草磚民居室內環境實測與優化研究

■ 徐旭東 XU Xudong 羅智星 LUO Zhixing

0 引言

佳木斯市位于黑龍江省東北部的三江平原腹地，被譽為“東方第一城”，冬季漫長而嚴寒。每年采暖期長達5～6個月，冬季環境溫度最低可達-30～-40℃。雖然城鎮化率逐年增長，但農村住宅的建設缺乏相應有針對性的節能規范和技術指導，嚴寒的氣候條件使農村對能源的依賴和需求程度更高，建筑節能的意義也更為重要。當地草磚民居建造于20世紀初，當時農村住宅節能工作還處于起步階段，有較大的提升空間[1]。

1 研究對象概況

1.1 草磚民居概況

草磚建筑的出現可追溯至19世紀在美國出現的秸稈壓制技術，起初是由于建材缺乏。20世紀七八十年代，由于其生態性能，再次吸引了人們的注意。這個時期，美國出現了相當數量的有關秸稈建筑興建的出版物[2]。

草磚建筑技術引入我國，是從1998年中國21世紀議程管理中心與安澤國際救援協會（ADRA）合作開始的。起初，從我國東北三省及內蒙古開展建設。2005年，以黑龍江省湯原縣為代表的中國節能草磚房項目榮獲“世界人居獎”。此后，草磚建筑自北向南，在山東、甘肅、新疆、河南等地區推廣。全國各地共建造了上千棟草磚建筑，包括農村住宅及農村學校。農作物秸稈在農村地區大量存在，但多被焚燒并未得到充分利用。將農作物秸稈壓制成草磚建造房屋，不僅可變廢為寶，還可大大改善墻體的保溫性能，降低建筑能耗[3]。2007年，哈爾濱市規劃局編制了《和諧·文明·宜居——哈爾濱市社會主義新農村住宅規劃建筑設計圖集》，倡導在哈爾濱地區推廣草磚房。

1.2 測試對象與方案

本次測試的房屋位于湯原縣郊興華村生態示范小區，該小區建于2002年，共32棟，屬于建造較早的草磚民居，其中25棟仍然有居民居住。建筑層高為3m，建筑以磚柱承重，草磚塊填充，外墻厚500mm，內墻厚120mm，室內使用面積42m2，取暖方式為炕和土暖氣，采暖期（11月1日～3月31日）耗煤量約2t。選擇一年中最冷的時間段進行測試（2017年1月16日～1月22日），測試期間，天氣均為晴朗或多云。測試內容包括室外太陽輻射、室內外空氣溫濕度、壁面溫度、室內顆粒物濃度及CO2濃度，其平面布局以及測點布置如圖1所示。

2 測試結果與分析

2.1 太陽輻射

圖2給出了1月17～20日太陽總輻射量的測試結果。由圖2可知，佳木斯地區冬季日出時間在7:00左右，然后太陽輻射逐漸增強，于11:30～12:00達到最大值（380W/m2），之后開始減弱，日落時間在16:00左右；1d的日照時間約9h，日平均輻射190W/m2。該地區多晴天少降水，具有太陽能利用條件，屬于太陽能資源可利用區。

2.2 室內外空氣溫度、壁面溫度

選擇測試期間平均溫度最低的2d進行分析。由圖3可以看出，室外最低溫度為出現在早晨6:00～7:00；最高溫度則出現在正午12:00前后，此時太陽輻射最強。室外日平均氣溫-17.9℃，日溫度波幅13.6℃。室內最高溫度25.3℃，最低11.2℃，日平均溫度17.7℃，高于嚴寒地區農村冬季室內溫度設計標準，滿足寒冷季節室內生活需要[4]。

室內4個房間以南向臥室溫度最高，僅在4:00～7:00稍低于北向燒炕臥室，日溫度波幅10.2℃；北臥室與廚房溫度接近，且溫度波動較小；堂屋僅在正午時分溫度較高，其余時刻由于人員出入，冷風滲透，溫度略低于其他房間。

壁面溫度測點均位于南向臥室，由圖4可知，僅在白天8:10～14:30，窗戶玻璃內表面溫度高于南墻內表面溫度，其余時段玻璃內表面溫度均低于墻體內表面溫度；夜晚，玻璃外表面溫度高出南墻外表面溫度11～16℃，散熱量較墻體要多。綜上可知，大面積的玻璃窗能夠在白天太陽輻射強的時段透過更多的陽光，但也是保溫薄弱的部位，給室內帶來相當大的熱負荷。

圖1 草磚民居平面及測點布置圖

圖2 太陽輻射變化曲線圖

2.3 室內顆粒物濃度

圖3 室內外空氣溫度變化曲線圖（1月19～21日）

圖4 壁面溫度變化曲線圖

圖5 室內顆粒物濃度變化曲線圖（1月18～20日）

長達近半年的燃煤取暖，使室內空氣顆粒物濃度一直處于超標狀態。圖5給出了1月18日凌晨5:00至1月20日凌晨5:00室內顆粒物濃度變化曲線，PM2.5與PM10濃度值變化基本同步。由圖5可知，在住戶早中晚生爐子取暖、做飯及午夜往爐中添煤時，由于通風不暢，顆粒物濃度迅速上升，之后緩慢下降。在測試的48h內，PM2.5平均濃度369.5μg/m3，超出國內標準4.9倍，超出WHO標準14.8倍；PM10平均濃度683.4μg/m3，超出國內標準4.6倍，超出WHO標準13.7倍。長期生活在如此顆粒物高濃度環境中，容易對人體產生危害。減少燃煤量，增加通風是降低室內顆粒物濃度的直接方式。

