摘要：为响应国家“十三五”节能减排的基本国策，改善鲁北地区居住建筑的节能现状，达到降低能耗，减弱污染，提高效能的目的，本文从建筑围护结构、内部构建、建筑能量供应方面对鲁北地区居住建筑进行研究与设计，提出屋面墙体节能、门窗节能的改进方法和措施、绿色新能源技术的具体应用内容。最终，使资源得到良性分配与利用，绿色技术得到推广与实践，实现居住建筑节能、低碳、环保发展的目的。

关键词：居住建筑、外围结构、内部结构、绿色新能源、节能措施

中图分类号：TU 文献标识码：A 文章编号：（2021）-01-315

引言：

工业革命以来，全球产能大幅提高，建筑行业也取得了极大地发展。与之相应的，消耗的资源也是越来越多，产生的污染和垃圾也严重破坏了全球生态和环境，威胁人类生存和社会发展。我国建筑行业虽然取得了举世瞩目的成就，但也出现了非常明显的环境问题。其能耗占到整个社会能耗的30%以上，使用的资源占总自然资源的40%，产生的垃圾也占到总量的40%。面对这样的发展形势，我们必须采取相应的对策，从建筑本身进行改良，应用环保材料和新技术，并开发绿色新能源，替代高耗能、高污染的旧能源，改善居住环境，减少资源消耗，促进社会和谐发展。

1 研究节能建筑的必要性

从全球范围来看，建筑能耗占全部能源消耗的 20～40%，在某些发达地区甚至高达45%。中国正处于加快推进工业化、城镇化和新农村建设的关键时期，建筑与工业、交通成为能源使用的三大主力行业，其产生的垃圾污染和资源浪费问题也越发严重。对人类居住环境和社会的可持续发展都构成了威胁。我国民居建筑能耗，特别是北方民居冬季取暖能耗居高不下，部分建筑构造较混乱，能源供给较落后，节能措施较简单，普遍存在环境质量差、资源利用率低的现象。因此，我国民居节能势在必行，迫在眉睫。通过治理改进，对国民经济健康发展，社会和谐进步也起到积极作用。

2 节能理念下的建筑改造与能源开发

2.1改良建筑构造，提升节能效果

2.1.1建筑围护改造

2.1.1.1屋面节能设计

一般情况下，屋面主要包括支撑结构、防水层、保温隔热层与顶棚。在材料选择上，优选具有较高防水性能的材料。利用结构自身保温层，可以发挥保温作用与热量传导作用，在保温层构造上，可以采用倒置与正置两种主要方式。鲁北地区乡村住宅的屋顶均为坡屋顶，与顶棚之间形成一个空间，空气层对屋顶热工性能有一定的影响。但早期的住宅并没有外部通风口，而是在吊顶的同时，在室内留有一两个检查口，以备出现故障时进行维修。这种办法并不能充分利用上部的空气层来调节室内温度。通过对构造方式进行合理选择，可以将架空隔热层以及绿化层设置在屋顶处，让屋顶通风效果得到增强，以此来让屋顶隔热性得到有效提升，起到节能保温作用。在应用倒置式构造方式时，可以在防水层上设置保温层。坡屋顶本身具有一定坡度，可以有效处理防水问题，坡屋顶可以让顶层热工条件得到改善，可以解决夏季热辐射问题，与此同时，和顶层制作进行结合，针对坡屋顶内部空间可以完成夹层或跃层空间布局工作，让空间使用面积得到提升。除此之外，坡屋顶设计可以让建筑檐口高度减少，让住宅楼间距得到减少，进而起到节地效果。

2.1.1.2墙体节能设计

鲁北地区乡村住宅的外墙根本不考虑保温、隔热功能，一般为单一的240mm厚实心黏土砖墙。就目前的建筑设计与建筑施工情况来看，可以采取的外墙保温方式有很多，但从热桥效应与热传导技术角度出发来进行考虑，最重要的问题是要处理好材料和结构，这样才能增强外墙的保温性能，有效降低建筑能耗。具体来说，我们首先应选择具有良好隔热保温效果的材料，最好是通过试验来优选最佳的材料，保证其具有真正良好的性能表现。再者是需要在墙体中间设计一层保温层，通过复合结构形式，提升墙体的隔热保温效果。同时外墙也需要进行保温层的设计，以进一步减少热桥效应，使建筑具有更强的保温隔热能力。如在外墙保温系统中，就包含了 EPS 板现浇混凝土外保温系统、EPS 聚苯板薄抹灰外保温系统、聚氨酯硬泡外保温系统、XPS 板外保温系统等，如 EPS 板现浇混凝土外保温系统就具有复杂的施工工艺与较大的模板支护难度，但保温效果相对较好，在较为寒冷的现浇混凝土剪力墙中可以得到有效应用。

