甘肅傳統民居建筑節能改造研究

鄭英 王利利

摘要：基于甘肅靖遠縣傳統民居存在冬季室內氣溫低、能耗大、熱舒適性差的問題，從建筑設計、建筑構造2個角度進行分析，并提出改造方案。建筑設計方面：提出給建筑內部添加隔墻，將貫通的3個空間改造為3個較封閉的空間，降低建筑室內凈高，增設門斗，從而降低建筑室內空氣流通性。建筑構造設計方面：在外墻、屋頂、地面增設保溫材料，更換門窗，從而降低構件的傳熱系數。經過分析，改造前、后，典型建筑耗熱量指標分別為128.82W/m2，37.16W/m2，單位建筑面積空氣滲透耗熱量分別為13.57W/m2，7.07W/m2，建筑物耗煤量指標為55.83Kg/m2，16.11Kg/m2，改造效果明顯。

關鍵詞：傳統民居;建筑設計;建筑構造、節能

中圖法分類號：TU111.3

文獻標識碼：A

文章編號：1001-5922（2020）08-0041-05

Study on the Energy-saving Transformation of TraditionalResidential Buildings in Gansu Province

ZHENG Ying，WANG Li-li

（1.School of Civil Engineering，Shaanxi Polytechnic Institute，Xianyang Shaanxi 712000.China;2.Hangzhou Dongwang Electric Power Technology Co..Ltd..Hangzhou Zhejiang Hangzhou 311401.China）

Abstract ： Based on the problems of low indoor temperature，high energy consumption and poor thermal comfort intraditional residence in Jingyuan County，Gansu Province，this paper analyzes the problems from two aspects of ar-chitectural design and construction，and puts forward the renovation plan. In the aspect of architectural design，it isproposed to add partition walls to the intenor of the building， transform the three through spaces into three rela-tively closed spaces，reduce the clear height of the building interior，and add door buckets. so as to reduce the in-door air circulation of the building. In the aspect of architectural structure design，heat preservation materials areadded to the exterior wall.roof and ground，and doors and windows are replaced，so as to reduce the heat transfercoefficient of components. After analysis，before and after reconstruction.the heat consumption indexes of typicalbuildings are 128.82w/m2.37.16w/m2.the heat consumption of air infiltration per unit building area is 13.57w/m2.7.07w/m2.the coal（consumptlon indexes of buildings are 55.83kg/m2，16.11kg/m2，and the reconstruction effect isohvious.

Key words ： traditional residence;architectural design;architectural structure

0引言

近幾年，冬季霧霾嚴重，為了應對降塵減霾，農村實行無煤化，無煙化。傳統的燃燒農作物燒炕，燃煤取暖等方式，改為的電暖桌、空調、電油汀等用電設備取暖方式。這些改造方式屬于對取暖方式的改變，治標不治本，農村居住建筑的節能改造的根本在于建筑節能改造。針對嚴寒、寒冷地區農村居住建筑節能改造，很多研究者進行了研究。其中，邵騰等在《東北嚴寒地區農村住宅現狀分析及改進策略》一文，從建筑空間布局優化、圍護結構節能構造、采暖方式改進及被動式太陽能利用等方面提出實現建筑節能的設計思路及策略。[1]李剛等在《嚴寒地區農村住宅節能改造能耗模擬實驗》一文中指出：單框雙玻塑鋼窗、增設南向陽光間，以及增設屋面保溫層均可顯著降低能耗，相比基礎能耗，節能率分別為21.3%，18.5%.11.4%，全面節能改造方案為外墻附加80mm膨脹聚苯板，北向外窗更換為單框雙玻塑鋼窗，南向附加陽光間，屋面附加80mm擠塑聚苯板，相比基礎住宅，全面節能方案節能率高達52%，并可使基礎室溫提高5.5℃。[2]方蕾等在《嚴寒地區農村住宅保溫》一文中指出：采用保溫窗簾（板），可以將窗戶部位的傳熱系數由2.0W/（m2·K）降為1.24-1.73W/（m2·K）。[3]金虹等在《嚴寒地區低密度住宅節能設計策略》一文中指出：控制體形系數以減少住宅散熱，提高圍護結構的保溫性能，控制傳熱熱損失，控制對流熱損失。[4]

但是，以上研究只是針對嚴寒、寒冷地區農村居住建筑改造的常規研究，在居住建筑節能改造過程中，存在十里鄉俗不同，建筑風格不同，改造方案不同的問題，研究者必須明確改造對象，針對改造對象存在的具體問題，提出有針對性的改造措施和方案。

