嚴重不足,農村住宅仍采用分散式采暖方式,多使用火炕、火墻和火爐等采暖設備,燃燒效率低,造成嚴重的環境污染和能源浪費。另外還有部分貧困農民因沒有足夠費用燒煤,冬季住宅內溫度較低,夜間室內溫度甚至在0 ℃以下,遠不達國家采暖標準的規定。現在農村住宅的圍護結構外墻、屋面和門窗等仍采用常規做法,保溫性能差,外墻和屋面傳熱系數大大超出建筑節能設計標準的限值,致使采暖能耗浪費嚴重,室內熱舒適性差。近幾年農村住宅圍護結構的熱工性能雖然有所改善,但總體保溫水平仍然偏低,滿足不了節能和舒適的需求。

缺乏節能意識，缺乏節能技術以及能源利用率低等成為寒冷地區農村住宅存在的節能問題。其中采用必要的節能技術、使用價格較低廉的建筑保溫材料同時結合Autodesk Ecotect Analysis軟件的應用來解決廣大北方地區傳統民居能耗較高的問題是本文所闡述的重點。

1 原平地區的地理位置及氣候特征

原平地處北緯38.75°，東經112.70°，海拔838 m，位于山西西北部，屬于中溫帶大陸性季風氣候。夏季主導風向為東南風，冬季主導風向為西北風。通過AUTODESK WEATHER TOOL軟件分析得出該地區的最佳朝向為南偏東20°。

2 原平地區傳統民居建筑的特點

原平地區傳統民居多以一進式院落圍合成的宅院為主，院與院相連成片，形成村落，建筑主體多以木構架作為受力構件，圍護結構多采用加草粘土作為外墻材料，墻體外層砌磚，內層抹灰。屋頂多采用單坡頂。

表面覆蓋清水瓦當，內部天花采用干草編制的草席。室內取暖多采用火炕的形式。建筑窗戶采用傳統的木質窗體，建國后多改造成為玻璃窗。

3 調研對象能耗分析

3.1 調研對象的地理位置及現狀

本次調研對象是原平大營村郭宅(見圖1)，該民居建于20世紀30年代～40年代，是一座由單坡頂建筑構成的院落，正房一間，耳房三間，廂房兩間，主體結構為木結構，圍護結構采用加草粘土，外層砌以青磚，此次調研的主要對象是院落主人居住的正房(圖示C房間)。原因在于該房間長期有人居住，功能布局相對較為完善，在當地具有一定的代表性，C房間內除電氣設備外，其他生活設施均為傳統設備，能夠較為真實地反映出傳統民居的能耗情況。C房間內還設有一個儲物間，儲物間不采暖，主要功能是存放食品及雜物。

3.2 調研對象耗熱量指標計算

此次調研的院落由于年代久遠，在當時并沒有相關的節能標準以供參考，所以，只能采用我國現行的《嚴寒和寒冷地區居住建筑節能設計標準》來對調研對象進行能耗計算，其目的旨在研究傳統民居建筑的能耗情況，得出相應的節能措施，一些計算數據不能夠嚴格按照規范中所要求的進行改造，因為對于有一定歷史年限的建筑用現行規范要求不免過于苛刻，無論從經濟造價還是從傳統建筑保護的角度來說都不適宜，研究目的旨在經濟可行的基礎之上提高房間的舒適度。

3.2.1 耗熱量指標計算

C房間位于A，B，D房間之間，因此相當于在東西墻體之間加設了較厚的空氣間層，所以其能耗情況基本可忽略不計，具體計算過程如下：

1)耗熱量指標計算公式參照《建筑物理》中關于圍護結構傳熱耗熱量計算方法，具體見式(1)：

(1)

其中，ti為室內計算溫度，18 ℃；te為采暖期室外平均溫度，-1.7 ℃;Ki為各部位圍護結構的傳熱系數；Fi為圍護結構的表面積。

原平地區居住建筑圍護結構傳熱系數的修正系數ε：

屋面：0.97，南墻：0.84，北墻：0.95，東墻：0.92，西墻：0.92。

外墻：寒冷(A)區不大于3層建筑外墻傳熱系數現值不大于0.45 W/(m2·K)。

當厚120 mm青磚+厚180 mm三合土組成的墻時，K=1.818 W/(m2·K)。

當厚120 mm青磚+厚330 mm三合土組成的墻時，K=1.320 W/(m2·K)。

屋面：傳熱系數限值不大于0.35 W/(m2·K)。

當200 mm厚木結構+10 mm厚青瓦時，K=0.63 W/(m2·K)。

外窗：傳熱系數限值不大于2.5 W/(m2·K)。

木制窗框+單層6 mm厚平板玻璃窗戶，K=4.7 W/(m2·K)。

戶門：傳熱系數限值不大于2.0 W/(m2·K)。

因建筑物戶門屬于采暖部分，故忽略不計。

2)圍護結構耗熱量指標計算。

a.傳熱量公式：

QHT=(ti-te)(∑εiKiFi)

