山西原平地区传统民居节能改造方法研究

康 志 涌

(山西省建筑设计研究院，山西 太原 030013)

山西原平地区传统民居节能改造方法研究

康 志 涌

(山西省建筑设计研究院，山西 太原 030013)

以山西原平地区大营村传统民居为例，通过对该地区民居建筑的能耗分析及研究，得出了该地区建筑能耗的特点，并提出了一种可行且经济的住宅节能改造方法，以增加传统民居的舒适度。

传统民居，能耗分析，节能改造

建筑节能减排在当下已成为世界共同探索的课题。在既有建筑的节能改造方面，我国目前主要改造措施是在建筑表面增加节能保温材料，以降低建筑能耗，提高能源的利用效率。

在我国现有建筑中，民居建筑面积约200亿m2，占建筑总量的80%。其中北方民居约40亿m2，每年用于北方地区采暖能耗达总能耗的20%。北方民居特别是传统民居取暖能耗加剧了能源消耗总量，削减北方民居的取暖能耗成为遏制北方民居走低碳化道路的瓶颈。

我国北方寒冷地区月平均温度为-10 ℃～0 ℃,累年日平均温度不大于5 ℃的天数在90 d～145 d,属采暖地区,这种特定的气候条件使寒冷地区农村住宅对能源的依赖和需求程度很高。但现北方农村能源供应严重不足,农村住宅仍采用分散式采暖方式,多使用火炕、火墙和火炉等采暖设备,燃烧效率低,造成严重的环境污染和能源浪费。另外还有部分贫困农民因没有足够费用烧煤,冬季住宅内温度较低,夜间室内温度甚至在0 ℃以下,远不达国家采暖标准的规定。现在农村住宅的围护结构外墙、屋面和门窗等仍采用常规做法,保温性能差,外墙和屋面传热系数大大超出建筑节能设计标准的限值,致使采暖能耗浪费严重,室内热舒适性差。近几年农村住宅围护结构的热工性能虽然有所改善,但总体保温水平仍然偏低,满足不了节能和舒适的需求。

缺乏节能意识，缺乏节能技术以及能源利用率低等成为寒冷地区农村住宅存在的节能问题。其中采用必要的节能技术、使用价格较低廉的建筑保温材料同时结合Autodesk Ecotect Analysis软件的应用来解决广大北方地区传统民居能耗较高的问题是本文所阐述的重点。

1 原平地区的地理位置及气候特征

原平地处北纬38.75°，东经112.70°，海拔838 m，位于山西西北部，属于中温带大陆性季风气候。夏季主导风向为东南风，冬季主导风向为西北风。通过AUTODESK WEATHER TOOL软件分析得出该地区的最佳朝向为南偏东20°。

2 原平地区传统民居建筑的特点

原平地区传统民居多以一进式院落围合成的宅院为主，院与院相连成片，形成村落，建筑主体多以木构架作为受力构件，围护结构多采用加草粘土作为外墙材料，墙体外层砌砖，内层抹灰。屋顶多采用单坡顶。

表面覆盖清水瓦当，内部天花采用干草编制的草席。室内取暖多采用火炕的形式。建筑窗户采用传统的木质窗体，建国后多改造成为玻璃窗。

3 调研对象能耗分析

3.1 调研对象的地理位置及现状

本次调研对象是原平大营村郭宅(见图1)，该民居建于20世纪30年代～40年代，是一座由单坡顶建筑构成的院落，正房一间，耳房三间，厢房两间，主体结构为木结构，围护结构采用加草粘土，外层砌以青砖，此次调研的主要对象是院落主人居住的正房(图示C房间)。原因在于该房间长期有人居住，功能布局相对较为完善，在当地具有一定的代表性，C房间内除电气设备外，其他生活设施均为传统设备，能够较为真实地反映出传统民居的能耗情况。C房间内还设有一个储物间，储物间不采暖，主要功能是存放食品及杂物。