2.1.2建筑构件改造

2.1.2.1门窗节能设计

建筑中窗户的传热耗热量与空气渗透量之和占建筑总耗热量的 50%左右，是节能重点部位。鲁北地区乡村住宅中使用的单层木窗或者单层铝合金窗，热工性能比较差且窗户面积比较大。考虑到现在农村对墙体保温隔热措施的接受能力有限，加快窗户的节能改造显得尤为重要。在节能设计中，需要对门窗结构以及门窗材料进行有效考量。现阶段，门窗材料主要包含塑窗、木窗、钢窗、铝窗、塑钢窗等多种类型，在具体设计工作中，首先需要对门窗隔热性能进行有效考量，然后需要对门窗采光性能、空气渗漏防护性能与保温性能指标予以分析，确保门窗结构性能可以起到节能效果，最后，需要对门窗外观效果、组装难易度、维修难易度、安全性能以及防火性能进行分析。在气密性上，需要将建筑外墙的气密性控制在 4级以上，玻璃幕墙的气密性控制在3级以上，这样才能有效减低热量损失。在保温性上，以塑钢窗为例，其保温性能相对较好，采光性能较为一般，但组装、维修工作相对较难，防火性能相对较差;以钢窗为例，其抗风压效果、防火性能、安全性能相对较好，维修较为简单，但保温性能相对较差。只有结合工程需要以及外部环境进行全面分析，才能让门窗节能设计工作得到有效完成。除了考虑门窗热工性能以外，还应注重门窗墙体之间的比例。一般来说，需要将北向与东向的窗墙比例控制在 20%，将北向与西向的窗墙比例控制在 30%，将北向和南向的窗墙比例控制在35%。

2.1.2.2幕墙节能设计

在建筑行业中最常使用的幕墙都是多层玻璃式和单层玻璃式，在多层玻璃式当中又包括内层玻璃式和外层玻璃式。对比分析多层呼吸式幕墙和单层呼吸式幕墙可以看出，在双层呼吸式当中大多数采用中空设计方式，空气为热量的不良导体。因此，利用双层呼吸式幕墙能将空气加入到室内，可借助于空气的隔热效果对室内进行保温处理，在较大程度上实现节能环保作用。此外，由于双层呼吸式幕墙具有较高的美观价值，其在通风性和保温性方面表现良好，还可促进空气流通，不断缩小室内和室外的温差，能够在建筑设计技术方面实现节能减排效果。

2.2应用新能源，优化节能措施

2.2.1太阳能资源应用

在节约能源、保护环境方面，新能源的利用起至关重要的作用。新能源通常指非常规可再生能源，包括利用太阳能（光热技术和光电技术）、地热能及风能等。这些能源是清洁能源，是可再生的。所以在建筑节能设计中优先选用新能源技术是技术的革命，是建筑尊重自然、迎合自然的一种合理需求，是建筑节能减排高质量发展的真实所在。鲁北地区属于太阳能资源比较丰富的地区，太阳能光热技术应用有得天独厚的优势。首先是其保温作用，布置集热蓄热墙体。利用蓄热墙体在白天吸引太阳辐射能量并储存，到夜间室内温度开始降低，此时蓄热体开始将存储的太阳能释放到室内，有效给室内提供热量，缓解室内温度波动。蓄热墙体的建筑材料多选用吸热与蓄热的材料，主要包括石材、蜂窝陶瓷、土坯等。选材原则要根据蓄热体表面积比、蓄热体外表颜色、墙体颜色等的不同来决定。也可附加阳光间太阳房。附加阳光间是指在住宅建筑主要房间南侧布置玻璃墙体的建筑。玻璃墙体与建筑原有墙体之间形成空气间层。阳光间的主要作用为热缓冲的作用，防止住宅主要房间内的热量过度散失，有效减少主要房间内的温度波动。为有效提高阳光间接受太阳能辐射的利用效率，改造阳光间的顶部玻璃，将其设置为与冬季太阳光入射角度垂直的角度，有利于更好地接受太阳光辐射。经过试验证明：此种设置方式相比于平行于地面的玻璃顶可提高吸收20%～30%。

