摘要：農(nóng)村住宅的能源用量逐年增長，隨著鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的提出，農(nóng)村建筑的節(jié)能工作成為研究重點。西北地區(qū)多為嚴寒和寒冷地區(qū)，太陽能資源豐富，非常適宜太陽能住宅的發(fā)展。而裝配式建筑是一種新型建造方式，不僅能夠將傳統(tǒng)建筑業(yè)從分散落后的手工業(yè)生產(chǎn)方式轉變成基于現(xiàn)代技術的工業(yè)化生產(chǎn)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(yè)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(yè)發(fā)展趨勢。低能耗建筑的重點在于優(yōu)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(nóng)村地區(qū)的模塊化太陽房設計。首先，運用文獻調(diào)研方式，分析總結西安農(nóng)村地區(qū)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(yōu)化設計太陽房的外圍護結構，“少規(guī)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(nóng)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(nèi)熱環(huán)境。

關鍵詞：西北地區(qū)；農(nóng)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(huán)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(nèi)熱環(huán)境也可以大大減少碳排放量，所以發(fā)展低能耗建筑可以提升建筑業(yè)對實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”目標的貢獻度。2014年，中共中央、國務院印發(fā)《國家新型城鎮(zhèn)化規(guī)劃（2014—2020年）》，明確大力推進建筑工業(yè)化進程［2］。2016年，國務院辦公廳印發(fā)《關于大力發(fā)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(xiāng)建設部印發(fā)《“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(qū)，設立示范城市、示范工程和裝配式建筑科技創(chuàng)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(fā)展、積極發(fā)展和鼓勵發(fā)展地區(qū)分別要達到20%、15%和10%以上的目標［4］。2017年3月，以“太陽能產(chǎn)業(yè)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(fā)展作為重點推進內(nèi)容，發(fā)揮區(qū)域太陽能資源的優(yōu)勢，緊抓能源轉型的新機遇［5］。西北地區(qū)面積廣闊，大部分屬于一、二類太陽能資源區(qū)，太陽能資源豐富，但利用效率低。西北地區(qū)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(jié)點及安裝效果，并定量研究了墻體的熱阻及傳熱系數(shù)，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(tǒng)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(xiàn)有傳熱系數(shù)限值的各朝向外墻傳熱系數(shù)限值，對拉薩市外墻保溫構造進行優(yōu)化設計。

1 基于模塊化的裝配式低能耗建筑

結構系統(tǒng)、外圍護系統(tǒng)、設備與管線系統(tǒng)、內(nèi)裝系統(tǒng)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(nóng)村地區(qū)推廣使用。農(nóng)村住宅平面簡單、規(guī)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(nóng)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(xiàn)場環(huán)境方面比較了位于北京的預制裝配式混凝土建筑與傳統(tǒng)混凝土建筑對環(huán)境的影響，得出裝配式建筑總能耗比傳統(tǒng)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(xiàn)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(yè)化建筑結構體系［11］。

2 西北農(nóng)村住宅現(xiàn)狀

2.1 室內(nèi)熱環(huán)境較差

獨院農(nóng)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(xiàn)運行建筑的實際熱工環(huán)境，分析建筑的運行情況。選取葛牌鎮(zhèn)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(nèi)，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(shù)據(jù)平均值。在室外溫度變化的情況下，室內(nèi)溫度相對穩(wěn)定，但溫度較低，濕度偏高。南向臥室的室內(nèi)溫度最低值出現(xiàn)在8：00左右，為11.2℃，最高值出現(xiàn)在14：30左右，為13.8℃，相差2.6℃，室內(nèi)溫度的平均值為12.2℃。總的來說，室外溫度波動大，室內(nèi)平均溫度較低。西安農(nóng)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(nèi)熱環(huán)境。

2.2 太陽能在住宅中的利用率較低

當?shù)鼐用裨谠O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(nèi)白天光環(huán)境和熱環(huán)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(xiàn)陽光直射。

2.3 過度依賴木柴資源

當?shù)貥淠举Y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(wèi)生、室內(nèi)溫度分布不均且波動較大的特點，已經(jīng)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(huán)境質(zhì)量有限，冬季室內(nèi)溫度并沒有達到理想

狀態(tài)。

2.4 住宅功能布局不明確

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，農(nóng)村的功能房間承擔的相應功能區(qū)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(wèi)生間和淋浴室，一般在院子里吃飯。隨著經(jīng)濟的發(fā)展和居民對舒適、方便設施條件的追求，農(nóng)村少量新建住宅規(guī)劃了室內(nèi)衛(wèi)生間和室內(nèi)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(nóng)村住宅問題解決策略

3.1 模塊化設計規(guī)范農(nóng)宅

在設計西北農(nóng)村住宅的過程中，從源頭進行模塊化設計。分析西北農(nóng)村居民的居住行為習慣，根據(jù)規(guī)范和實際情況確定房間各個模塊的尺寸，根據(jù)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(zhì)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(yè)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(xiàn)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(xiàn)主要結構接近100%的預制化率，減少現(xiàn)場的濕作業(yè)，多適用于低層、多層建筑［14］。但其在裝配過程中，吊裝次數(shù)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(xiàn)住宅空間的靈活布置，根據(jù)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(jié)點等部分現(xiàn)場澆筑［15］。預制框架-剪力墻結構采用預制的梁和柱，節(jié)點的連接以濕作業(yè)為主，結構的適用高度和設計方法與現(xiàn)澆結構相同。綜上所述，選用預制剪力墻結構進行西北農(nóng)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(wèi)生的特點，已逐漸被人們所拋棄?；馉t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(nèi)，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(nóng)村開始使用天然氣做飯和取暖，但通過調(diào)研和居民反饋發(fā)現(xiàn)，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(diào)取暖。西北地區(qū)擁有豐富的太陽能資源，利用附加陽光間取暖，干凈衛(wèi)生。在設計時，要優(yōu)化附加陽光間的進深和材料以及外墻的圍護結構，為室內(nèi)營造舒適的熱環(huán)境。太陽房可以滿足西北地區(qū)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(jié)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(huán)境和節(jié)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(nóng)村住宅中使用。

根據(jù)對集熱模塊和外圍護部品的熱工優(yōu)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(yōu)組合設計方案。

4 結語

本文基于西北農(nóng)村地區(qū)發(fā)展低能耗建筑和建筑工業(yè)化的背景，調(diào)研并總結了以西安為代表的農(nóng)村住宅特征、功能需求、采暖特征等，結合西北地區(qū)豐富的太陽能資源、裝配式建筑節(jié)約資源、施工效率較高的優(yōu)點，闡述了西北農(nóng)村地區(qū)發(fā)展裝配式太陽房的必要性，以此對西北農(nóng)村地區(qū)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(jié)能。