曹觀峰　肖瑞亞

摘 要：因經(jīng)濟的快速發(fā)展以及人類對資源的索取，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境原有平衡被打破，生物多樣性銳減，植被遭受破壞，水土流失嚴重，自然災(zāi)害頻繁，因此加強自然生態(tài)環(huán)境保護迫在眉睫。建筑業(yè)作為推進國家經(jīng)濟發(fā)展的支柱性產(chǎn)業(yè)，在倡導(dǎo)環(huán)境保護的今天，近零能耗建筑成為建筑領(lǐng)域追求的目標。要保證該目標得到實現(xiàn)，還需在選址、外圍護結(jié)構(gòu)、暖通空調(diào)、外窗等設(shè)計以及材料選擇等方面遵循低能耗、高能效、污染少與舒適性高等建造設(shè)計要求，盡可能把對環(huán)境造成的影響降到最低。為了對生態(tài)優(yōu)化視角下近零能耗農(nóng)村建筑有更全面的認識，以嚴寒地區(qū)的某棟建筑為例，基于外窗近零能耗優(yōu)化設(shè)計進行相關(guān)闡述。

關(guān)鍵詞：生態(tài)優(yōu)化;零能耗;農(nóng)村居住建筑;優(yōu)化設(shè)計

中圖分類號：TU201.5 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）25-0094-03

Optimal Design of Zero Energy Consumption Rural Residential Buildings Based on Ecological Optimization

CAO Guanfeng XIAO Ruiya

（Xinxiang Vocational and Technical College， Xinxiang Henan 453000）

Abstract： Due to the rapid economic development and the endless demand of human beings， the original balance of the ecological environment has been broken， the biodiversity has been drastically reduced， vegetation has been destroyed， soil erosion has been serious， and natural disasters have been frequent. Faced with this situation， it is urgent to carry out natural ecological protection. The construction industry is a pillar industry that promotes the country’s economic development. Under the environment of advocating environmental protection， near-zero energy consumption buildings have become the core goal pursued in the construction field. The design and material selection of HVAC， exterior windows， etc. follow the construction design requirements of low energy consumption， high energy efficiency， low pollution and high comfort， and minimize the impact on the environment as much as possible. In order to have a more comprehensive understanding of the near-zero energy consumption of rural buildings from the perspective of ecological optimization， this article takes a building in a severe cold area as an example， and makes relevant explanations based on the near-zero energy optimization design of exterior windows.

Keywords： ecological optimization;zero energy consumption;rural residential buildings;optimal design

關(guān)于《中共中央關(guān)于全面深化改革若干重大問題的決定》的說明中提到人山水林田湖是一個生命共同體，即人、山、水、林、田、湖相互之間存在著密切的聯(lián)系，構(gòu)成了共同生命體[1]。改革開放初期，我國部分區(qū)域忽視了對環(huán)境的保護，肆意地對環(huán)境進行破壞，圍湖造田、毀林開放的現(xiàn)象屢見不鮮。但是，隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，這種現(xiàn)象所帶來的弊端日益凸顯，加劇了荒漠化、水土流失的生態(tài)問題。為此，黨的十九大報告中提到，要像對待生命一樣對待生態(tài)環(huán)境，統(tǒng)籌山水林田湖草系統(tǒng)治理，可見國家對生態(tài)環(huán)境保護的重視。

與此同時，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部在2017年2月制定了《建筑節(jié)能與綠色建筑發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，提到我國建筑節(jié)能和綠色建筑發(fā)展仍存在諸多問題，如建筑節(jié)能標準要求相較于同等氣候條件的發(fā)達國家明顯偏低，標準執(zhí)行質(zhì)量存在差異，城鎮(zhèn)現(xiàn)有建筑里大概存在60%不節(jié)能建筑[2]，能源利用率偏低，居住舒適性不高，對生態(tài)環(huán)境造成了嚴重威脅。因此，農(nóng)村建筑規(guī)劃設(shè)計需遵循綠色生態(tài)理念，進行節(jié)能、節(jié)水、節(jié)地、節(jié)材的全方位環(huán)保工程打造，以達到改善生態(tài)環(huán)境、延長建筑物使用壽命、降低環(huán)境污染的效果，充分展現(xiàn)零能耗綠色生態(tài)建筑的可持續(xù)發(fā)展特點。這既滿足了時代發(fā)展要求，也是順應(yīng)國家進行綠色生態(tài)打造政策的表現(xiàn)[3]，因此對嚴寒地區(qū)某棟建筑的外窗近零能耗優(yōu)化設(shè)計展開研究很有必要。

