三江源农牧区同仁县既有农房改造设计研究

西安交通大学人居环境与建筑工程学院

赵佳莹 陈洋 赵彬彬 冯嘉恒

1 同仁县地理位置及气候条件

同仁县隶属黄南藏族自治州，距省会西宁市约181公里，是以唐卡、堆绣、雕塑为主的“热贡艺术”的发祥地^[1]。同仁县气候属大陆性高原凉温、冷温半干旱气候，其特点是气温日差大、太阳辐射强。全年平均气温为5.6摄氏度，最冷月平均气温为-7.3摄氏度^[2]。

由于太阳能资源丰富，具备较好的光伏发展条件。近年来，同仁县大力发展光伏扶贫产业，目前已建成了塔湘滩10兆瓦、赛加滩20兆瓦和贫困村10兆瓦三座集中式光伏扶贫电站，总装机容量41兆瓦[3]。

2 同仁县既有农房改造方案设计

同仁县既有农房位于同仁县著名藏传佛教寺庙隆务寺的东南方向，受到当地旅游业的影响，业主早有将农房改造为民宿经营的需求。根据所处环境，增加功能包括民宿用房、活动交流室、临街便利店、公共厨房及餐厅。同时，由于既有农房室内热环境较差，室内温度较低，冬季需要依靠煤炉取暖，能源消耗较大，需要对建筑保温性能进行提升以满足基本生活需求。

基于以上现状情况，对既有农房进行改造设计。

2.1 平面设计

在原有建筑的基础上，向南侧拓展形成围和式建筑，布局方正。内庭院上方设置采光玻璃形成阳光房，保证了四周建筑采光的同时形成温室，为建筑蓄热保温。所有功能房间围绕中心庭院布置，两户民宿房间及业主居住房间分别位于庭院的南侧和北侧，充分利用内庭院的阳光房作用及南向大开窗的直接采光效果，辅助用房及出入口布置在东西两侧，减少开门开窗，避免热量散失。

从流线上讲，户主利用东北侧与厨房联通的入口进出，住户利用西南角主入口进出，临街商店具有独立出入口，三条流线互不打扰，住户空间与业主空间具有相对独立性和私密性，在东侧中间拥有活动室能够进行停留活动，如图1\图2所示。

图1 同仁县既有农房改造平面图

图2 同仁县既有农房改造设计内部

图3 同仁县既有农房改造设计外观

2.2 立面设计

在立面设计上，首先考虑到该地气候条件，在南侧居住空间开大窗以进行直接采光。考虑该地冬季主导风向为西北风，建筑西北两侧原则上不开洞口，但由于建筑西侧有主要道路，将入户门布置在西南侧，沿街商铺开校门及条形窗，避免大面积洞口造成的热量散失，如图3所示。

建筑第五立面中南侧的建筑屋顶采用的是传统坡屋顶的形式，北侧为既有平屋顶建筑。在上方布置光伏板进行太阳能的利用。东西两侧为平屋顶，方便用户晾晒食物等生活应用。在庭院上空采用钢骨架轻型屋面板和安全玻璃，增强室内采光。

2.3 剖面设计

（1）冬季阳光间供暖分析

冬季时，附加式阳光中庭作为直接受益式阳光房积聚热量。冷、热空气通过建筑的门窗进行交换，为室内空间带去热空气，保持室内温度适宜，如图4所示。

（2）夏季阳光间供暖分析

夏季，打开采光屋顶两侧的通风口，使得热空气排到室外，冷空气通过门窗洞口进入室内，降低室内温度，维持舒适度，如图5、图6所示。

图4 冬季阳光间供暖分析

图5 夏季日间阳光间供暖分析

图6 夏季夜间阳光间供暖分析

3 主被动式节能技术应用

3.1 被动式技术：新型复合保温墙体钢结构体系

新型复合保温墙体钢结构体系中包含钢结构和新型墙板体系，是一种采用钢结构、聚苯板和聚合物3D打印油墨组合形成的苯板三明治墙体。墙体构造中以钢丝斜插筋固定，钢丝网片受力，聚苯板固定在双侧钢丝网片结构内以满足保温需求。在钢丝网片外侧涂抹包含纤维和加强剂的聚合物3D打印油墨，以达到保温、隔音、防水、防火等效果，并能够作为墙体饰面直接使用。

详细构造层次为35mm厚聚合物3D打印油墨+钢丝网片+80厚聚苯板+钢丝网片+35mm厚聚合物3D打印油墨，传热系数为0.3W/（m•k2），如图7所示。

图7 新型复合保温墙体钢结构体系

此新型墙体系统将围护结构与承重构件相互联系，形成一体化设计，提高了建筑的整体抗震性能。施工时，预先在工厂进行预制化加工，同时在工厂内可以根据位置、功能的不同，一次完成门窗的安装，减少了现场施工的作业量与作业难度。在一定程度上保证了墙体的气密性效果。聚合物3D打印油墨的使用，将钢构件包裹在其内，可以有效避免钢结构建筑防火、防腐性能差、易形成冷桥等缺点，加强了墙体保温、隔音吸音、防水、阻燃、防腐效果。此墙体的各个构造层次可以在工厂一次性完成，避免了传统墙体多层次处理的复杂工序，真正做到墙体材料一体化生产，缩短现场施工时间[4]。

