西北地區裝配式低能耗農村住宅設計研究

摘要：農村住宅的能源用量逐年增長，隨著鄉村振興戰略的提出，農村建筑的節能工作成為研究重點。西北地區多為嚴寒和寒冷地區，太陽能資源豐富，非常適宜太陽能住宅的發展。而裝配式建筑是一種新型建造方式，不僅能夠將傳統建筑業從分散落后的手工業生產方式轉變成基于現代技術的工業化生產方式，而且能夠提高施工效率，避免浪費施工材料。隨著低能耗建筑和建筑工業化被作為國家重點專項進行研究，低能耗裝配式建筑引領行業發展趨勢。低能耗建筑的重點在于優良的外圍護結構和可再生能源的利用，而標準化和模塊化是裝配式建筑的突出特點。基于以上幾個方面，文章以西安為例，從模塊化設計策略、被動式技術和太陽能利用這三個方面入手，深入研究西北農村地區的模塊化太陽房設計。首先，運用文獻調研方式，分析總結西安農村地區的住宅特征、功能需求、房間使用特征和采暖方式，得到戶型。其次，對太陽房進行模塊化空間設計。最后，以核心功能空間為研究對象優化設計太陽房的外圍護結構，“少規格、多組合”的模塊化空間布局和圍護部品集成設計，不僅可以滿足農村住宅的功能需求，而且可以充分利用太陽能，以低能耗為目標營造出舒適的室內熱環境。

關鍵詞：西北地區；農村住宅；低能耗建筑；裝配式建筑；太陽房

中圖分類號：TU241.4；TU201.5 文獻標識碼：A 文章編號：1004-9436（2023）17-0-03

0 引言

當今世界，能源與環境壓力、資源供需矛盾逐步加劇。20世紀初期以來，全球能源消耗以每年3%的速度遞增［1］。低能耗建筑通過自身被動式設計和可再生能源的利用，不僅降低了能耗，舒適的室內熱環境也可以大大減少碳排放量，所以發展低能耗建筑可以提升建筑業對實現“碳達峰、碳中和”目標的貢獻度。2014年，中共中央、國務院印發《國家新型城鎮化規劃（2014—2020年）》，明確大力推進建筑工業化進程［2］。2016年，國務院辦公廳印發《關于大力發展裝配式建筑的指導意見》，提出力爭用10年左右的時間，使新建裝配式建筑達到新建建筑面積的30%的目標［3］。2017年，住房和城鄉建設部印發《“十三五”裝配式建筑行動方案》，明確把全國分為不同的裝配式推進地區，設立示范城市、示范工程和裝配式建筑科技創新基地需要分別達到50個、500個和30個以上的目標，并表示重點發展、積極發展和鼓勵發展地區分別要達到20%、15%和10%以上的目標［4］。2017年3月，以“太陽能產業合作”為主題的第九屆亞洲太陽能論壇指出，中國將把太陽能等可再生能源的發展作為重點推進內容，發揮區域太陽能資源的優勢，緊抓能源轉型的新機遇［5］。西北地區面積廣闊，大部分屬于一、二類太陽能資源區，太陽能資源豐富，但利用效率低。西北地區應在建筑中廣泛推廣利用太陽能等可再生能源。

在裝配式建筑中利用太陽能方面，任剛等［6］提出了適合熱帶氣候的模塊化太陽能墻體的結構層組合形式、安裝節點及安裝效果，并定量研究了墻體的熱阻及傳熱系數，分析了墻體的隔熱性能。太陽能模塊化圍護結構的制冷能耗更低。郭清華等人［7］采用預制加氣混凝土板和聚苯板與傳統太陽墻復合，設計出了一種可在裝配式建筑中作為單元模塊使用的新型太陽能復合墻板，運用FLUENT軟件模擬了集熱板孔徑和孔距等因素對其熱工性能的影響，及其在冬季晴天和云天的集熱與保溫效果，夏季的利用效果。李恩等人［8］考慮了太陽輻射對不同朝向墻體的傳熱影響，計算得出室外太陽輻射條件下等效于現有傳熱系數限值的各朝向外墻傳熱系數限值，對拉薩市外墻保溫構造進行優化設計。