3.2 调研对象耗热量指标计算

此次调研的院落由于年代久远，在当时并没有相关的节能标准以供参考，所以，只能采用我国现行的《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》来对调研对象进行能耗计算，其目的旨在研究传统民居建筑的能耗情况，得出相应的节能措施，一些计算数据不能够严格按照规范中所要求的进行改造，因为对于有一定历史年限的建筑用现行规范要求不免过于苛刻，无论从经济造价还是从传统建筑保护的角度来说都不适宜，研究目的旨在经济可行的基础之上提高房间的舒适度。

3.2.1 耗热量指标计算

C房间位于A，B，D房间之间，因此相当于在东西墙体之间加设了较厚的空气间层，所以其能耗情况基本可忽略不计，具体计算过程如下：

1)耗热量指标计算公式参照《建筑物理》中关于围护结构传热耗热量计算方法，具体见式(1)：

(1)

其中，ti为室内计算温度，18 ℃；te为采暖期室外平均温度，-1.7 ℃;Ki为各部位围护结构的传热系数；Fi为围护结构的表面积。

原平地区居住建筑围护结构传热系数的修正系数ε：

屋面：0.97，南墙：0.84，北墙：0.95，东墙：0.92，西墙：0.92。

外墙：寒冷(A)区不大于3层建筑外墙传热系数现值不大于0.45 W/(m2·K)。

当厚120 mm青砖+厚180 mm三合土组成的墙时，K=1.818 W/(m2·K)。

当厚120 mm青砖+厚330 mm三合土组成的墙时，K=1.320 W/(m2·K)。

屋面：传热系数限值不大于0.35 W/(m2·K)。

当200 mm厚木结构+10 mm厚青瓦时，K=0.63 W/(m2·K)。

外窗：传热系数限值不大于2.5 W/(m2·K)。

木制窗框+单层6 mm厚平板玻璃窗户，K=4.7 W/(m2·K)。

户门：传热系数限值不大于2.0 W/(m2·K)。

因建筑物户门属于采暖部分，故忽略不计。

2)围护结构耗热量指标计算。

a.传热量公式：

QHT=(ti-te)(∑εiKiFi)

(2)

ti-te=19.7 ℃。

b.计算C房间的能耗。

C房间处于A，B，D之间，此状态下的C房间东、西墙相当于各加了一个空气层，由于空气层的厚度使得东、西墙的传热耗热量忽略不计。

屋顶耗热量：

Q屋顶=19.7×0.97×0.07×44.80=60.7 W。

外墙耗热量：

Q南墙=19.7×0.84×1.28×19.56=414.31 W。

Q北墙=19.7×0.95×1.32×36.80=909.10 W。

外窗耗热量：

Q南窗=19.7×0.34×4.7×7=220.36 W。

总传热耗热量：Q总=1 549.77 W。

传热量耗热指标：QH=40.3 W/m2。

空气渗透耗热量指标：QIHF=13.26 W/m2。

内部的热指标：QIH=3.8 W/m2。

建筑围护结构耗热量指标Q=50.7 W/m2。

3.2.2 计算C房间冬季维持室内在18 ℃时所需的能量

将所得出的热量转化为标准煤的消耗量，现有以下换算关系：

1 J=1 W·s，1卡=4.2 J，1大卡=1 000卡。

每千克标准煤的热值为7 000大卡，C房间总耗热量：2 053.7 W=5.95×106大卡；换算成标煤：0.85 t。

3.2.3 耗煤量分析

经过调研，该院落一般只有C房间使用，通过询问主人得知，房屋在冬季煤消耗量在1 t～1.5 t之间，比计算结果稍大，考虑到做饭及煤炭质量等因素，计算结果与实际结果基本相符。

