极端干热气候乡土建筑用能模式与能耗强度.pdf
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1、24doi:10.3969/jj.issn.2096-9422.2023.07.004No.7in2023(Total1 Vol.51.No.389Green BuildingsJournal of BEE2023年第7 期(总第51卷第3 8 9 期)绿色建筑建筑节能(中英文极端干热气候乡土建筑用能模式与能耗强度*靳冉,伺何文芳,杨柳.b(西安建筑科技大学a.建筑学院;b.西部绿色建筑国家重点实验室,西安710055)摘要:农村建筑是我国建筑行业开展清洁节能和低碳减排关注的重要领域,在以吐鲁番为代表的极端干热气候区,农村建筑采暖、制冷负荷大,节能形势严峻。以乡土建筑“部分空间、部分时段”的节
2、能型用能方式为前提,通过文献研究归纳吐鲁番乡土建筑特征,现场调查乡土建筑围护结构、用能模式、能耗强度和居民空间行为的相关信息数据,提炼节能型建筑用能模式,提出适宜的环境与节能优化方案,并给出能耗强度限值作为评价指标。为后续吐鲁番地区乡土建筑能耗定额标准的研究和制定提供参考,对吐鲁番地区农村建筑能耗总量的控制具有重要意义,并且丰富了极端干热地区农村建筑的能耗研究。关键词:乡土建筑;用能模式;能耗强度;干热气候;吐鲁番中图分类号:TU201.5文献标志码:A文章编号:2096-9422(2023)07-0024-07Energy Consumption Modes and Energy Inten
3、sity ofVernacular Buildings in Dry-hot ClimateJIN Ran,HE Wenfang,YANG Liua.b(a.School of Architecture;b.State Key Laboratory of Green Building in Western China,Xi an University of Architecture and Technology,Xi an 710055,China)Abstract:Rural buildings are an important area of concern for clean energ
4、y conservation and low-carbon emission reduction in domestic construction industry.In extreme dry-hot climate areas representedby Turpan,rural buildings have large heating and cooling loads,and the energy-saving situation issevere.According to the premise of the energy-saving consumption mode of ver
5、nacular architecture inpart of space,part of time,the characteristics of Turpan vernacular architecture are summarizedthrough literature research,and the relevant information of vernacular building envelope,energyconsumption pattern,energy consumption intensity and residents spatial behavior is inve
6、stigated on site.The energy consumption model of energy-saving buildings is refined,proposing suitable environmental andenergy-saving optimization plans,and the energy consumption intensity limit as an evaluation index.Thisresearch provides a reference for the subsequent research and formulation of
