基于生態優化視角的零能耗農村居住建筑優化設計

曹觀峰　肖瑞亞

摘 要：因經濟的快速發展以及人類對資源的索取，導致生態環境原有平衡被打破，生物多樣性銳減，植被遭受破壞，水土流失嚴重，自然災害頻繁，因此加強自然生態環境保護迫在眉睫。建筑業作為推進國家經濟發展的支柱性產業，在倡導環境保護的今天，近零能耗建筑成為建筑領域追求的目標。要保證該目標得到實現，還需在選址、外圍護結構、暖通空調、外窗等設計以及材料選擇等方面遵循低能耗、高能效、污染少與舒適性高等建造設計要求，盡可能把對環境造成的影響降到最低。為了對生態優化視角下近零能耗農村建筑有更全面的認識，以嚴寒地區的某棟建筑為例，基于外窗近零能耗優化設計進行相關闡述。

關鍵詞：生態優化;零能耗;農村居住建筑;優化設計

中圖分類號：TU201.5 文獻標識碼：A 文章編號：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《中共中央關于全面深化改革若干重大問題的決定》的說明中提到人山水林田湖是一個生命共同體，即人、山、水、林、田、湖相互之間存在著密切的聯系，構成了共同生命體[1]。改革開放初期，我國部分區域忽視了對環境的保護，肆意地對環境進行破壞，圍湖造田、毀林開放的現象屢見不鮮。但是，隨著經濟社會的快速發展，這種現象所帶來的弊端日益凸顯，加劇了荒漠化、水土流失的生態問題。為此，黨的十九大報告中提到，要像對待生命一樣對待生態環境，統籌山水林田湖草系統治理，可見國家對生態環境保護的重視。

與此同時，住房和城鄉建設部在2017年2月制定了《建筑節能與綠色建筑發展“十三五”規劃》，提到我國建筑節能和綠色建筑發展仍存在諸多問題，如建筑節能標準要求相較于同等氣候條件的發達國家明顯偏低，標準執行質量存在差異，城鎮現有建筑里大概存在60%不節能建筑[2]，能源利用率偏低，居住舒適性不高，對生態環境造成了嚴重威脅。因此，農村建筑規劃設計需遵循綠色生態理念，進行節能、節水、節地、節材的全方位環保工程打造，以達到改善生態環境、延長建筑物使用壽命、降低環境污染的效果，充分展現零能耗綠色生態建筑的可持續發展特點。這既滿足了時代發展要求，也是順應國家進行綠色生態打造政策的表現[3]，因此對嚴寒地區某棟建筑的外窗近零能耗優化設計展開研究很有必要。

1 零能耗建筑概述

零能耗建筑即不消耗常規能源，僅通過太陽能或多樣化可再生能源來滿足生活所需的建筑物。無論是生態建筑、節能建筑，還是綠色建筑，均有助于使二氧化碳排放量得到控制，減少對能源的使用，實現對環境的保護。零能源建筑并非近兩年才提出來的新概念[4]，加拿大、瑞士、德國等早已經修建了不少的零能源建筑，泰國、日本、馬來西亞等國家也在該領域的探索中取得了一定成效。

2 嚴寒地區近零能耗農村建筑基礎模型建構

某近零能耗建筑是位于嚴寒地區的農村建筑，屬于主體H型鋼結構的平頂房，面積為302.4 m2，長、寬、高分別是18.0 m、8.4 m、6.9 m，建筑共兩層，沒有地下室，第一層底層層高為3.3 m，主要包括廚房、臥室、控制室、設備間及衛生間等;第二層層高3.6 m，主要包括衛生間、學習室以及其他功能室等。

3 建筑外窗熱工性能為能耗帶來的影響模擬分析

以外窗為例，通過EngeryPlus對建筑能耗進行模擬，并經Google SketchUp建構建筑的三維模型圖。

3.1 近零能耗居住建筑外窗選擇

《被動式超低能耗綠色建筑技術導則（試行）（居住建筑）》指出，嚴寒地帶近零能耗居住建筑外窗傳熱系數為0.7～1.2 W/（m2·K），但當前市面上所存在的傳熱系數在1.2 W/（m2·K）以下的外窗廠家并不多。通過市場調研與總結得出了5種外窗商品，如表1所示。

3.2 外窗能耗模擬和優化選擇

將表1中5類外窗熱工參數錄至EnergyPlus展開能耗模擬，發現供熱能耗占主導地位，其次為供冷能耗。對供冷、供熱、總能耗展開分析，結果如圖1所示。供冷與供熱能耗屬于一個數量級，故而在主縱坐標軸進行設置，而總能耗的指標在次坐標軸進行設置。

依照上面給出的數據信息可得出，若外窗的傳熱系數在0.6～0.9 W/（m²·K），那么總能耗無顯著改變，但根據圖1的數據資料還可發現，傳熱系數處于0.6～0.9 W/（m·K）時總能耗無顯著改變。由表1可發現材料間價格存在一定差異，傳熱系數處于0.9～1.0 W/（m·K）時能耗變化最顯著，但價格差距不是特別大;傳熱系數處于1.0～1.1 W/（m·K）時能耗基本上無變化，價格差距相對偏小[5]。由此可得，傳熱系數處于0.9 W/（m·K）的B品牌PAS125類外窗經濟性與節能性均滿足要求，故而此次建筑選擇的材料為B品牌PAS125。建議嚴寒地區零能耗居住建筑設計使用B品牌PAS125或其他參數接近的外窗類型，以更好地實現節能降耗目標。