1 基于模塊化的裝配式低能耗建筑

結構系統、外圍護系統、設備與管線系統、內裝系統的主要部分采用預制部品部件集成的建筑，稱為裝配式建筑［9］。裝配式建筑包括砌塊建筑、骨架板材建筑、盒式建筑等。按照結構材料的不同，可分為混凝土結構、鋼結構和木結構裝配式建筑。相較于其他結構形式，裝配式混凝土結構因材料耐腐蝕，成本較低，更適宜在西北農村地區推廣使用。農村住宅平面簡單、規則、對稱，凹凸變化較少的特點符合裝配式建筑的標準化設計特點，并且農村住宅屬于中小型裝配式體系，整體建筑功能比較簡單，可以很好地運用新理念、新技術和新材料來設計低能耗的裝配式住宅。Cao等人［10］從取材、預制構件制造、運輸、施工過程和現場環境方面比較了位于北京的預制裝配式混凝土建筑與傳統混凝土建筑對環境的影響，得出裝配式建筑總能耗比傳統建筑減少了20.5%的結論。

通過設置被動式太陽房達成低能耗。被動式太陽房一般布置在正南向，是指利用自身的透明玻璃、空間形式和其他吸熱構件收集太陽輻射，之后在建筑中重新分配熱量，用于冬季采暖，并通過空間和構造保溫設計儲存熱量，實現保溫目的。被動式太陽房包括直接受益式、集熱蓄熱墻式、附加陽光間式這三種類型。裝配式復合墻結構體系由截面和配筋較小的鋼筋混凝土肋梁和肋柱形成肋格，其中填充加氣混凝土砌塊或其他保溫砌塊，增加抗剪和承重能力的同時，增強保溫性能，是一種新型的綠色工業化建筑結構體系［11］。

2 西北農村住宅現狀

2.1 室內熱環境較差

獨院農宅常見的建筑平面形式有矩形平面、“L”形平面、“一”字形平面、三合院平面、四合院式平面等［12］。測試溫濕度可以判定現運行建筑的實際熱工環境，分析建筑的運行情況。選取葛牌鎮一建造于2014年的具有代表性的二層住宅的臥室進行測試。在測試房間內，5個測點呈“田”字形布置，其中4個測點為避免陽光直射，布置在角落，中間測點用物品遮擋來自南向的光線，最后取5個測點的數據平均值。在室外溫度變化的情況下，室內溫度相對穩定，但溫度較低，濕度偏高。南向臥室的室內溫度最低值出現在8：00左右，為11.2℃，最高值出現在14：30左右，為13.8℃，相差2.6℃，室內溫度的平均值為12.2℃。總的來說，室外溫度波動大，室內平均溫度較低。西安農村住宅中有利用太陽能的潛力，提高太陽能在建筑中的利用率，將極大地改善室內熱環境。

2.2 太陽能在住宅中的利用率較低

當地居民在設計和使用房屋的過程中，并沒有考慮太陽能采暖和采光。2005年以前建造的住宅，窗戶狹小，即使是南向房屋，室內白天光環境和熱環境仍較差。且部分新建房屋的廚房設立在東側，緊挨南向房間，導致南向主臥冬季無法實現陽光直射。

2.3 過度依賴木柴資源

當地樹木資源豐富，居民冬季取暖和日常做飯都是以木柴為主要燃料，其次是燃煤，存在過度依賴木柴資源的問題。70歲以上的老人習慣于冬季用火炕取暖，而許多新建或者翻新后的房屋，基于火炕用柴量較大、不衛生、室內溫度分布不均且波動較大的特點，已經逐漸廢棄火炕，而是采用爐子取暖，并使用火爐做飯。但火爐采暖面積相對集中，提高火爐周圍的熱環境質量有限，冬季室內溫度并沒有達到理想

狀態。

2.4 住宅功能布局不明確

調查發現，農村的功能房間承擔的相應功能區分不明顯，如臥室承擔著招待客人的功能，甚至集臥室、客廳和餐廳功能于一體。早期的住宅都沒有設置餐廳、衛生間和淋浴室，一般在院子里吃飯。隨著經濟的發展和居民對舒適、方便設施條件的追求，農村少量新建住宅規劃了室內衛生間和室內淋浴室，但仍然存在功能空間位置和面積不合理的問題，如沒有設置車庫、廁所距離房間較遠等。

