西北地区装配式低能耗农村住宅设计研究

摘要：农村住宅的能源用量逐年增长，随着乡村振兴战略的提出，农村建筑的节能工作成为研究重点。西北地区多为严寒和寒冷地区，太阳能资源丰富，非常适宜太阳能住宅的发展。而装配式建筑是一种新型建造方式，不仅能够将传统建筑业从分散落后的手工业生产方式转变成基于现代技术的工业化生产方式，而且能够提高施工效率，避免浪费施工材料。随着低能耗建筑和建筑工业化被作为国家重点专项进行研究，低能耗装配式建筑引领行业发展趋势。低能耗建筑的重点在于优良的外围护结构和可再生能源的利用，而标准化和模块化是装配式建筑的突出特点。基于以上几个方面，文章以西安为例，从模块化设计策略、被动式技术和太阳能利用这三个方面入手，深入研究西北农村地区的模块化太阳房设计。首先，运用文献调研方式，分析总结西安农村地区的住宅特征、功能需求、房间使用特征和采暖方式，得到户型。其次，对太阳房进行模块化空间设计。最后，以核心功能空间为研究对象优化设计太阳房的外围护结构，“少规格、多组合”的模块化空间布局和围护部品集成设计，不仅可以满足农村住宅的功能需求，而且可以充分利用太阳能，以低能耗为目标营造出舒适的室内热环境。

关键词：西北地区；农村住宅；低能耗建筑；装配式建筑；太阳房

中图分类号：TU241.4；TU201.5 文献标识码：A 文章编号：1004-9436（2023）17-0-03

0 引言

当今世界，能源与环境压力、资源供需矛盾逐步加剧。20世纪初期以来，全球能源消耗以每年3%的速度递增［1］。低能耗建筑通过自身被动式设计和可再生能源的利用，不仅降低了能耗，舒适的室内热环境也可以大大减少碳排放量，所以发展低能耗建筑可以提升建筑业对实现“碳达峰、碳中和”目标的贡献度。2014年，中共中央、国务院印发《国家新型城镇化规划（2014—2020年）》，明确大力推进建筑工业化进程［2］。2016年，国务院办公厅印发《关于大力发展装配式建筑的指导意见》，提出力争用10年左右的时间，使新建装配式建筑达到新建建筑面积的30%的目标［3］。2017年，住房和城乡建设部印发《“十三五”装配式建筑行动方案》，明确把全国分为不同的装配式推进地区，设立示范城市、示范工程和装配式建筑科技创新基地需要分别达到50个、500个和30个以上的目标，并表示重点发展、积极发展和鼓励发展地区分别要达到20%、15%和10%以上的目标［4］。2017年3月，以“太阳能产业合作”为主题的第九届亚洲太阳能论坛指出，中国将把太阳能等可再生能源的发展作为重点推进内容，发挥区域太阳能资源的优势，紧抓能源转型的新机遇［5］。西北地区面积广阔，大部分属于一、二类太阳能资源区，太阳能资源丰富，但利用效率低。西北地区应在建筑中广泛推广利用太阳能等可再生能源。

在装配式建筑中利用太阳能方面，任刚等［6］提出了适合热带气候的模块化太阳能墙体的结构层组合形式、安装节点及安装效果，并定量研究了墙体的热阻及传热系数，分析了墙体的隔热性能。太阳能模块化围护结构的制冷能耗更低。郭清华等人［7］采用预制加气混凝土板和聚苯板与传统太阳墙复合，设计出了一种可在装配式建筑中作为单元模块使用的新型太阳能复合墙板，运用FLUENT软件模拟了集热板孔径和孔距等因素對其热工性能的影响，及其在冬季晴天和云天的集热与保温效果，夏季的利用效果。李恩等人［8］考虑了太阳辐射对不同朝向墙体的传热影响，计算得出室外太阳辐射条件下等效于现有传热系数限值的各朝向外墙传热系数限值，对拉萨市外墙保温构造进行优化设计。