(2)

ti-te=19.7 ℃。

b.計算C房間的能耗。

C房間處于A，B，D之間，此狀態下的C房間東、西墻相當于各加了一個空氣層，由于空氣層的厚度使得東、西墻的傳熱耗熱量忽略不計。

屋頂耗熱量：

Q屋頂=19.7×0.97×0.07×44.80=60.7 W。

外墻耗熱量：

Q南墻=19.7×0.84×1.28×19.56=414.31 W。

Q北墻=19.7×0.95×1.32×36.80=909.10 W。

外窗耗熱量：

Q南窗=19.7×0.34×4.7×7=220.36 W。

總傳熱耗熱量：Q總=1 549.77 W。

傳熱量耗熱指標：QH=40.3 W/m2。

空氣滲透耗熱量指標：QIHF=13.26 W/m2。

內部的熱指標：QIH=3.8 W/m2。

建筑圍護結構耗熱量指標Q=50.7 W/m2。

3.2.2 計算C房間冬季維持室內在18 ℃時所需的能量

將所得出的熱量轉化為標準煤的消耗量，現有以下換算關系：

1 J=1 W·s，1卡=4.2 J，1大卡=1 000卡。

每千克標準煤的熱值為7 000大卡，C房間總耗熱量：2 053.7 W=5.95×106大卡；換算成標煤：0.85 t。

3.2.3 耗煤量分析

經過調研，該院落一般只有C房間使用，通過詢問主人得知，房屋在冬季煤消耗量在1 t～1.5 t之間，比計算結果稍大，考慮到做飯及煤炭質量等因素，計算結果與實際結果基本相符。

3.2.4 計算結果分析

由計算結果看出，各項指標數據均超過規范要求，其中，外墻，尤其是北墻的能耗值最大，是改造的重點，窗戶的耗熱量也是主要的能耗之一，原有的窗戶形式應予以更換。

4 改造方法研究

4.1 改造過程中需解決的問題

1)傳統民居因其特殊的歷史價值在進行改造上存在著諸多問題。民居建筑本身代表了一個時代的建筑標志，其建筑造型及材質機理的運用對研究傳統建筑美學和建筑構造等相關學科有著重要的意義。因此，傳統建筑的改造原則應盡量保留其原有風貌及地域特色，盡可能的在建筑內部采取相關措施。2)由于地理位置和經濟條件的原因，原平大營地區的建筑外墻做法通常采取土坯墻外層砌磚的形式，其熱工性能大大降低。3)針對上述計算和分析結果，該民居的能耗主要表現在圍護結構上，尤其是北墻因其面積較大耗熱量最高。在計算過程中發現，圍護結構材料的導熱系數決定了材料的熱工性能的好壞，改造過程中保溫材料的選擇原則盡量以導熱系數較小并且廉價為主。

4.2 保溫材料的選擇

4.2.1 材料初選

考慮到保留建筑原有風貌，對建筑主體進行內保溫處理，因此，所選材料厚度盡量小，同時注意防潮防火。綜合以上進行材料初選，選擇膨脹珍珠巖，水泥膨脹珍珠巖砂漿，聚氨酯硬泡沫塑料板，聚苯乙烯泡沫塑料板等作為備選保溫材料。

1)膨脹珍珠巖。材料性能：導熱系數小，保溫性能好，但成顆粒狀，無法施工；價格低廉。

2)水泥膨脹珍珠巖砂漿。材料性能：導熱系數較小，保溫性能較好，0.05 m以上施工難度較大；價格低廉。

3)聚氨酯硬泡沫塑料板。材料性能：導熱系數小，保溫性能極佳，施工便捷，價格昂貴。

4)聚苯乙烯泡沫塑料板。材料性能：導熱系數小，保溫性能好，施工便捷，價格低廉，但不穩定，易燃。

4.2.2 具體做法

1)南墻風貌需保留，對其做內保溫。

由外而內依次為：粘土磚(120 mm)→加草粘土(180 mm)→聚苯乙烯泡沫塑料板(70 mm)→水泥膨脹珍珠巖砂漿(30 mm)→石灰抹面(10 mm)。

經計算，改造后的南墻傳熱系數值為0.42 W/(m2·K)，滿足規定值范圍。

2)由于北墻不對外，考慮到北墻緊鄰灶臺，故對其做外保溫。

由內而外順序為：加草粘土→粘土磚→聚苯乙烯泡沫塑料板→水泥膨脹珍珠巖砂漿→石灰抹面。

3)通過上述改造，房屋傳熱耗熱量指標為16.72 W/m2，完全滿足原平地區傳熱耗熱量指標的要求。

4.3 使用Autodesk Ecotect Analysis軟件對改造結果進行分析

模型參數設定后，使用熱工計算模式。將改造前后的模型分別進行計算得出相應結果，分析結果顯示，改造后的室內溫度較之前提高了1 ℃～2 ℃，測試結果證明，所采取的節能改造措施能夠有效的改善室內熱環境，增加冬季室內的熱舒適性。

5 結語

通過計算及軟件的分析證明了改造措施及方法的科學性，說明了傳統民居建筑節能改造是可以在經濟可行的基礎上有效開展進行的。傳統民居在我國仍然大量的存在，由于篇幅有限，本文僅對晉西北地區的民居建筑進行了調研分析，但是，從民居節能研究的方法上來看，此種研究模式是通用可行的。在此基礎之上可進一步展開傳統民居建筑保溫材料的性能研究。在世界倡導節能減排的大前提下，針對我國廣泛存在并且正在使用中的傳統民居建筑進行必要的節能改造，可以在很大范圍內減少國內碳排放量，提高能源的利用效率，為達到我國政府向國際社會提出的節能減排目標盡一份綿薄之力。

Research on energy saving transformation method of traditional houses in Shanxi Yuanping area

KANG Zhi-yong

(ShanxiArchitecturalDesignResearchInstitute,Taiyuan030013,China)

Taking the traditional houses in Daying Shanxi Yuanping area as an example, through the analysis and research on energy consumption of residential buildings in the area, gained the buildings energy consumption characteristics in the area and put forward a feasible and economical method to residential energy-saving transformation, so as to increase the comfort of traditional houses.

traditional houses, energy consumption analysis, energy saving transformation

1009-6825(2014)13-0212-03

2014-02-25

康志涌(1980- )，男，工程師

TU201.5

A