草砖民居室内环境实测与优化研究

■ 徐旭东 XU Xudong 罗智星 LUO Zhixing

0 引言

佳木斯市位于黑龙江省东北部的三江平原腹地，被誉为“东方第一城”，冬季漫长而严寒。每年采暖期长达5～6个月，冬季环境温度最低可达-30～-40℃。虽然城镇化率逐年增长，但农村住宅的建设缺乏相应有针对性的节能规范和技术指导，严寒的气候条件使农村对能源的依赖和需求程度更高，建筑节能的意义也更为重要。当地草砖民居建造于20世纪初，当时农村住宅节能工作还处于起步阶段，有较大的提升空间[1]。

1 研究对象概况

1.1 草砖民居概况

草砖建筑的出现可追溯至19世纪在美国出现的秸秆压制技术，起初是由于建材缺乏。20世纪七八十年代，由于其生态性能，再次吸引了人们的注意。这个时期，美国出现了相当数量的有关秸秆建筑兴建的出版物[2]。

草砖建筑技术引入我国，是从1998年中国21世纪议程管理中心与安泽国际救援协会（ADRA）合作开始的。起初，从我国东北三省及内蒙古开展建设。2005年，以黑龙江省汤原县为代表的中国节能草砖房项目荣获“世界人居奖”。此后，草砖建筑自北向南，在山东、甘肃、新疆、河南等地区推广。全国各地共建造了上千栋草砖建筑，包括农村住宅及农村学校。农作物秸秆在农村地区大量存在，但多被焚烧并未得到充分利用。将农作物秸秆压制成草砖建造房屋，不仅可变废为宝，还可大大改善墙体的保温性能，降低建筑能耗[3]。2007年，哈尔滨市规划局编制了《和谐·文明·宜居——哈尔滨市社会主义新农村住宅规划建筑设计图集》，倡导在哈尔滨地区推广草砖房。

1.2 测试对象与方案

本次测试的房屋位于汤原县郊兴华村生态示范小区，该小区建于2002年，共32栋，属于建造较早的草砖民居，其中25栋仍然有居民居住。建筑层高为3m，建筑以砖柱承重，草砖块填充，外墙厚500mm，内墙厚120mm，室内使用面积42m2，取暖方式为炕和土暖气，采暖期（11月1日～3月31日）耗煤量约2t。选择一年中最冷的时间段进行测试（2017年1月16日～1月22日），测试期间，天气均为晴朗或多云。测试内容包括室外太阳辐射、室内外空气温湿度、壁面温度、室内颗粒物浓度及CO2浓度，其平面布局以及测点布置如图1所示。

2 测试结果与分析

2.1 太阳辐射

图2给出了1月17～20日太阳总辐射量的测试结果。由图2可知，佳木斯地区冬季日出时间在7:00左右，然后太阳辐射逐渐增强，于11:30～12:00达到最大值（380W/m2），之后开始减弱，日落时间在16:00左右；1d的日照时间约9h，日平均辐射190W/m2。该地区多晴天少降水，具有太阳能利用条件，属于太阳能资源可利用区。

2.2 室内外空气温度、壁面温度

选择测试期间平均温度最低的2d进行分析。由图3可以看出，室外最低温度为出现在早晨6:00～7:00；最高温度则出现在正午12:00前后，此时太阳辐射最强。室外日平均气温-17.9℃，日温度波幅13.6℃。室内最高温度25.3℃，最低11.2℃，日平均温度17.7℃，高于严寒地区农村冬季室内温度设计标准，满足寒冷季节室内生活需要[4]。

室内4个房间以南向卧室温度最高，仅在4:00～7:00稍低于北向烧炕卧室，日温度波幅10.2℃；北卧室与厨房温度接近，且温度波动较小；堂屋仅在正午时分温度较高，其余时刻由于人员出入，冷风渗透，温度略低于其他房间。

壁面温度测点均位于南向卧室，由图4可知，仅在白天8:10～14:30，窗户玻璃内表面温度高于南墙内表面温度，其余时段玻璃内表面温度均低于墙体内表面温度；夜晚，玻璃外表面温度高出南墙外表面温度11～16℃，散热量较墙体要多。综上可知，大面积的玻璃窗能够在白天太阳辐射强的时段透过更多的阳光，但也是保温薄弱的部位，给室内带来相当大的热负荷。

图1 草砖民居平面及测点布置图

图2 太阳辐射变化曲线图

2.3 室内颗粒物浓度

图3 室内外空气温度变化曲线图（1月19～21日）

图4 壁面温度变化曲线图

图5 室内颗粒物浓度变化曲线图（1月18～20日）

长达近半年的燃煤取暖，使室内空气颗粒物浓度一直处于超标状态。图5给出了1月18日凌晨5:00至1月20日凌晨5:00室内颗粒物浓度变化曲线，PM2.5与PM10浓度值变化基本同步。由图5可知，在住户早中晚生炉子取暖、做饭及午夜往炉中添煤时，由于通风不畅，颗粒物浓度迅速上升，之后缓慢下降。在测试的48h内，PM2.5平均浓度369.5μg/m3，超出国内标准4.9倍，超出WHO标准14.8倍；PM10平均浓度683.4μg/m3，超出国内标准4.6倍，超出WHO标准13.7倍。长期生活在如此颗粒物高浓度环境中，容易对人体产生危害。减少燃煤量，增加通风是降低室内颗粒物浓度的直接方式。