7、energy consumption quotastandards for rural buildings in Turpan,which is of great significance for controlling the total energyconsumption of rural buildings in Turpan,and enriching the research on energy consumption of ruralbuildings in extremely dry and hot areas.Keywords:vernacular buildings;ener
8、gy consumption modes;energy intensity;dry-hot climate;Turpan0引言能源危机和气候变化问题是当今世界面临的最收稿日期:2 0 2 2-0 4-12;修回日期:2 0 2 3-0 7-19*基金项目:国家重点研发计划资助项目(2 0 19YFD1100900);中国工程院战略研究与咨询项目(2 0 2 2-XZ-38);陕西省教育厅重点项目(2 0 JS080)大挑战。在任何一个发展中国家,均有超过三分之一的能源用于建筑采暖和制冷 。冬季采暖与夏季制冷是我国农村生活用能的主要部分,也是农村建筑节能及清洁化发展的重中之重 2 。长久以来,农
9、村建筑能耗相对较高,建筑热环境较差等问题始终存在 3.4。我国的干热气候主要分布在新疆南部、甘肃、青25靳冉,等:极热气候乡土建筑用能模式与能耗强度海和内蒙古西北部等地5。口吐鲁番盆地是极端干热气候代表地区6,被称为“中国最热的地方”,冬季寒冷、夏季酷热,建筑采暖与制冷负荷大7。当地农村居民在长期极端气候影响下,形成了独特的气候适应性乡土建筑类型,以及“部分空间、部分时段”的节能型用能方式8。本文采用文献研究、现场调查和统计分析法,研究吐鲁番乡土建筑与居民用能的关系,提炼节能型建筑用能模式,并给出适宜的优化方案和评价指标,为该地区建筑节能提供依据,吐鲁番地区气候与乡土建筑概况1.1吐鲁番地区气
10、候特征及季节划分根据吐鲁番地区的典型气象年数据资料7 对其气象数据进行整理(见图1),分析发现夏季该地区太阳辐射强度大且空气温度高,最热月平均最高温度为39.8;冬季太阳辐射强度小且空气温度低,最冷月平均最低温度为10.6;同时该地区干旱比较严重,月最大降水量为17.2 mm,年平均降水量仅为1.3mm,而年平均蒸发量能达到2 8 0 0 mm。一太阳辐射月总辐射量月最大降水量一月平均最高温度月平均降水量一月平均最低温度80800/70/70060600505004040030300202001010000H-10-100-20-200123456789101112月份图1吐鲁番典型气象年数据
11、气候季节划分标准9 对中国气候季节的划分指标进行了详细规定,即夏季为连续5天平均气温大于或等于2 2,冬季为连续5天平均气温小于10,春秋季为连续5天平均气温大于等于10 且小于22。根据典型气象年数据7 对吐鲁番地区进行季节划分(见图2),发现吐鲁番地区夏季日期为4月24日9 月16 日,冬季日期为11月4日3月18 日,春秋季日期分别为3月19 日4月2 3日、9 月17 日11月3日。1.2吐鲁番乡土建筑特征概况吐鲁番乡土建筑最初是由维吾尔民居演变而来,通过适应当地气候、结合当地文化以及宗教信仰,在历史发展中逐渐形成和成熟起来的具有当地地域特色的居住建筑。根据相关研究表明吐鲁番乡土建筑主
12、要经历了四个时期的重要转型,分别为高昌时期、汗国时期、现代时期以及当代时期。公元1世纪至138 3年,高昌故城是吐鲁番盆地第一大中心城市10 1。这里政权更替频繁,历经了西汉高昌壁、高昌郡、高昌国,唐代西州和高昌回等时期,是西域重要的政治、经济、文化、宗教、军事中心。高昌时期吐鲁番先民便建造了“土拱窑洞”乡土建筑,包括地上独立窑洞、下沉窑洞和靠山退台窑洞等多种形式12。土拱窑洞由厚重密实的土壤围护,具有很强的蓄热调温效果,是先民在干旱气候中生存的重要建筑方式。40日平均温度夏季3530252/雅士20过渡季1510冬季50-5-10-151月1日3月1日5月1日7月1日9月1日11月1日2月1