1 零能耗建筑概述

零能耗建筑即不消耗常規(guī)能源，僅通過太陽能或多樣化可再生能源來滿足生活所需的建筑物。無論是生態(tài)建筑、節(jié)能建筑，還是綠色建筑，均有助于使二氧化碳排放量得到控制，減少對能源的使用，實現(xiàn)對環(huán)境的保護。零能源建筑并非近兩年才提出來的新概念[4]，加拿大、瑞士、德國等早已經(jīng)修建了不少的零能源建筑，泰國、日本、馬來西亞等國家也在該領(lǐng)域的探索中取得了一定成效。

2 嚴寒地區(qū)近零能耗農(nóng)村建筑基礎(chǔ)模型建構(gòu)

某近零能耗建筑是位于嚴寒地區(qū)的農(nóng)村建筑，屬于主體H型鋼結(jié)構(gòu)的平頂房，面積為302.4 m2，長、寬、高分別是18.0 m、8.4 m、6.9 m，建筑共兩層，沒有地下室，第一層底層層高為3.3 m，主要包括廚房、臥室、控制室、設(shè)備間及衛(wèi)生間等;第二層層高3.6 m，主要包括衛(wèi)生間、學(xué)習(xí)室以及其他功能室等。

3 建筑外窗熱工性能為能耗帶來的影響模擬分析

以外窗為例，通過EngeryPlus對建筑能耗進行模擬，并經(jīng)Google SketchUp建構(gòu)建筑的三維模型圖。

3.1 近零能耗居住建筑外窗選擇

《被動式超低能耗綠色建筑技術(shù)導(dǎo)則（試行）（居住建筑）》指出，嚴寒地帶近零能耗居住建筑外窗傳熱系數(shù)為0.7～1.2 W/（m2·K），但當前市面上所存在的傳熱系數(shù)在1.2 W/（m2·K）以下的外窗廠家并不多。通過市場調(diào)研與總結(jié)得出了5種外窗商品，如表1所示。

3.2 外窗能耗模擬和優(yōu)化選擇

將表1中5類外窗熱工參數(shù)錄至EnergyPlus展開能耗模擬，發(fā)現(xiàn)供熱能耗占主導(dǎo)地位，其次為供冷能耗。對供冷、供熱、總能耗展開分析，結(jié)果如圖1所示。供冷與供熱能耗屬于一個數(shù)量級，故而在主縱坐標軸進行設(shè)置，而總能耗的指標在次坐標軸進行設(shè)置。

依照上面給出的數(shù)據(jù)信息可得出，若外窗的傳熱系數(shù)在0.6～0.9 W/（m²·K），那么總能耗無顯著改變，但根據(jù)圖1的數(shù)據(jù)資料還可發(fā)現(xiàn)，傳熱系數(shù)處于0.6～0.9 W/（m·K）時總能耗無顯著改變。由表1可發(fā)現(xiàn)材料間價格存在一定差異，傳熱系數(shù)處于0.9～1.0 W/（m·K）時能耗變化最顯著，但價格差距不是特別大;傳熱系數(shù)處于1.0～1.1 W/（m·K）時能耗基本上無變化，價格差距相對偏小[5]。由此可得，傳熱系數(shù)處于0.9 W/（m·K）的B品牌PAS125類外窗經(jīng)濟性與節(jié)能性均滿足要求，故而此次建筑選擇的材料為B品牌PAS125。建議嚴寒地區(qū)零能耗居住建筑設(shè)計使用B品牌PAS125或其他參數(shù)接近的外窗類型，以更好地實現(xiàn)節(jié)能降耗目標。

3.3 不同朝向窗墻比對能耗造成的影響模擬研究

3.3.1 基于采光標準的最小窗墻比計算。對寒冷地區(qū)近零能耗居住建筑窗墻比進行節(jié)能優(yōu)化前，應(yīng)依照采光標準對不同朝向窗墻比要求進行綜合考量，其中《住宅設(shè)計規(guī)范》（GB 50096—2011）明確指出起居室（廳）、居住建筑臥室、處方采光系數(shù)均需在1%以上，樓梯間進行采光窗設(shè)置時采光系數(shù)需在0.5%以上[6]。按照采光處平均采光系數(shù)在1%以上的標準來進行最小窗戶尺寸計算，所用公式為：