本課題以甘肅省白銀市靖遠縣烏蘭鎮傳統民居為研究對象，通過訪談、觀測等方式，對烏蘭鎮現有傳統民居冬季熱舒適性進行調查研究，優選一棟能代表當地建筑特色的典型建筑，選取冬季最冷月某一天，進行建筑室內、室外24h氣溫監測，比較測試溫度與規范規定溫度。研究者從建筑設計、建筑構造設計2個角度進行調查研究，針對具體問題提出具體改造方案，并借助斯維爾節能軟件計算出典型建筑改造前、后建筑能耗。

1建筑基本信息

烏蘭鎮位于甘肅省白銀市靖遠縣城東1km黃河南岸，總土地面積327.7km2。現轄12個村民委員會，88個村民小組，總人口65373人。年均降雨量203mm，年均氣溫9℃，全年無霜期197d。其采暖度日數HDD18為3087℃.d，室外平均氣溫為-3℃，根據民用建筑熱工分區，本地區屬于寒冷地區A區，采暖期為147d。[5][6]

1.1選取典型建筑

隨著經濟社會的發展，本地建筑逐漸采用磚混、鋼混等結構，但是，傳統的磚木結構建筑備受當地人喜愛。本次研究選取典型建筑，具體情況如下描述。建造年代為1995年;建筑布局為獨棟獨院，主體建筑為上房3間比鄰2間;建筑主體前側為院落，后、左、右均為馬路或通道;結構類型為磚木結構，北面墻為磚墻承重，南面墻為木柱支撐的框架結構，抬梁式木屋架，屋頂為木檁椽覆蓋小青瓦;建筑南北朝向，南面墻有門窗，東、西、北面都沒有門窗;門窗形式為木框鑲嵌玻璃，雙扇平開門，平開雙層木窗。

1.2檢測建筑空氣溫度

為獲取冬季最冷月具體氣溫值，研究組選取2018年1月17日進行24h氣溫檢測，測試點為室外空氣溫度、室內臥室區域空氣溫度。室內布置中，主臥室區域家具為床、衣柜、被褥等，照明設備為60W白熾燈，燃爐火熄滅狀態，室內沒有任何其它取暖設備。以上設置可以看出，室內測試氣溫為室內基礎溫度。此次測試中，建筑平面布局及測試點分布圖如圖1所示，氣溫檢測圖如圖2所示。

經測試，研究組發現室外全天氣溫均低于0℃，其中23：00-12：00（13h）氣溫均低于-10℃，僅有13：00-22：00（9h）氣溫在-10℃以上，最高氣溫為-4℃，出現在15：00左右，最低氣溫為-15.8℃出現在7：00左右;室內臥室區域氣溫23：00-14：00（15h）氣溫均低于O℃，約為-2℃，僅有14：00-19：00（5h）氣溫在0℃以上，最高氣溫為4℃，出現在16：00左右。

3存在問題及改造辦法

以上氣溫與規范規定的冬季農村室內空氣溫度14℃[7]相比，相差較遠。針對冬季典型建筑室內氣溫較低的現象，研究組分別從建筑設計，建筑構造2個角度進行詳細分析，指出存在問題，并提出改造方案。

3.1建筑設計角度

3.1.1體形系數分析及改造

1）情況分析：本次研究以典型建筑的3間上房為研究對象，開間9.9m，進深5m，北側層高5m，南側層高4m。經過計算，上房3間的建筑體形系數為0.72，不滿足規范規定0.3的要求[6]。

2）改造措施：研究者對比3間上房表面積發現西側第1間建筑表面積最大，降低建筑體形系數可以在西側第1間人手。研究者選擇在西側第1、2間之間設置隔墻，使西側第1間形成一個較為封閉的空間，其它2間作為一個空間單元，隔墻設置門，冬季門關閉，西側第1間與其它兩間之間不形成空氣流通。改造后，近似計算，西側第1間空間體形系數約為0.93，中部空間建筑系數為0.62，與原建筑0.72的體形系數相比，中部空間體形系數降低0.1。在冬季，使用者將西側第1間空間作為存儲等次要空間使用，將舒適性較好的中部空間安排為起居室和臥室。

3.1.2建筑開間分析及改造

1）情況分析：典型建筑在室內空間劃分沿襲傳統古建筑的傳統模式，上房3間布局中中間1間為廳，東側1間為臥室，西側1間為書房。室內各空間為貫通空間，空間之間沒有隔墻分隔，從而形成建筑內部開間9.9m的間距，超過了規范規定的開間6m[7]規定，冬季取暖效果很差。

2）改造措施：3個空間之間砌筑隔墻，形成3個較為獨立且封閉的空間，從而降低冬季室內空氣的流動性，增加室內熱量的保存。改造后的平面布置圖如圖3所示。

3.1.3建筑層高分析及改造

1）情況分析：典型建筑為單坡屋頂，北側墻高5m，南側墻高4m，室內頂部為開敞空間，沒有吊頂等裝修，室內凈高高出規范規定3m凈高[7]1m多。由于室內高度較高，室內容積較大，空氣上下氣流流通性強，熱量不易保存，對冬季室內取暖、節能等影響很大。