2.4 CO2濃度

與室內顆粒物濃度相同，燃煤取暖導致室內CO2濃度一直處于較高狀態。圖6給出了1月19日6:00至1月21日6:00室內CO2濃度的變化曲線，儀器記錄間隔為10min。從圖6可知，其最高濃度值為0.2253%，最低為0.0498%，24h平均濃度0.1138%，略高于國家標準規定的濃度限值[4]。

3 改造優化與模擬分析

3.1 窗墻面積比

通過現場調研發現，為了能夠讓更多的陽光進入室內，居民在建造房屋時多設置大窗戶，南向窗高多為1.8m，窗墻比為0.37左右，北向窗高多為1.5m以上，窗墻比為0.23～0.27。研究表明，北向窗墻面積比值與采暖能耗呈正線性相關[5]，外窗是傳熱最薄弱環節，因此，對于住宅北面，窗墻比越大能耗越高，同時為滿足室內采光要求，北向窗墻比調整為0.2為宜。

3.2 附加陽光間

東北嚴寒地區太陽能資源豐富，雨量小、晴天多，空氣質量好，太陽光線透過率高，且農村地區通常宅基地較大，住宅之間不會相互遮擋，具備利用太陽能的優勢[6]。附加陽光間是當地部分居民自發用木框架、塑料薄膜在房屋南向搭建的陽光間（圖7），是嚴寒地區利用太陽能的一種簡單有效的方式。這種簡單的方式在一定程度上能夠減少房屋表面的空氣對流，增加對太陽能的利用，從而減少取暖耗煤量，改善居住舒適度。對于入口設在南向的房屋，陽光間還能充當門斗的作用。

然而，“木框－薄膜”式陽光間，存在著耐久性差、氣密性差、變形嚴重等諸多弊端。隨著時間的推移，老舊的薄膜透光率越來越低，直射陽光甚至不能照射進室內；且薄膜與墻體、地面的連接處處理簡單，并不能有效防止冷風滲透。

圖6 CO2濃度變化曲線圖（1月19～21日）

圖7 當地“木框-薄膜”式陽光間

圖8 加蓋附加陽光間效果圖

在房屋南向加裝如圖8所示的可開閉塑鋼雙層玻璃陽光間，其耐久性、氣密性、美觀度將得到直接改善。冬季，可利用陽光間加熱內部空氣，適當打開門窗促進室內空氣循環，改善室內空氣質量；夏季將其打開，不影響室內通風。同時，還可供農民放置堆放雜物。

3.3 模擬參數設置

DesignBuilder是專門針對EnergyPlus而開發的用戶圖形界面軟件，包括了所有EnergyPlus的建筑構造和照明系統數據的輸入部分，可對建筑采暖、制冷、照明、通風、采光等進行全能耗模擬分析和經濟分析。

3.3.1 熱環境參數

《農村居住建筑節能設計標準》（GB/T 50824—2013）規定了嚴寒地區農村居住建筑臥室、起居室等主要功能房間的室內計算溫度應取14℃，計算換氣次數應取0.5h-1[4]。然而，實測草磚民居室內日平均溫度需達到17.7℃，方可滿足生活舒適要求。因此，在本案例中，采暖期室內計算溫度設置為18℃，采暖起始溫度為14℃，當溫度低于14℃時，啟動供暖系統進行供暖。

3.3.2 主要圍護結構參數

內外墻、門窗、地面、樓板等的主要圍護結構參數詳見表1。

3.3.3 內熱源參數設置

為研究建筑本身圍護結構對能耗的影響，室內空間的Activity參數，即室內電器功率、運行時間表、人員活動量，均選擇軟件內置參數文件Residential spaces。

3.4 模擬結果分析

表2為不同陽光間進深在取暖期（11月1日～3月31日）所需能耗與現有建筑（序號3）能耗對比。為方便農民放置雜物，陽光間進深參考《農村居住建筑節能設計標準》（GB/T 50824—2013），最小設置為1.2m，最大1.5m，高度2.8m。由表2可知，增加陽光間對建筑節能效果明顯，而窗墻比的調整對建筑能耗影響較小。

表1 主要圍護結構參數設置

表2 模擬能耗對比

4 結論

通過對東北農村典型草磚民居的實地調研，發現草磚房內部溫度雖然滿足生活要求，但其內部空氣質量問題仍待改善。根據當地的氣候特點、居民生活習慣和房屋現狀、經濟條件，我們提出了調整北向窗墻比及增加南向日光間的改造方式。

改造后的房屋熱工性能得到提高，不僅降低了取暖所需耗煤量，達到9.9%的節能率；而且借助陽光間促進室內通風，亦降低了室內各種污染物濃度，增加了居住的舒適性。這對節約當地居民采暖開支、緩解環境壓力起到一定的作用，具有推廣及進一步的研究價值；同時，也給嚴寒地區政府扶貧脫貧、改善民眾居住條件提供了思路，給未來新建民居及現有民居改造提供了具有實際意義的節能建議。