3.3 不同朝向窗墻比對能耗造成的影響模擬研究

3.3.1 基于采光標準的最小窗墻比計算。對寒冷地區近零能耗居住建筑窗墻比進行節能優化前，應依照采光標準對不同朝向窗墻比要求進行綜合考量，其中《住宅設計規范》（GB 50096—2011）明確指出起居室（廳）、居住建筑臥室、處方采光系數均需在1%以上，樓梯間進行采光窗設置時采光系數需在0.5%以上[6]。按照采光處平均采光系數在1%以上的標準來進行最小窗戶尺寸計算，所用公式為：

Cb=WS+5f/100AT（1-T） （1）

式中：C為采光系數;W為窗洞面積;[S]為室內采光面積，主要受遮陽角θ系數影響;f為窗玻璃散熱透射率;A為建筑所有室內總表面積;T為室內平均有效吸收率。

窗戶面積計算公式為：

W=100ATC/（S+5）f（1-T） （2）

計算過程中，若C≥1%，S以全陰天室內無遮擋為標準，T依照室內表層明亮程度（暗、中、明亮）分別定作0.7、0.5與0.3，這里T取值為0.5，f依照窗玻璃可見光透射率90%來計算。

由式（1）能夠進行窗戶尺寸計算，并根據窗墻比定義對不同朝向最小窗墻比進行計算。通過計算得到嚴寒地區近零能耗居住建筑采光條件下最小窗墻比依次為：南向9.93%，東西向11.59%，北向10.66%。將該計算結果視作后期不同朝向窗墻比節能優化設計的參考，以保障結果的精準度。

3.3.2 不同朝向窗墻比的能耗模擬和優化選擇。若要對此次提到的建筑模型不同朝向的窗墻比給予優化，應對供冷、供熱、總能耗隨窗墻比變動情況展開綜合考量，并且不同朝向總能耗會因窗墻比的增大而逐漸升高[7]。同時，相較于供熱能耗而言，供冷能耗的變化更突出。若東西向窗墻比為10%～15%，供熱能耗提高，剛好和5%～10%的窗墻比彼此抵消，在這種情況下即便供冷能耗提升，但因每單位供冷能耗增量低，總能耗不會表現出顯著變化。

若南向窗墻比為7.5%～17.5%，即便供熱能耗高，但因每單位供冷能耗增量較低，故而總能耗平均每單位變化量也較小。不同能耗隨北向窗墻比的增大不會產生顯著改變，但無論是供冷、供熱或總能耗均會因為北向窗墻比的增大而有所增加。天氣寒冷地區近零能耗居住建筑窗墻比的排序為“東西向>南向>北向”，東西向11.59%～59%，南向9.93%～17.5%。當符合采光10.66%、通風性好的情況下，北向應取最小值。綜上所述，在寒冷地區近零能耗居住建筑能耗受到窗墻比的影響大小排序為“東西向>南向>北向”。

4 結語

良好生態環境是當前社會在文明進步背景下追尋的目標，是最普惠的民生福祉。但我國經濟發展水平的提升引起的環境污染問題越來越嚴重，各類電器設備（如空調、熱水器等）的使用同樣給環境帶來了沉重負擔，人們對舒適環境的追尋也更加迫切。改善生態人居環境，有利于實現低碳可持續鄉村發展目標。

農村地區是國家鄉村振興戰略的主要扶持對象，應對新農村人居環境進行合理的優化調整，本著因地制宜、以人為本的原則，做好村民房屋建設的規劃設計，進而打造適宜的生態人居環境，確保低碳可持續鄉村發展目標得以實現。經紅外熱像儀測試近零能耗居住建筑的外窗氣密性，發現外窗的玻璃與邊緣密實，不存在熱橋缺陷，但窗框具有顯著熱橋缺陷，表明近零能耗居住建筑在外窗選擇時除了重視玻璃傳熱系數，還需結合窗框、密封膠條傳熱系數進行整窗選擇。

站在生態環境保護視角下進行零能耗追求的農民居住建筑優化設計，滿足新農村建設理念和農民群眾生活水平提升的要求，是積極響應國家生態環境保護的表現，有利于推動人民群眾生產生活水平得到全面提高，保障整個社會的穩定和諧。

參考文獻：

[1]何文芳，陳玉潔，王登甲，等.寒冷地區既有居住建筑室內熱舒適分級研究：以西安為例[J].建筑科學，2019（10）：61-65.

[2]彭夢月，楊潤芳，楊銘.我國近零能耗建筑推廣模式、效果分析及政策建議[J].建設科技，2020（9）：9-14.

[3]余鎮雨，路菲，鄒瑜，等.基于模擬的多目標優化方法在近零能耗建筑性能優化設計中的應用[J].建筑科學，2019（10）：8-15.

[4]彭建明，趙周洋，彭晴.寒冷地區凈零能耗建筑示范研究與實踐：蘭州新區中建大廈項目1#辦公樓[J].建設科技，2020（12）：55-60.

[5]高彩鳳，陳夢源，潘玉亮，等.寒冷氣候區近零能耗公共建筑設計方法：以某展館建筑為例[J].建筑科學，2020（4）：1-8.

[6]王訓迪，任紅梅，侯玉書.生態優先的新農村規劃設計模式探究：以山東青島即墨市龍泉鄉為例[J].城市建筑，2017（2）：24-26.

[7]吳博.基于新型城鎮化的陜西關中地區農村居住環境優化研究[J].中國農業資源與區劃，2019（6）：70-77.

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