2）改造措施：距離屋頂1.5m的位置設置隔層，隔層部分采用結構強化處理，將原有的坡屋頂部分改造成閣樓。閣樓上設置上下開啟的通道門，冬季，使用者將通道門關閉，使室內主要使用空間于閣樓空間不流通。以上改造可將建筑層高壓低到室內凈高為3.5m的位置，降低室內建筑容積，減小換氣次數引起的能耗。研究者在開間改造中將建筑開間減小為3.3m，層高改造中將建筑凈高取為3.5m，室內空間的高寬比為1：1，滿足建筑室內空間比例舒適的要求。

3.1.4門的氣密性分析及改造。

1）情況分析：本地冬季風較大，氣溫寒冷，當地人冬季活動以戶外與戶內活動交錯為主，門啟閉次數較多，從而造成因為門啟閉引起的空氣換氣次數增大，嚴重影響能耗。

2）改造措施：增加門斗，作為緩沖層。具體做法為，在門口向外1.5m的位置，設置向外開啟的傳熱系數滿足規范要求的大門，與室外大門形成門斗，門斗是較好的冷氣緩沖空間，從而有效的改善入口冷熱交換量大的問題。[8]如圖4所示。

4建筑構造措施角度

4.1.1墻體傳熱系數分析及改造。

改造前墻體為240mm厚實心黏土磚墻（清水磚墻），傳熱系數為2.0W/（m2·K），傳熱系數較大。針對清水磚墻最簡單有效的改造方式是外墻加保溫。改造后墻體構造為10mm厚聚合物砂漿+90mm厚XPS保溫板+10厚聚合物砂漿+240min實心黏土磚，傳熱系數減小為0.48W/（m2·K）。

4.1.2屋頂傳熱系數分析及改造。

典型建筑屋頂穿梁式木構架形成的單坡屋頂，具體構造做法為，木屋架上架設木檁條，檁條上設置木椽，再加蘆葦，加粘土層，加小青瓦。其傳熱系數為2.0W/（m2·K）。其具體改造做法為，在隔層上部加設100mm厚XPS阻燃保溫板，從而隔層部分傳熱系數降低為0.5W/（m2·K）。[7]

4.1.3門窗傳熱系數、氣密性分析及改造。

典型建筑門窗為木門窗，木框上鑲嵌3mm單片玻璃。木窗為雙層窗，一層向內開啟，一層向外開啟，傳熱系數為2.5W/（m2·K）。門為單層實體木門，門扇上鑲嵌固定玻璃，傳熱系數為3.5W/（m2·K）。[9]

木材翹曲變形、啟閉縫隙等原因，促使門窗的縫隙較大，在冬季，使用者能明顯感覺到有冷氣滲透進入室內。其氣密性不滿足建筑外窗氣密性能分級表中的4級的要求[10]。

為了改善以上存在問題，研究組建議更換平開木窗為加密封墊的塑鋼窗或復合木窗，增大窗戶空氣間層的空間。窗的顏色、造型與改造前相近，達成與建筑整體風格匹配的效果。改造后雙層窗空氣間層大于60mm，傳熱系數為2.0W/（m2·K），氣密性滿足4級。更換單層實體木門為加密封墊的保溫木門，門的顏色、造型與改造前相近，達成與建筑整體風格匹配的效果。改造后門的傳熱系數為2.0W/（m2·K），氣密性滿足4級。[10]

方蕾等在《嚴寒地區農村住宅保溫》一文中指出：采用保溫窗簾（板），可以將窗戶部位的傳熱系數由2.0W/（m2·K）降為1.24-1.73W/（m2·K）。[3]借鑒以上研究結果，可在門窗上增設保溫簾，門簾全天懸掛，窗簾在夜間關閉，在白天需要采光時打開，從而降低室內熱能耗。

4.1.4地面熱阻較大，吸熱指數較高。

1）地面熱阻分析與改造。由于冬季室外空氣溫度、地表土壤溫度較低，甚至低于露點，大量的熱量通過外墻四周的地面、墻面以熱橋的形式耗散。典型建筑地面構造做法為10mm厚水磨石地面+60mm厚細石混凝土+100mm厚素土夯實。雖然滿足當地規范對地面傳熱系數的要求，但有效的降低地面傳熱系數能降低能耗，增加室內熱舒適性，而且水磨石地面的改造難度較低，破壞程度小，改造效果好。具體做法為：10mm厚水泥砂漿+100mm厚保溫砂漿+10imn厚水磨石地面+60mm厚細石混凝土+100mm厚素土夯實，傳熱系數可降低為0.25W/（m2·K）。