其次是其热水供应功能，当前鲁北地区村镇住宅所使用的太阳能热水系统主要由集热器、控制系统、储热水箱和管路等四大部分组成。太阳能热水系统分为分体式（储热水箱和集热器分开放置）和整体式（储热水箱与集热器放置于一起）两种方式。 整体式太阳能热水系统可以应用太阳能真空管进行集热，真空管可以有效保持水温，可与低温水形成对流过程，可使水温达到要求，整体式系统可称为自然循环式。分体式太阳能热水系统与整体式有很多的不同点，分体式系统不使用水参与循环，使用防冻液进行循环，完成循环后的防冻液可通过热交换器将水箱内的水进行加热，相比整体式分体式热水系统更有利于住宅建筑立面的美观性和整体性。最后，也可以利用太阳能进行地暖供热。以太阳能为主要能源来源，当满足阳光日照需求时，太阳能热管真空管集热器可获得由太阳辐射能转化的热能，此部分的热能对蓄热水箱中的冷水进行加热并送入到蓄热水箱的上部，蓄热介质将热量进行存储。地板回水可以进入到蓄热水箱底部。如果水箱供水温度较高，可以调节回水旁路阀门的开度以控制供水温度为一设定数值。阴天或者夜间时，此时太阳能集热器会停止工作，蓄热水箱会直接对地暖盘管进行供热。随着热量的释放，当蓄热水箱中的需热量不足时，可以开启供水管处的电加热器进行补充供热。鲁北地区冬季较为寒冷，需考虑冬季防冻要求，可设置换热器与蓄热水箱内部，对室内集热部分设置为闭合回路并将防冻液添加于载热介质内部。

2.2.2 地热能资源应用

浅层地热能利用技术原理是以近地表层土壤为系统吸收能量或者排放能量的热源。冬季，系统从土壤中吸收热量，加热空气，向房间供暖;夏季，系统由土壤对通入室内的空气进行预冷，有效降低室内温度。当前住宅建筑设计中应用较为广泛的地热能技术主要包括地下浅埋管通风技术以及地源热泵技术。本文主要研究的是地源热泵技术应用。地源热泵系统是以地下水或岩土体、地表水等为热源，由地热能交换系统、水源热泵机组、建筑物内系统组成的供热空调系统。采用主动式手段吸收土壤中的热能，进行提升（降低）温度满足建筑供热或制冷所要求的温度。当前我国地源热泵技术主要应用于城区中的大型居住建筑与公共建筑以及位于城市郊区中无冷热输送官网但冬季需要大面积采暖的培训中心、度假村等建筑。当前地源热泵技术不能大范围普及的主要原因包括：①地源热泵技术主要为非被动技术，必须借助外部机械进行使用，因此造价较高;②地源热泵技术必须采用较大的地下埋管面积，地源热泵技术中横向埋管面积为住宅供暖面积的 1～1.5 倍。举例说明，以地上 100m2的供暖面积为例，必须有地下 100～150 m2的埋管面积;③必须考虑地热换热器中全年吸热和放热的平衡。鲁北地区经济发展较好，建筑容积率也较小，所以具备开发地热能，应用地源热泵技术的条件。

3 分析与结论

我国正进入农村城市化的快车道时期，民居建筑大量涌现。结合现阶段建筑发展中遇到的高能耗高污染问题，民居节能工作势在必行。特别是新材料新技术的研发和应用。本文通过将鲁北地区民居节能技术作为研究对象，积极探索研究适用于其特点的节能减排途径，从围护结构、内部构件、新能源探索三个方面入手，总结出鲁北地区民居节能方案。受制于客观条件以及研究视野的局限性，本文对于民居建筑节能的研究只限于鲁北地区，并且研究范围还不够全面和具体，偏颇之处在所难免。同时许多的研究方案尚处于概念性的阶段，还需要进行更为缜密的研究和论证，文中节能策略研究中的各项节能技术也有待于进一步的优化和提交。也望广大同行、学者献谋献计，共同切磋，深入研究，探索民居节能更广更高效的新天地。

参考文献

[1]冯立全.山东省典型传统民居节能技术研究与应用[D].山东：烟台大学，2013.

[2]王慧.建筑节能理念下的建筑设计探讨[J].住宅产业，2019.08：47-50.

[3]王千银.关于建筑设计中节能建筑设计的思考[J].规划与设计，2019.10：84-87.

[4]刘辉.鲁北乡村住宅的节能设计[J].建筑节能，2007.06：24-26.

[5]黄薇.建筑节能设计现状及优化研究[J].资源节约与环保，2017.08：89-90.

[6]刘淑娟.居住建筑节能设计中的问题与优化策略研究[J].环境科学与管理，2016.08：25-27.

[7]田瑞荣.绿色环保低碳节能建筑设计应用及探讨[J].节能与环保，2019.12：51-54.

[8]吕芳礼.我国绿色建筑发展和建筑节能的形势与任务探析[J].施工技术，2019.07：34-36.

[9]杜峰.鲁北乡村住宅的节能设计[J].建筑节能，2007.10：24-26.

[10]冯智渊.基于太阳辐射热效应规律的集合住宅贯通空间设计模式研究——以乌鲁木齐、拉萨为例[D].陕西：西安建筑科技大学，2020.

作者简介：王才勇（1999-），男，山东滨州人，滨州学院建筑工程学院。

邱雨尧（2001-），男，山东滨州人，滨州学院建筑工程学院。

指导老师：李强（1984-），女，山东滨州人，滨州学院建筑工程学院，讲师。

滨州学院建筑工程学院 山东 滨州 256600