重庆大学 宫卓、肖益民、张睿

       【摘  要】被动式设计是近零能耗建筑设计的前提。本文以川西地区马尔康市壤塘县一栋传统民宿建筑为例，利用建筑气候分析图将被动式太阳能供暖技术作为当地被动式设计的核心，并通过资料查阅、计算机模拟、数据分析对该地区被动式太阳能集热方式进行研究。本文利用DeST-s软件对不同太阳能集热方式进行建筑热环境和供暖负荷的模拟分析，并通过建筑全生命周期能耗进行经济性分析。最后在模拟结果和经济性分析的基础上，提出了壤塘县民宿建筑适宜采用的太阳能集热方式，为该地区此类建筑的设计提供参考。

       【关键词】川西地区，近零能耗建筑，被动式设计，被动式太阳能技术，建筑全生命周期能耗

Abstract: The passive design is the premise of near-zero energy consumption building design. This article takes a traditional residential building in Rangtang County, Malkang City, Sichuan as an example. The passive solar heating technology is used as the core of the local passive design by using the building climate analysis chart. In this paper, passive solar energy collection methods in this area are studied through data review, computer simulation, and data analysis. This paper uses DeST-s software to simulate and analyze the building's thermal environment and heating load for different solar heat collection methods, and analyzes the economics through the whole life cycle energy consumption of the building. Finally, based on the simulation results and economic analysis, the solar energy collection methods suitable for the traditional residential buildings in Rengtang County are proposed to provide reference for the design of such buildings in this area.
Key words: Western Sichuan, near-zero-energy buildings, passive design, passive solar technology, energy consumption of the entire construction life cycle

0 前言

       在传统能源需求日益紧张的现况下，实现建筑近零能耗或零能耗成为现今的重点研究方向。川西地区经济条件落后，传统能源匮乏 ^[1]，但太阳能资源十分丰富 ^[2]。结合当地自然条件来研究近零能耗建筑的设计方法，不仅有利于近零能耗建筑在我国的发展，而且也有利于优化当地用能结构，保护生态环境。
本文以川西地区壤塘县的传统民宿为例，通过建筑气候分析将被动式太阳能技术作为主要的被动式设计方法，在此基础上进一步分析太阳能集热方式，希望为在川西地区研究近零能耗建筑提供帮助。

1 近零能耗建筑

       近零能耗建筑（nearly zero energy building）最早由欧盟提出。2010年7月9日，欧盟发布了《建筑能效指令》，要求各成员国确保在 2018 年 12 月 31 日起，所有政府持有或使用的新建建筑为近零能耗建筑；2020 年 12 月31日起，所有新建建筑为近零能耗建筑。考虑到欧盟国家间经济、气候差异，指令要求各国以实际国情为基础，并没有给出统一的量化节能目标。

       近零能耗建筑的概念引入我国的时间较晚，相应的标准及及技术体系仍在不断地研究当中，近年来，中国建筑科学研究院通过示范工程探索出了一条相关的技术路线。^[3]

     该技术路线提出了被动式设计、主动式系统、监控运行策略三方面的要求。其中能够有效减少建筑负荷的被动式设计是整个技术路线的前提，因此在川西地区研究近零能耗建筑时应当首先对被动式设计方法进行分析。

2 壤塘县建筑气候分析及建筑特征

       2.1 建筑气候分析

       2.1.1 基本气候特征

       壤塘县位于青藏高原东部，四川省阿坝自治州西部。县城年均温6.6℃，夏季最高气温29.4℃，冬季最低气温-23.4℃，年降水量736.1毫米。通过中国气象数据网，整理、统计出壤塘县供暖季节气象数据如表1所示。

       从表中数据可以看出，壤塘县气候寒冷，采暖日数长，属于严寒地区，但当地可利用太阳能资源丰富，具有使用被动式太阳能技术的基本气候条件。

       2.1.2 建筑气候分析图

       被动式设计着重于通过建筑设计而非人工环境控制来满足室内热舒适条件，它营造出的室内气候随着室外气候的改变而按照一定的规律发生变化。因此，在进行被动式设计时应建立起室外气候条件与室内舒适环境之间的关系。2003年，我国的杨柳教授与刘加平教授提出利用建筑气候分析图来解决这一问题[4]。本文参考这种方法对壤塘县进行被动式气候设计分析，其建筑气候分析图如下：