3.2 主动式采暖技术

本项目采用的采暖系统主要包括太阳能光伏发电+空气源热泵采暖系统、碳纤维地暖系统、生物质气化炉采暖系统。

（1）太阳能光伏发电技术

当地太阳能资源丰富，所以在建筑北侧屋面上布置了四块光伏板。利用太阳能光伏发电技术，通过光伏逆变器及光储一体机将太阳能转化为电能进行利用和储存，减少非清洁能源的应用。对于光伏发电产生的过多的电能，进行电能采集及储存。当光伏发电无法满足使用量时，释放已储存的电能供以应用，最大程度地实现可再生能源的利用^[5]。光伏发电产生电能主要提供室内照明、采暖、热水及炊事之用。

（2）空气源热泵技术

为避免单一热源的不稳定性，利用太阳能光伏与空气源热泵综合采暖的形式为建筑内部提供热量。太阳能光伏发电产生的电能供给空气源热泵进行应用。当太阳能光伏的发电量大于空气源热泵需求量时，其用电消耗全部由光伏发电系统承载，当光伏发电量较小时，空气源热泵采用市政供电^[6]。空气源热泵的开启与关闭基于室内外的温度，当室内温度低于设定值时，空气源热泵开始运行，当室外温度高于设定值时，停止供热，利用室内外温差进行温度交换^[7]。

空气源热泵主要为北侧两层既有建筑提供热源，采用75/50摄氏度的低温热水，末端采用散热器为各房间分别供热。

（3）碳纤维电地暖技术

在民宿房屋及活动室的地面增加碳纤维电地暖技术，在地面保温层之上增加纯铝玻璃纤维布，碳纤维发热线缆，玻璃纤维网以及储热层，利用碳纤维材料耐高温、抗摩擦、导电、导热及耐腐蚀性强等特性，在其两端加压导电，使电能迅速转化为热能，通过辐射热形式向室内提供热量[8]。相比于传统点式的暖气片、散热器，提供更加均质、温和的热量，人体感受更为舒适。并且相比于传统供热形式，碳纤维电地暖技术的热能转化效率更高，极大减少了能源转换过程的非必要消耗。

（4）生物质气化炉技术

图8 生物质气化炉

生物质燃料，将生物质能转化为热能的一种装置^[9]。在该地区主要使用牛粪、木屑、秸秆进行化解转换。设计中将生物质气化炉布置在厨房，并与水盘管相结合，利用生物质气化炉加热热水，利用水循环为房间进行供暖。在供暖的同时，也应用于做饭、烧水和淋浴，满足日常生活需求，如图8所示。

生物质气化炉安装成本低，设备操作简单，设备占地面积小，便于家庭使用。转化效率较高，与水盘管结合，传热速度较快，能够为普通农宅提供日常所用。采用的是生物质能，来源广泛，清洁安全。

4 黄南州同仁县示范房运行效果

黄南州同仁县示范房于2020年9月已基本完工，并对该示范房进行了实地测试。测试在非采暖的自然情况下进行，在测试周期内，外界气温在5.3～15.8摄氏度之间变化，平均温度9.2摄氏度，室内温度在12.5～20.0摄氏度之间变化，平均温度14.9摄氏度。室内外温差明显，建筑保温性能较好，室内舒适度极大提升，业主反馈非常满意。

参考文献

[1] 张俊英.青藏高原多民族聚居区旅游产业与文化产业融合发展研究——以青海同仁县为例[J].辽宁师范大学学报(社会科学版),2017,40(01):87-92.

[2] 百度百科-同仁县[EB/OL]https://baike.baidu.com/item/同仁县/6108387?fr=aladdin#reference-[1]-336849-wrap,2019,04.

[3] 青海新闻网-青海新闻-光伏产业绿色扶贫的大“引擎”[EB/OL]http://www.qhnews.com/newscenter/system/2019/06/06/012896832.shtml，2019，06.

[4] 尹伯悦,赖明,曲俊义,谢飞鸿.新型节能建筑免拆模板装饰一体化复合墙体施工工艺的研究[J].新型建筑材料,2007(04):41-43.

[5] 许迎东,刘浩.太阳能发电技术的研究与展望[J].河北农机,2020(09):67-68.

[6] 杨孝刚,王宝明,邢磊,牛金玲,樊晓庆,邓海林,韩军,强利东.太阳能-热泵复合加热技术在采油三厂的应用探讨[J].石油石化节能,2019,9(09):9-12+8.

[7] 周文斌.空气源热泵技术用于建筑供暖的经济性分析[J].铁路节能环保与安全卫生,2020,10(03):30-34.

[8] 闫文化.碳纤维电地暖系统在绿色节能建筑中的应用探讨[J].创新科技,2014(11):28-29.

[9] 彭敏,毕大鹏,邵如意,刘淑媛.我国生物质气化炉研究现状及未来的挑战[J].能源化工,2020,41(04):1-6.