Cb=WS+5f/100AT（1-T） （1）

式中：C為采光系數(shù);W為窗洞面積;[S]為室內(nèi)采光面積，主要受遮陽角θ系數(shù)影響;f為窗玻璃散熱透射率;A為建筑所有室內(nèi)總表面積;T為室內(nèi)平均有效吸收率。

窗戶面積計算公式為：

W=100ATC/（S+5）f（1-T） （2）

計算過程中，若C≥1%，S以全陰天室內(nèi)無遮擋為標準，T依照室內(nèi)表層明亮程度（暗、中、明亮）分別定作0.7、0.5與0.3，這里T取值為0.5，f依照窗玻璃可見光透射率90%來計算。

由式（1）能夠進行窗戶尺寸計算，并根據(jù)窗墻比定義對不同朝向最小窗墻比進行計算。通過計算得到嚴寒地區(qū)近零能耗居住建筑采光條件下最小窗墻比依次為：南向9.93%，東西向11.59%，北向10.66%。將該計算結(jié)果視作后期不同朝向窗墻比節(jié)能優(yōu)化設(shè)計的參考，以保障結(jié)果的精準度。

3.3.2 不同朝向窗墻比的能耗模擬和優(yōu)化選擇。若要對此次提到的建筑模型不同朝向的窗墻比給予優(yōu)化，應(yīng)對供冷、供熱、總能耗隨窗墻比變動情況展開綜合考量，并且不同朝向總能耗會因窗墻比的增大而逐漸升高[7]。同時，相較于供熱能耗而言，供冷能耗的變化更突出。若東西向窗墻比為10%～15%，供熱能耗提高，剛好和5%～10%的窗墻比彼此抵消，在這種情況下即便供冷能耗提升，但因每單位供冷能耗增量低，總能耗不會表現(xiàn)出顯著變化。

若南向窗墻比為7.5%～17.5%，即便供熱能耗高，但因每單位供冷能耗增量較低，故而總能耗平均每單位變化量也較小。不同能耗隨北向窗墻比的增大不會產(chǎn)生顯著改變，但無論是供冷、供熱或總能耗均會因為北向窗墻比的增大而有所增加。天氣寒冷地區(qū)近零能耗居住建筑窗墻比的排序為“東西向>南向>北向”，東西向11.59%～59%，南向9.93%～17.5%。當符合采光10.66%、通風(fēng)性好的情況下，北向應(yīng)取最小值。綜上所述，在寒冷地區(qū)近零能耗居住建筑能耗受到窗墻比的影響大小排序為“東西向>南向>北向”。

4 結(jié)語

良好生態(tài)環(huán)境是當前社會在文明進步背景下追尋的目標，是最普惠的民生福祉。但我國經(jīng)濟發(fā)展水平的提升引起的環(huán)境污染問題越來越嚴重，各類電器設(shè)備（如空調(diào)、熱水器等）的使用同樣給環(huán)境帶來了沉重負擔(dān)，人們對舒適環(huán)境的追尋也更加迫切。改善生態(tài)人居環(huán)境，有利于實現(xiàn)低碳可持續(xù)鄉(xiāng)村發(fā)展目標。

農(nóng)村地區(qū)是國家鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的主要扶持對象，應(yīng)對新農(nóng)村人居環(huán)境進行合理的優(yōu)化調(diào)整，本著因地制宜、以人為本的原則，做好村民房屋建設(shè)的規(guī)劃設(shè)計，進而打造適宜的生態(tài)人居環(huán)境，確保低碳可持續(xù)鄉(xiāng)村發(fā)展目標得以實現(xiàn)。經(jīng)紅外熱像儀測試近零能耗居住建筑的外窗氣密性，發(fā)現(xiàn)外窗的玻璃與邊緣密實，不存在熱橋缺陷，但窗框具有顯著熱橋缺陷，表明近零能耗居住建筑在外窗選擇時除了重視玻璃傳熱系數(shù)，還需結(jié)合窗框、密封膠條傳熱系數(shù)進行整窗選擇。

站在生態(tài)環(huán)境保護視角下進行零能耗追求的農(nóng)民居住建筑優(yōu)化設(shè)計，滿足新農(nóng)村建設(shè)理念和農(nóng)民群眾生活水平提升的要求，是積極響應(yīng)國家生態(tài)環(huán)境保護的表現(xiàn)，有利于推動人民群眾生產(chǎn)生活水平得到全面提高，保障整個社會的穩(wěn)定和諧。

參考文獻：

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