       图中1#区域代表传统供暖方式；2#区域代表被动式太阳能采暖；3#为壤塘县对应的舒适区；4#区域代表建筑蓄热；5#区域代表自然通风；图中虚线部分代表壤塘县室外气候条件。当室外气候线落在实线围合的区域时，便可以通过相应的技术实现热舒适。

       由图可知，壤塘县自11月起至次年3月供暖需求较大；9月、10月通过被动式太阳能供暖即可满足热舒适要求；5月~8月室外气象条件部分时间位于舒适区。可以看出，壤塘县被动式设计的重点在于被动式太阳能供暖。事实上，若再对建筑围护结构或集热构件加以改良则有可能完全通过被动式太阳能供暖以实现热舒适。从壤塘县入手，分析川西地区民宿建筑适宜的太阳能集热方式也是本文的研究内容之一。

       2.2 建筑特征

       壤塘县民宿建筑多为两层或三层楼房，坐北朝南，南向多晒台。建筑平面设计整洁，整体以院墙围合，房间向内开窗，对外封闭，整体呈现出厚墙小窗的特点^[5]。建筑室内还通常设有经堂以满足宗教活动的需要。

       本文研究对象为壤塘县县城附近的一栋典型的民宿建筑。建筑共二层，包含杂物间、卧室、佛堂、起居室、厨房、卫生间、浴室六个房间，外部以院墙围合，东侧设有厢房。建筑的二层为人员主要生活区域，一层设置为杂物间，东侧厢房分三间，分别布置为厨房、浴室、卫生间。布置后的建筑平面图分别如图4和图5所示：

3 模拟及分析

       被动式太阳能技术包括平立面设计、围护结构设计、太阳能集热方式等方面。本文首先对原建筑的围护结构加以改良，然后再针对不同的太阳能集热方式进行方案设计与模拟。

       3.1 围护结构

       壤塘县传统民宿建筑冬季保温性能较差，其围护结构不满足《四川省被动式太阳能建筑设计规范》中对传热系数的要求^[6]，有必要对围护结构重新设计。

       改良后的外墙主体材料采用加气混凝土砌块，外保温材料使用膨胀聚苯板（EPS）。屋面及楼板主体采用钢筋混凝土，楼板保温材料采用挤塑聚苯板（XPS）,屋面保温材料则采用聚氨酯泡沫塑料。透明围护结构方面，窗体应当满足相应传热系数的要求，同时依据《四川省被动式太阳能建筑设计规范》确定南向的最佳窗墙比。建筑主要围护结构传热系数如表2所示：

       3.2 太阳能集热方式

       《四川省被动式太阳能建筑设计规范》为壤塘县所在气候区提供了直接受益式、附加日光间式、集热蓄热墙式三种不同的太阳能集热方式。

       直接受益式系统在白天利用南向窗使阳光直接进入室内，加热被采暖房间，夜间则关闭窗户上的活动保温装置来维持室温；附加阳光间系统通常在建筑南侧采用玻璃等透光材料构造封闭空间，并在公共墙体上开风口，依靠空气循环为房间供暖；集热蓄热墙系统又称特隆布墙系统，将除窗户以外的南向墙面涂黑并间隔一定的距离覆盖上玻璃，墙上下部位留通风口，通过热风自然对流循环进行供暖。附加日光间系统与集热蓄热墙系统的工作原理分别如图6、图7所示。

       为分析不同集热方式对室内热环境及供暖负荷的影响，依据建筑二层平面布局特点共提出三种设计方案。

       1）直接受益式方案：二楼三个房间均采用直接受益式系统，搭配活动保温装置。

       2）附加日光间方案：利用二层室外挑廊构筑附加日光间。西侧卧室下方为楼梯，空间上不允许设置日光间，因此仍采用直接受益式系统。该方案实质上采用了直接受益系统与附加日光间系统两种集热方式。

       3）综合式方案：保留附加日光间，卧室设置集热蓄热墙系统，同时为满足光照要求在卧室开西向窗，窗墙比则按照《严寒及寒冷地区居住建筑节能标准》确定。

       3.3 建筑热环境模拟结果分析

       3.3.1 模拟参数

       在利用DeST-s进行模拟时，应确定相应的模拟参数：人员方面，建筑内各房间最大人数设置为3人，人均发热量53w，产湿量为0.061kg/hr，人员活动强度按照房间功能确定^[7]。依据《建筑照明设计标准》，各房间的灯光最大功率指标为5w/㎡，灯光作息依照房间功能确定。设备最大功率为DeST默认的12.7w/㎡。依据《健康住宅建设要点》，通风方案中室内换气次数不得低于1次/h，同时还应避免夏季产生冷负荷。