13、日4月1日6月1日 8月1日10月1日12 月1日日期图2吐鲁番季节划分依据1383年高昌故城在连年的战火中被毁,吐鲁番地区相继被察合台汗国、准噶尔汗国和中国清政府所统治,这一时期乡土建筑在高昌地下洞穴形态和拱形结构的基础上,在洞穴上方建造二层土木结构形成“下窑上屋”式土木楼房13。土木楼房建筑对内开放,对外则较为封闭,对内以庭院为核心组织建筑,对外以厚重的生土墙体、覆土平屋顶、极小的门窗洞口和花格木板双层窗户将建筑包裹起来,呈现出封闭厚重的形态特征。1949年新中国成立后,特别是改革开放以后,新型建筑材料层出不穷,其中黏土砖、贴面瓷砖、水泥地面、金属框玻璃窗等在吐鲁番乡土建筑中推广应用,出现
14、了内土外砖、透空花砖墙等墙体构造方式14。又由于新疆位于地震区15,地下窑洞建筑出现破坏倒塌等事故影响逃生,各地方相继出台了建议或禁止建造地下或半地下窑洞的规定,土窑洞结构逐渐被淘汰,土墙、木构平屋顶结构形式继续延用。21世纪以来,随着社会经济飞速发展,乡村居住环境品质提升成为政府改善民生的重要内容。自2010年起,新疆自治区政府启动“富民安居”工程,2011-2020年,共筹建百万户富民安居房16。富民安居房完全淘汰了传统乡土建筑的居住方式和建设技术,由城市施工队统一施工,模仿城市住宅形式,原有的厚重生土墙被空心砖墙取代,覆土屋面被钢筋混凝土楼板取代,小面积木板窗被大面积塑钢双层玻璃窗取代1
15、7.18。由于饰面装修采用土黄色涂料,外观上保留了生土建筑风貌。根据以上相关研究对不同时期吐鲁番乡土建筑特征进行调研整理见表1。26JINRana,et al.EnergyConsumptionModesandEnergyIntensity of Vernacular Buildings in Dry-hot Climate表1不同时期吐鲁番乡土建筑特征名称土拱窑洞土木楼房土木平房砖混平房建筑形式结构体系土拱土拱+土木土木砖混建筑层数1层2层1层1层2 层墙体形式夯土墙夯土墙夯土墙、内土外砖墙砖墙屋顶形式土拱平屋顶覆土平屋顶覆土平屋顶钢筋混凝土屋顶窗户形式土坏砌筑花格窗木框单玻窗木框单玻窗塑钢
16、双层玻璃窗2调研方法以及内容2.1调查方法以及内容在研究吐鲁番乡土建筑特征的基础上,采用现场调研、问卷调查的方法对吐鲁番乡土建筑围护结构、用能模式、能耗强度和居民空间行为的相关信息数据进行搜集。调研的时间分为三个阶段,即冬季、夏季和过渡季。调研的地点选择在吐鲁番市以及附近周边的一些村落,例如亚尔果勒村、宗吕村、英买里村、奥依曼坎尔孜村等。本文调查的对象仅为村民自建的乡土建筑,不包括城市施工建造的富民安居房。调研的内容包含三个部分,分别如下:(1)建筑基本信息:建筑层数、建筑层高、围护结构构造、建筑总面积、建筑采暖面积、建筑制冷面积等(2)建筑用能信息:建筑空间使用情况、采暖房数量、制冷房数量、
17、采暖时间、制冷时间等。(3)建筑能耗信息:能源使用类型、采暖设备类型、制冷设备类型、每月耗电量、每月用煤量等。本次调研共获得117 0 份建筑空间使用情况问卷,其中夏季问卷58 8 份、冬季问卷季32 8 份、过渡季节2 54份问卷,以及45户乡土建筑能耗基本信息问卷。2.2建筑基本信息调研中对吐鲁番乡土建筑的围护结构进行实测,发现该地区乡土建筑外墙主要有三种,分别为夯土墙、内土外砖墙以及空心砖墙;建筑屋顶主要有土拱屋顶、木密肋覆土屋顶;窗户主要为木框单玻窗和断桥铝双波窗;门主要为木门和铁门两种。根据调研得到的乡土建筑围护结构参数对其传热系数进行计算,并将实际计算出的围护结构传热系数值与农村居
18、住建筑节能标准19 中对外围护结构传热系数的限值进行比较见表2。表2乡土建筑各围护结构参数名称围护结构做法传热系数/W/(m K)规范值/W/(m K)超标率/%400500mm夯土墙1.551.790.65138.5175.4外墙120mm粘土砖+37 0 mm夯土墙1.620.65149.2370mm空心砖墙0.980.6550.8400500mm土拱屋面1.722.020.5244304屋顶20mm苇席+(150 30 0 mm覆土屋面)1.111.360.5122172单玻木框窗3.32.532窗断桥铝双波2.532.51.2木门1.972.5门一铁门6.42.5156200mm素土夯
19、实3.10.6416.7地面240mm粘土砖+2 0 0 mm素土夯实1.60.6166.7从整理出的乡土建筑各围护结构传热系数参数中可以看出,该地区乡土建筑围护结构的传热系数值普遍超出规范的最大限值,其中外墙、屋面和地面的超标率最大,最高值分别为17 5.4%、30 4%和416.7%,窗户超标率较小,但是木框单玻窗由于气密性差,冬季冷风渗透耗热量较为严重。3乡土建筑用能模式3.1建筑使用模式吐鲁番地区冬季寒冷,夏季干热,昼夜温差较大,特殊的气候条件促使当地居民根据季节、早晚的变化,利用不同的室内外空间层次,以“移居”的方式动态适应当地气候环境8。人的行为会通过影响建筑27靳冉,等:极端干热