3.2.4 计算结果分析

由计算结果看出，各项指标数据均超过规范要求，其中，外墙，尤其是北墙的能耗值最大，是改造的重点，窗户的耗热量也是主要的能耗之一，原有的窗户形式应予以更换。

4 改造方法研究

4.1 改造过程中需解决的问题

1)传统民居因其特殊的历史价值在进行改造上存在着诸多问题。民居建筑本身代表了一个时代的建筑标志，其建筑造型及材质机理的运用对研究传统建筑美学和建筑构造等相关学科有着重要的意义。因此，传统建筑的改造原则应尽量保留其原有风貌及地域特色，尽可能的在建筑内部采取相关措施。2)由于地理位置和经济条件的原因，原平大营地区的建筑外墙做法通常采取土坯墙外层砌砖的形式，其热工性能大大降低。3)针对上述计算和分析结果，该民居的能耗主要表现在围护结构上，尤其是北墙因其面积较大耗热量最高。在计算过程中发现，围护结构材料的导热系数决定了材料的热工性能的好坏，改造过程中保温材料的选择原则尽量以导热系数较小并且廉价为主。

4.2 保温材料的选择

4.2.1 材料初选

考虑到保留建筑原有风貌，对建筑主体进行内保温处理，因此，所选材料厚度尽量小，同时注意防潮防火。综合以上进行材料初选，选择膨胀珍珠岩，水泥膨胀珍珠岩砂浆，聚氨酯硬泡沫塑料板，聚苯乙烯泡沫塑料板等作为备选保温材料。

1)膨胀珍珠岩。材料性能：导热系数小，保温性能好，但成颗粒状，无法施工；价格低廉。

2)水泥膨胀珍珠岩砂浆。材料性能：导热系数较小，保温性能较好，0.05 m以上施工难度较大；价格低廉。

3)聚氨酯硬泡沫塑料板。材料性能：导热系数小，保温性能极佳，施工便捷，价格昂贵。

4)聚苯乙烯泡沫塑料板。材料性能：导热系数小，保温性能好，施工便捷，价格低廉，但不稳定，易燃。

4.2.2 具体做法

1)南墙风貌需保留，对其做内保温。

由外而内依次为：粘土砖(120 mm)→加草粘土(180 mm)→聚苯乙烯泡沫塑料板(70 mm)→水泥膨胀珍珠岩砂浆(30 mm)→石灰抹面(10 mm)。

经计算，改造后的南墙传热系数值为0.42 W/(m2·K)，满足规定值范围。

2)由于北墙不对外，考虑到北墙紧邻灶台，故对其做外保温。

由内而外顺序为：加草粘土→粘土砖→聚苯乙烯泡沫塑料板→水泥膨胀珍珠岩砂浆→石灰抹面。

3)通过上述改造，房屋传热耗热量指标为16.72 W/m2，完全满足原平地区传热耗热量指标的要求。

4.3 使用Autodesk Ecotect Analysis软件对改造结果进行分析

模型参数设定后，使用热工计算模式。将改造前后的模型分别进行计算得出相应结果，分析结果显示，改造后的室内温度较之前提高了1 ℃～2 ℃，测试结果证明，所采取的节能改造措施能够有效的改善室内热环境，增加冬季室内的热舒适性。

5 结语

通过计算及软件的分析证明了改造措施及方法的科学性，说明了传统民居建筑节能改造是可以在经济可行的基础上有效开展进行的。传统民居在我国仍然大量的存在，由于篇幅有限，本文仅对晋西北地区的民居建筑进行了调研分析，但是，从民居节能研究的方法上来看，此种研究模式是通用可行的。在此基础之上可进一步展开传统民居建筑保温材料的性能研究。在世界倡导节能减排的大前提下，针对我国广泛存在并且正在使用中的传统民居建筑进行必要的节能改造，可以在很大范围内减少国内碳排放量，提高能源的利用效率，为达到我国政府向国际社会提出的节能减排目标尽一份绵薄之力。

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，工程师

TU201.5

A