       3.3.2 模拟结果分析

       以室外平均气温最低的1月11日为例，三种方案下室内房间自然温度逐时变化情况分别如图8、图9、图10所示。

       直接受益式方案中，所有房间温度变化幅度均在5℃内。在三个房间中，由于佛堂的人员活动时间与活动强度低于其他房间，并且来自设备、灯光的得热相对较小，因此佛堂温度始终低于其他两个房间。《四川省被动式太阳能建筑设计规范》要求被动式太阳能建筑室内最低温度不得低于12℃，直接受益式方案中各个房间室内温度有近15个小时低于这一限值，因此直接受益式方案提升自然室温的能力十分有限。

       附加日光间方案中，日光间在白天温度迅速上升，此时向室内传热有两种途径，一种是阳光穿过日光间直接射入室内，另一种是通过空气对流将热量带到室内。这些热量有效地提高了佛堂及起居室的温度；在夜晚，日光间温度虽然降低，但仍高于室外气温，可以避免室内房间直接与外界低温环境换热，具有很好的保温效果。

       对照附加日光间方案，当卧室增设特隆布墙后，房间日较差由5.4℃减少至1.6℃，房间温度更加稳定。此外，附加日光间方案下，卧室上午9点开始升温，17时温度达到最大值后开始明显下降，最低温度为11.7℃。而设置特隆布墙系统后，卧室温升时段推迟14时至23时，此后温度才逐渐减小，最低温度为13.9℃。很明显，特隆布墙系统更符合卧室的使用特点，有助于提升夜晚房间的热舒适度。三个方案下各房间供暖季节平均温湿度及最低温度如表3所示：

       从表中可以看出，三种方案对房间平均温度的提升效果从大到小依次为附加日光间式、综合式、直接受益式。从最低温度角度考虑，仅综合式方案满足《四川省被动式太阳能建筑设计规范》中冬季室内最低温度不得低于12℃的要求。

       附加日光间系统和集热蓄热墙系统提升室内平均温度以及最低温度的效果较直接受益式系统更加明显。

       直接受益式系统中，室内温度从最低值升至最高值仅需要10小时，升温速度优于其他集热方式。但从图8中可以看出，直接受益式系统昼夜温差大，最高达到6.7℃，因此更适合白天使用的房间。

       3.4 供暖负荷模拟结果分析

       3.4.1 空调作息及温度设定

       空调作息方面，主卧室和起居室可以选择默认的启停时间。佛堂则按照使用特点，将空调开启时间确定在7时至9时以及17时至19时。

       空调温度设定方面，根据《四川省被动式太阳能建筑设计规范》以及《四川省居住建筑节能标准》，原建筑、直接受益式方案的空调容忍温度下限设为12℃，空调温度下限设为16℃。结合热环境模拟的结果，由于日光间方案及综合式方案的最低温度基本在12℃以上，因此这两种方案的空调容忍温度下限调整为16℃，空调温度下限调整为18℃。除此之外，人员、设备、灯光及通风的设定与模拟热环境时相同。

       3.4.2模拟结果分析

       原建筑与三种集热方式的全年累计负荷如表4所示。

       由于直接受益方案与附加日光间方案在模拟时空调的设定温度不同，因此附加日光间方案中卧室累计供暖负荷升高。但结合起居室与佛堂来看，虽然附加日光间方案的空调设定温度上升，但与直接受益式方案相比，佛堂、起居室的累计供暖负荷仍大幅减少，这说明日光间可以有效减少相邻房间的供暖负荷。

       从建筑的累计负荷来看，直接受益式、附加日光间式、综合式的累计负荷较原建筑减少的比例分别为81%、85%、96%。根据《被动式低能耗居住建筑设计规范》，冬季供暖单位面积累计热负荷不应超过15kwh/㎡，在所有的设计方案中，只有综合式系统满足相应要求。

4 建筑全生命周期能耗经济性分析

       建筑全生命周期能耗有多种分类方法，国内通常将总能耗分为建材生产能耗、运输能耗、施工能耗、运行能耗、改造维修能耗、拆除能耗六类[8]。其中建筑改造维修能耗可以分解到建材生产能耗、运输能耗当中。从建筑生命周期的角度来看，所有能耗可以归纳为三部分：建筑建造阶段能耗，建筑运行能耗，建筑拆除能耗。