1 基于模块化的装配式低能耗建筑

结构系统、外围护系统、设备与管线系统、内装系统的主要部分采用预制部品部件集成的建筑，称为装配式建筑［9］。装配式建筑包括砌块建筑、骨架板材建筑、盒式建筑等。按照结构材料的不同，可分为混凝土结构、钢结构和木结构装配式建筑。相较于其他结构形式，装配式混凝土结构因材料耐腐蚀，成本较低，更适宜在西北农村地区推广使用。农村住宅平面简单、规则、对称，凹凸变化较少的特点符合装配式建筑的标准化设计特点，并且农村住宅属于中小型装配式体系，整体建筑功能比较简单，可以很好地运用新理念、新技术和新材料来设计低能耗的装配式住宅。Cao等人［10］从取材、预制构件制造、运输、施工过程和现场环境方面比较了位于北京的预制装配式混凝土建筑与传统混凝土建筑对环境的影响，得出装配式建筑总能耗比传统建筑减少了20.5%的结论。

通过设置被动式太阳房达成低能耗。被动式太阳房一般布置在正南向，是指利用自身的透明玻璃、空间形式和其他吸热构件收集太阳辐射，之后在建筑中重新分配热量，用于冬季采暖，并通过空间和构造保温设计储存热量，实现保温目的。被动式太阳房包括直接受益式、集热蓄热墙式、附加阳光间式这三种类型。装配式复合墙结构体系由截面和配筋较小的钢筋混凝土肋梁和肋柱形成肋格，其中填充加气混凝土砌块或其他保温砌块，增加抗剪和承重能力的同时，增强保温性能，是一种新型的绿色工业化建筑结构体系［11］。

2 西北农村住宅现状

2.1 室内热环境较差

独院农宅常见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］。测试温湿度可以判定现运行建筑的实际热工环境，分析建筑的运行情况。选取葛牌镇一建造于2014年的具有代表性的二层住宅的卧室进行测试。在测试房间内，5个测点呈“田”字形布置，其中4个测点为避免阳光直射，布置在角落，中间测点用物品遮挡来自南向的光线，最后取5个测点的数据平均值。在室外温度变化的情况下，室内温度相对稳定，但温度较低，湿度偏高。南向卧室的室内温度最低值出现在8：00左右，为11.2℃，最高值出现在14：30左右，为13.8℃，相差2.6℃，室内温度的平均值为12.2℃。总的来说，室外温度波动大，室内平均温度较低。西安农村住宅中有利用太阳能的潜力，提高太阳能在建筑中的利用率，将极大地改善室内热环境。

2.2 太阳能在住宅中的利用率较低

当地居民在设计和使用房屋的过程中，并没有考虑太阳能采暖和采光。2005年以前建造的住宅，窗户狭小，即使是南向房屋，室内白天光环境和热环境仍较差。且部分新建房屋的厨房设立在东侧，紧挨南向房间，导致南向主卧冬季无法实现阳光直射。

2.3 过度依赖木柴资源

当地树木资源丰富，居民冬季取暖和日常做饭都是以木柴为主要燃料，其次是燃煤，存在过度依赖木柴资源的问题。70岁以上的老人习惯于冬季用火炕取暖，而许多新建或者翻新后的房屋，基于火炕用柴量较大、不卫生、室内温度分布不均且波动较大的特点，已经逐渐废弃火炕，而是采用炉子取暖，并使用火炉做饭。但火炉采暖面积相对集中，提高火炉周围的热环境质量有限，冬季室内温度并没有达到理想

状态。

2.4 住宅功能布局不明确

调查发现，农村的功能房间承担的相应功能区分不明显，如卧室承担着招待客人的功能，甚至集卧室、客厅和餐厅功能于一体。早期的住宅都没有设置餐厅、卫生间和淋浴室，一般在院子里吃饭。随着经济的发展和居民对舒适、方便设施条件的追求，农村少量新建住宅规划了室内卫生间和室内淋浴室，但仍然存在功能空间位置和面积不合理的问题，如没有设置车库、厕所距离房间较远等。