3 西北農村住宅問題解決策略

3.1 模塊化設計規范農宅

在設計西北農村住宅的過程中，從源頭進行模塊化設計。分析西北農村居民的居住行為習慣，根據規范和實際情況確定房間各個模塊的尺寸，根據家庭居住人口，組裝和拼接模塊。模塊化設計可以滿足居民的居住需求，標準化的裝配方式可以提升施工效率，保證住房質量。模塊是指有獨立功能，可獨立使用，也可互換使用的單元。它是裝配式建筑標準化設計中的基本單元，可以獨立設計和制造，也可以通過多種方式組合［13］。

相較于木結構和鋼結構，鋼筋混凝土結構因材料豐富，比較耐腐蝕，已成為主要的工業化建筑結構類型。預制混凝土結構主要分為三類：裝配式框架結構、裝配式框架-現澆剪力墻結構、裝配式剪力墻結構。裝配式框架結構由預制柱、預制梁、預制樓板和非承重墻組成，實現主要結構接近100%的預制化率，減少現場的濕作業，多適用于低層、多層建筑［14］。但其在裝配過程中，吊裝次數較多，接頭工作量大，突出的柱子也會給建筑平面布置和空間處理帶來困難，影響建筑空間的合理使用。預制剪力墻有利于實現住宅空間的靈活布置，根據裝配率高低，分為全預制和部分預制剪力墻結構。前者是指全部剪力墻采用預制構件拼裝裝配，但拼縫多為干連接，構造復雜、施工難度大。后者主要指外墻預制，節點等部分現場澆筑［15］。預制框架-剪力墻結構采用預制的梁和柱，節點的連接以濕作業為主，結構的適用高度和設計方法與現澆結構相同。綜上所述，選用預制剪力墻結構進行西北農村住宅的空間模塊化設計研究。

3.2 利用太陽能采暖

火炕因浪費木材和不衛生的特點，已逐漸被人們所拋棄。火爐具有可移動性，但采暖面積較小，放置火爐的房間也需要穿孔打洞，使排煙管道接到室內，影響美觀，且燃料多為煤和木柴，會耗費大量能源。隨著煤改氣政策的實施，農村開始使用天然氣做飯和取暖，但通過調研和居民反饋發現，由于天然氣價格較高，因此新安裝的暖氣片和地暖很少使用，冬季主要用空調取暖。西北地區擁有豐富的太陽能資源，利用附加陽光間取暖，干凈衛生。在設計時，要優化附加陽光間的進深和材料以及外墻的圍護結構，為室內營造舒適的熱環境。太陽房可以滿足西北地區的采暖需求，雖然會比一般住宅增加10%～15%的成本，但是全年可節約取暖燃料2/3以上。其他采暖方式可作為冬季采暖的輔助熱源。

集熱模塊是指由透明材料集熱構件或非透明材料集熱構件組成的，能夠大量吸收太陽能輻射的空間。附加陽光間作為整個太陽房的集熱模塊，對太陽房的熱環境和節能作用影響最大。因此，先選定建筑模型，探討集熱模塊的集熱效果和熱作用，然后探討特定集熱模塊下圍護部品的集成。附加陽光間大多在南向與主體建筑臨近布置，少量情況下可獨立布置在屋頂層。附加陽光間有坡屋面、曲屋面、平屋面等形式，因坡屋面集熱效果好，建造簡單，最適合在農村住宅中使用。

根據對集熱模塊和外圍護部品的熱工優化設計研究，得出附加陽光間進深為1500 mm，附加陽光間屋面材料為“6+12+6”的中空玻璃，東向墻體采用夾心保溫墻板，南向墻體為250 mm的植物纖維水泥復合板，西向墻體為外保溫墻板，臥室窗墻比為0.37、客廳窗墻比為0.4為最優組合設計方案。

4 結語

本文基于西北農村地區發展低能耗建筑和建筑工業化的背景，調研并總結了以西安為代表的農村住宅特征、功能需求、采暖特征等，結合西北地區豐富的太陽能資源、裝配式建筑節約資源、施工效率較高的優點，闡述了西北農村地區發展裝配式太陽房的必要性，以此對西北農村地區的低能耗裝配式住宅進行了設計研究。

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作者簡介：梁歡（1997—），女，重慶人，碩士在讀，研究方向：綠色建筑設計與節能。