       参照文献[9]和文献[10]对全生命周期能耗的计算方法，四种方案在建筑寿命为50年时的全生命周期能耗如下表所示：

       计算出建筑全生命周期能耗后，可以通过折算常规能源价格来计算建筑全生命周期的成本。计算常规能源价格时，标准煤煤炭价格通常取1.4元/kg，热效率取60%，结合其发热量，常规能源价格为0.28元/kwh。通过计算，四种方案的初投资、总成本、运营成本如下图所示：

       从图中可以看出，采用的集热方式越多，初投资也就越高。对比四种方案，虽然从能耗角度考虑综合式最为经济，但由于在实际施工过程中，还存在很多不可预估的费用，实际初投资可能与估算有出入，因此在选择方案时应结合市场成本综合考虑。

5 结论

       通过以上模拟及分析，针对壤塘县气候及民宿建筑特点可以得出以下结论：

       1）川西地区近零能耗建筑的被动式设计应以被动式太阳能技术为主。

       以壤塘县为代表的川西地区普遍具有气候寒冷，太阳能资源丰富，经济条件相对落后的特点。在这一地区采用被动式太阳能技术不仅能够有效减少冬季供暖负荷，为进一步实现近零能耗的目标奠定基础，而且也能够减少当地化石能源的使用，保护生态环境。

       2）采用被动式太阳能技术供暖时应考虑采取配套的加湿措施。

       《被动式低能耗居住建筑节能设计标准》中要求被动式低能耗建筑室内相对湿度应在35%~65%这一范围内，而三种设计方案在供暖季节室内相对湿度均低于35%，因此有必要在供暖季节设置配套的加湿装置。同时，在分析被动式设计的节能效果时，加湿所消耗的能源也应计算在内。

       3）附加日光间系统在川西地区节能潜力最大。

       在使用附加日光间后，相邻起居室、佛堂的最低温度分别上升了4℃和5.5℃，同时通过房间互通风，卧室最低温度同样有所上升。

       当空调容忍温度下限始终保持12℃时，附加日光间系统可以极大的缩短空调的运行时间，降低供暖能耗，累计热负荷减少的比例远大于85%。虽然集热蓄热墙系统同样可以减少供暖能耗，但该系统影响房间光照，只适用于夜间使用的房间，应用范围不如附加日光间系统。

       4）在进一步提高室内温度要求的情况下，不建议单独采用附加日光间系统。

       结合附加日光间系统的经济性分析可以看出，虽然日光间节能潜力大，但建造成本也较高。随着室内设定温度的上升，与日光间不相邻的房间供暖负荷将大幅增加，整体节能量受限。当建筑面积进一步增大，房间增多时，附加日光间系统覆盖范围有限、成本高的局限性将更加明显。

参考文献

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       [2] 孟祥林.四川省能源现状及其能源结构选则——从中国太阳能第一楼谈起.西华大学学报.2006.10
       [3] 徐伟、刘志坚、陈曦et al.关于我国“近零能耗建筑”发展的思考.建筑科学，2016年第32卷第4期
       [4] 杨柳.建筑气候分析与设计策略研究.西安建筑科技大学.2003.5
       [5] 龙彬、何媛. 舞动的藏袍——马尔康乡村小学太阳能技术应用初探.[A].建筑节能及应用.2010，77，（9）
       [6] 王倩倩. 川藏地区被动式太阳能民居设计研究.西安建筑科技大学.2015.6.8
       [7] 宋芳婷，诸群飞，江亿. 建筑环境设计模拟分析软件DeST第5讲影响建筑热过程的各种外界因素的取值方法. 暖通空调HV＆AC.2004，34，（11）
       [8] 刘静君.被动式太阳能建筑动态室温预测及能耗分析.大连理工大学.2007.12.20
       [9] 顾道金.建筑建造与运行能耗的对比分析. 暖通空调HV＆AC.2007，35，（5）
       [10] 李思堂. 住宅建筑施工初始能耗定量计算.华中科技大学学报.2005，22，(4)

       备注：本文收录于《建筑环境与能源》2018年10月刊总第15期（第21届暖通空调制冷学术年会文集）。
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