3 西北农村住宅问题解决策略

3.1 模块化设计规范农宅

在设计西北农村住宅的过程中，从源头进行模块化设计。分析西北农村居民的居住行为习惯，根据规范和实际情况确定房间各个模块的尺寸，根据家庭居住人口，组装和拼接模块。模块化设计可以满足居民的居住需求，标准化的装配方式可以提升施工效率，保证住房质量。模块是指有独立功能，可独立使用，也可互换使用的单元。它是装配式建筑标准化设计中的基本单元，可以独立设计和制造，也可以通过多种方式组合［13］。

相较于木结构和钢结构，钢筋混凝土结构因材料丰富，比较耐腐蚀，已成为主要的工业化建筑结构类型。预制混凝土结构主要分为三类：装配式框架结构、装配式框架-现浇剪力墙结构、装配式剪力墙结构。装配式框架结构由预制柱、预制梁、预制楼板和非承重墙组成，实现主要结构接近100%的预制化率，减少现场的湿作业，多适用于低层、多层建筑［14］。但其在装配过程中，吊装次数较多，接头工作量大，突出的柱子也会给建筑平面布置和空间处理带来困难，影响建筑空间的合理使用。预制剪力墙有利于实现住宅空间的灵活布置，根据装配率高低，分为全预制和部分预制剪力墙结构。前者是指全部剪力墙采用预制构件拼装装配，但拼缝多为干连接，构造复杂、施工难度大。后者主要指外墙预制，节点等部分现场浇筑［15］。预制框架-剪力墙结构采用预制的梁和柱，节点的连接以湿作业为主，结构的适用高度和设计方法与现浇结构相同。综上所述，选用预制剪力墙结构进行西北农村住宅的空间模块化设计研究。

3.2 利用太阳能采暖

火炕因浪费木材和不卫生的特点，已逐渐被人们所抛弃。火炉具有可移动性，但采暖面积较小，放置火炉的房间也需要穿孔打洞，使排烟管道接到室内，影响美观，且燃料多为煤和木柴，会耗费大量能源。随着煤改气政策的实施，农村开始使用天然气做饭和取暖，但通过调研和居民反馈发现，由于天然气价格较高，因此新安装的暖气片和地暖很少使用，冬季主要用空调取暖。西北地区拥有丰富的太阳能资源，利用附加阳光间取暖，干净卫生。在设计时，要优化附加阳光间的进深和材料以及外墙的围护结构，为室内营造舒适的热环境。太阳房可以满足西北地区的采暖需求，虽然会比一般住宅增加10%～15%的成本，但是全年可节约取暖燃料2/3以上。其他采暖方式可作为冬季采暖的辅助热源。

集热模块是指由透明材料集热构件或非透明材料集热构件组成的，能够大量吸收太阳能辐射的空间。附加阳光间作为整个太阳房的集热模块，对太阳房的热环境和节能作用影响最大。因此，先选定建筑模型，探讨集热模块的集热效果和热作用，然后探讨特定集热模块下围护部品的集成。附加阳光间大多在南向与主体建筑临近布置，少量情況下可独立布置在屋顶层。附加阳光间有坡屋面、曲屋面、平屋面等形式，因坡屋面集热效果好，建造简单，最适合在农村住宅中使用。

根据对集热模块和外围护部品的热工优化设计研究，得出附加阳光间进深为1500 mm，附加阳光间屋面材料为“6+12+6”的中空玻璃，东向墙体采用夹心保温墙板，南向墙体为250 mm的植物纤维水泥复合板，西向墙体为外保温墙板，卧室窗墙比为0.37、客厅窗墙比为0.4为最优组合设计方案。

4 结语

本文基于西北农村地区发展低能耗建筑和建筑工业化的背景，调研并总结了以西安为代表的农村住宅特征、功能需求、采暖特征等，结合西北地区丰富的太阳能资源、装配式建筑节约资源、施工效率较高的优点，阐述了西北农村地区发展装配式太阳房的必要性，以此对西北农村地区的低能耗装配式住宅进行了设计研究。

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作者简介：梁欢（1997—），女，重庆人，硕士在读，研究方向：绿色建筑设计与节能。