2.4 CO2浓度

与室内颗粒物浓度相同，燃煤取暖导致室内CO2浓度一直处于较高状态。图6给出了1月19日6:00至1月21日6:00室内CO2浓度的变化曲线，仪器记录间隔为10min。从图6可知，其最高浓度值为0.2253%，最低为0.0498%，24h平均浓度0.1138%，略高于国家标准规定的浓度限值[4]。

3 改造优化与模拟分析

3.1 窗墙面积比

通过现场调研发现，为了能够让更多的阳光进入室内，居民在建造房屋时多设置大窗户，南向窗高多为1.8m，窗墙比为0.37左右，北向窗高多为1.5m以上，窗墙比为0.23～0.27。研究表明，北向窗墙面积比值与采暖能耗呈正线性相关[5]，外窗是传热最薄弱环节，因此，对于住宅北面，窗墙比越大能耗越高，同时为满足室内采光要求，北向窗墙比调整为0.2为宜。

3.2 附加阳光间

东北严寒地区太阳能资源丰富，雨量小、晴天多，空气质量好，太阳光线透过率高，且农村地区通常宅基地较大，住宅之间不会相互遮挡，具备利用太阳能的优势[6]。附加阳光间是当地部分居民自发用木框架、塑料薄膜在房屋南向搭建的阳光间（图7），是严寒地区利用太阳能的一种简单有效的方式。这种简单的方式在一定程度上能够减少房屋表面的空气对流，增加对太阳能的利用，从而减少取暖耗煤量，改善居住舒适度。对于入口设在南向的房屋，阳光间还能充当门斗的作用。

然而，“木框－薄膜”式阳光间，存在着耐久性差、气密性差、变形严重等诸多弊端。随着时间的推移，老旧的薄膜透光率越来越低，直射阳光甚至不能照射进室内；且薄膜与墙体、地面的连接处处理简单，并不能有效防止冷风渗透。

图6 CO2浓度变化曲线图（1月19～21日）

图7 当地“木框-薄膜”式阳光间

图8 加盖附加阳光间效果图

在房屋南向加装如图8所示的可开闭塑钢双层玻璃阳光间，其耐久性、气密性、美观度将得到直接改善。冬季，可利用阳光间加热内部空气，适当打开门窗促进室内空气循环，改善室内空气质量；夏季将其打开，不影响室内通风。同时，还可供农民放置堆放杂物。

3.3 模拟参数设置

DesignBuilder是专门针对EnergyPlus而开发的用户图形界面软件，包括了所有EnergyPlus的建筑构造和照明系统数据的输入部分，可对建筑采暖、制冷、照明、通风、采光等进行全能耗模拟分析和经济分析。

3.3.1 热环境参数

《农村居住建筑节能设计标准》（GB/T 50824—2013）规定了严寒地区农村居住建筑卧室、起居室等主要功能房间的室内计算温度应取14℃，计算换气次数应取0.5h-1[4]。然而，实测草砖民居室内日平均温度需达到17.7℃，方可满足生活舒适要求。因此，在本案例中，采暖期室内计算温度设置为18℃，采暖起始温度为14℃，当温度低于14℃时，启动供暖系统进行供暖。

3.3.2 主要围护结构参数

内外墙、门窗、地面、楼板等的主要围护结构参数详见表1。

3.3.3 内热源参数设置

为研究建筑本身围护结构对能耗的影响，室内空间的Activity参数，即室内电器功率、运行时间表、人员活动量，均选择软件内置参数文件Residential spaces。

3.4 模拟结果分析

表2为不同阳光间进深在取暖期（11月1日～3月31日）所需能耗与现有建筑（序号3）能耗对比。为方便农民放置杂物，阳光间进深参考《农村居住建筑节能设计标准》（GB/T 50824—2013），最小设置为1.2m，最大1.5m，高度2.8m。由表2可知，增加阳光间对建筑节能效果明显，而窗墙比的调整对建筑能耗影响较小。

表1 主要围护结构参数设置

表2 模拟能耗对比

4 结论

通过对东北农村典型草砖民居的实地调研，发现草砖房内部温度虽然满足生活要求，但其内部空气质量问题仍待改善。根据当地的气候特点、居民生活习惯和房屋现状、经济条件，我们提出了调整北向窗墙比及增加南向日光间的改造方式。

改造后的房屋热工性能得到提高，不仅降低了取暖所需耗煤量，达到9.9%的节能率；而且借助阳光间促进室内通风，亦降低了室内各种污染物浓度，增加了居住的舒适性。这对节约当地居民采暖开支、缓解环境压力起到一定的作用，具有推广及进一步的研究价值；同时，也给严寒地区政府扶贫脱贫、改善民众居住条件提供了思路，给未来新建民居及现有民居改造提供了具有实际意义的节能建议。