20、气候乡土建筑用能模式与能耗强度建筑运行模式从而影响建筑能耗2 0。根据117 0 份统计者在接受问卷调查时所处空间位置见图3,可以发现夏季有超过8 0%居民喜欢待在半室外空间,只有低于2 0%居民待在室内空间;在冬季则超过9 5%以上居民在调查时处于室内采暖房间,低于5%民居待在半室外空间。一半室外空间室内空间10090807060%/源50403020100冬季过渡季夏季季节图3居民问卷所处空间频率分布3.2分区用能模式调研得到乡土建筑总面积、采暖面积以及制冷面积见图4,发现这些家庭实际的用能面积(夏季制冷面积或者冬季采暖面积)远小于建筑总面积,户均总建筑面积、采暖面积和制冷面积分别为8 3
21、.8 m、40.7 m 和27.1m,表明该地区乡土建筑普遍存在分区用能现象。3.3间歇用能模式将调研得到的采暖房间数按照用能时长进行统计分析,见图5(a),发现采暖房数量随着用能时间的增长而变多,其中每户农村家庭均有1 2 间主要取暖房,同时兼顾厨房、起居和卧室使用。采暖房一般一天“四把火”,即早、中、晚三餐各生一次火,晚上睡前再生一把火,每次生火后余温在火炕中维持4 5h。将调研得到的制冷房间数按照用能时长进行统计分析见图5(b),其中每户农村家庭均有1间主要制冷房,仅在夏季的午后使用,降温时长多在3 5h。制冷时间超过5h的房间数只占总制冷房间总数的13.6%,夏季制冷时长要远远小于冬季
22、采暖时长。180180采暖面积制冷面积160非采暖面积160日非制冷面积140140120120100100808060604040202000357911131517192123252729313335373941434535791113151719212325272931333537394143452468101214161820222426283032343638404244246801214161820222426283032343638404244家庭编号家庭编号(a)采暖面积(b)制冷面积图4用能面积557100407100采暖房间数制冷房间数50二店比35占比4544803080
23、3040356025%/豆6030%1豆272018254040201517151091181010202055100005h510h20h510h10h采暖时长/h采暖时长/h(a)采暖房间数(b)制冷房间数图5房间用能时长因此对于节能型用能模式,在用能时间上,应充分发挥室内与室外空间差异化环境特点,激发居民动态选择核心生活场所的热适应行为,扩大人体热舒适范围,延长建筑环境全年舒适时长,缩短建筑采暖、用能时间;而在用能空间方面,选取部分远离建筑出入口的房间作为“冬房”和“夏房”,在冬季、夏季正午等极端28JINRana,etal.EnergyConsumptionModesand Energ
24、yIntensity of Vernacular Buildings in Dry-hot Climate气候条件下运用采暖、制冷设施营造适宜室内环境。4乡土建筑能耗强度4.1采暖与制冷方式吐鲁番农村地区冬季主要通过使用火炉、火灶、火墙以及土暖气进行取暖,见图6(a)和6(b),燃烧用料主要是以煤炭主。居民习惯于将作为炊事使用的火炉与火炕或者火墙相结合,形成灶连炕、灶连墙等多效利用能源的取暖方式。但是火炉和火炕的热效率极低,分别为8%10%和14%18%2 1】,在燃料方面浪费比较严重,同时火炕的自身蓄热量大导致放热缓慢,以至于室内温度在短时间内很难达到舒适界限。近年来,新建住宅多使用土暖气作
25、为新的取暖方式,土暖气燃烧效率为30%40%2】,可同时兼顾炊事和取暖,并且能够在短时间内快速提高室内空气温度。土暖气取暖虽比火炉和火炕舒适、清洁、高效,但是在安装上由于缺乏规范技术指导且依旧采用热效率低的煤炭作为燃料,采暖耗煤量可能比火炉、火炕消耗的更高。在夏季,调研发现8 0%以上的建筑家庭使用冷风机或者电风扇进行防暑降温见图6(c)和6(d),空调由于功率高,耗电量大,只有少数家庭使用。冷风机虽没有空调制冷效率高,但是相比风扇节能高效、送风湿润,并且能够随意移动,对于大部分家庭而言是主要的降温设备。(a)火炉、火炕、火墙(b)土暖气(c)冷风机(d)风扇图6采暖与制冷设施4.2采暖与制冷
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