2）地面吸熱指數改變。地面飾面材料，不同材料的吸熱指數不同，帶給使用者的使用舒適性不同，如木地板B=10.5，水磨石地面的B=26.8，B值越大從人腳底吸收的熱量越多、越快。[11]典型建筑在臥室可優選木地板作為地面鋪設材料，從而減少地面從人體吸收的熱量，以增加使用者腳部的熱舒適感。

5改造前、后建筑能耗改造結果及分析

5.1改造結果

研究者應用斯維爾軟件對建筑改造前、后的建筑能耗進行計算，以《采暖居住建筑節能設計標準》（DB62/T25-3033-2006）、《民用建筑熱工設計規范》（GB50176）、《建筑外窗氣密性分級及檢測方法》（GB/T7107-2002）為依據，并參考《農村居住建筑節能設計標準》（GBIT 50824-2013）進行修正，通過計算，改造前后建筑能耗如表1所示，各圍護結構耗熱量比例如表2所示。

5.2改造結果分析

5.2.1耗熱量指標及耗煤量指標分析

經過以上改造，單位建筑面積圍護結構的傳耗熱量從119.04W/m2降低為33.89W/m2，單位建筑面積空氣滲透耗熱量從13.57W/m2降低為7.07W/m2，建筑物耗煤量指標從55.83kg/m2降低為16.11kg/m2，雖然沒有滿足規范規定的單位面積耗熱量指標，但建筑的耗熱量已經得到明顯改善？

5.2.2圍護結構耗熱量比例分析

從改造前耗熱量比例可以看出，耗熱量大小依次為，北側外墻32.52W/m2，屋頂26.3W/m2，西側外墻14.14W/m2，南側外墻13.31W/m2，周邊地面7.2W/m2，外門3.95W/m2，外窗2.76W/m2，非周邊地面1.06W/m2。所以，在同樣條件下，墻體改造中北側墻優先改造，西側次之，南側最后。屋頂為北側外墻之后。地面改造周邊地面改造優先。改造后，屋頂的耗熱量比例最大，其次外門，之后是北側南側外墻等。

6結語

基于甘肅靖遠縣傳統民居存在冬季室內氣溫低、能耗大、熱舒適性差的問題，研究者從建筑設計、建筑構造2個角度進行分析，并提出改造方案。

1）建筑設計方面：研究者提出給建筑內部添加隔墻，將貫通的3個空間改造為3個較封閉的空間，降低建筑室內凈高，增設門斗，從而降低建筑室內空氣流通性。

2）建筑構造設計方面：研究者提出在外墻、屋頂、地面增設保溫材料，更換門窗，從而降低構件的傳熱系數。

3）經過分析，改造前、后典型建筑耗熱量指標分別為128.82W/m2，37.16W/m2，單位建筑面積空氣滲透耗熱量分別為13.57W/m2，7.07W/m2，建筑物耗煤量指標為55.83kg/m2，16.11kg/m2，改造效果明顯。

參考文獻

[1]邵騰，金虹，趙麗華.東北嚴寒地區農村住宅現狀分析及改進策略[J].中國科技論文，2016（01）：12-16.

[2]李剛，馮國會，王麗，等.嚴寒地區農村住宅節能改造能耗模擬[J].沈陽建筑大學學報（自然科學版），2012（05）：884-890.

[3]方蕾，李桂文.方修睦，等.嚴寒地區農村住宅保溫窗簾的試驗分析[J].暖通空調，2012（06）：123-126.

[4]金虹，趙華.嚴寒地區低密度住宅節能設計策略[J].哈爾濱工業大學學報，2006（09）：1500-1503.

[5]中華人民共和國住房和城鄉建設部，中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.民用建筑熱工設計規范GB50176[S].北京：中國建筑工業出版社，2016.

[6]中華人民共和國住房和城鄉建設部，中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.采暖居住建筑節能設計標準：DB62/T25-3033-2006[S].北京：中國建筑工業出版社.2006.

[7]中華人民共和國住房和城鄉建設部，中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.農村居住建筑節能設計標準：GB/T 50824-2013[S].北京：中國建筑工業出版社.2013.

[8]鄭英.農村居住建筑氣密性研究[J].建筑節能，2019（10）：126-131.

[9]李守巨.建筑節能常用數據速查手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，2012.

[10]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.建筑外門窗氣密、水密、抗風壓性能分級及檢測方法：GB_T 7106-2008[S].北京：中國建筑工業出版社，2008.

[11]劉加平.建筑物理[M].北京：中國建筑工業出版社（第四版），2014：34-37.

收稿日期：2020-01-06

作者簡介：鄭英（1980-），女，碩士學位，講師，研究方向：建筑設計與節能。