甘肅農(nóng)村住房建筑節(jié)能技術(shù)探討

周茗如，龍利軍，張豪杰，文煜馨

(蘭州理工大學 土木工程學院，甘肅 蘭州730050)

0 引言

據(jù)統(tǒng)計，建筑能耗約占我國全部能耗的30%［1］，有些地區(qū)已接近40%［2］。我國目前單位建筑面積的采暖能耗相當于同緯度發(fā)達國家的2～3倍，為與我國北方氣候條件相似的德國的2.5倍，節(jié)能潛力很大。清華大學的一項大規(guī)模農(nóng)村建筑、能源和環(huán)境綜合調(diào)研結(jié)果顯示，目前商品能源在整個農(nóng)村地區(qū)生活用能中已經(jīng)占到60%，生物質(zhì)能只占到40%。而上世紀80年代，我國農(nóng)村使用薪柴和秸稈等生物質(zhì)能的比例占到80%以上。伴隨著農(nóng)村人口對提高室內(nèi)舒適度的要求，農(nóng)村住宅建筑能耗的比例將會逐步提高。可見搞好農(nóng)村建筑節(jié)能是實施社會主義可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重大舉措。

甘肅已建農(nóng)村房屋建筑約3.8億平方米，很多建筑建造隨意，缺少規(guī)劃和合理的建筑設(shè)計。大部分農(nóng)村家庭都住在以圍墻和房屋圍成的院子里，房屋大多為單進深一層的平房，不同功能的房間大概以四合院的形式分在院子四周，見圖1。

圖1 甘肅農(nóng)村典型院落示意圖

這種單進深的一層房屋體形系數(shù)大，不利于冬季保暖，各種功能的房屋建筑比較隨意，缺少規(guī)劃，浪費建筑材料影響使用及生活衛(wèi)生，既不利于生活舒適性的改善也浪費土地。住宅外墻材料是以機制紅磚和土坯為主，窗為單玻木窗，門為單板木門且長時間開啟，門口周邊無任何密封，屋頂?shù)孛婊緹o保溫隔熱措施;寒冷季節(jié)的主要取暖方式是利用煤炭爐和土炕，室溫均在9℃以下，室內(nèi)的舒適度極其不好，能源利用率極低，同時還要排放大量的二氧化碳，二氧化硫，生態(tài)環(huán)境遭到嚴重破壞。加強建筑物建造前的建筑節(jié)能規(guī)劃設(shè)計;加強農(nóng)居圍護結(jié)構(gòu)的保溫隔熱;因地制宜選用建筑節(jié)能材料，開發(fā)利用可再生的太陽能及生物質(zhì)資源;合理利用地方采暖節(jié)能技術(shù);降低農(nóng)村住房能源消耗，提高農(nóng)村住房的舒適度，是經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的要求，也是工程技術(shù)人員義不容辭的責任。

1 適合甘肅農(nóng)村住房的建筑節(jié)能技術(shù)

1.1 建筑規(guī)劃設(shè)計與節(jié)能

新建建筑的早期設(shè)計規(guī)劃將影響建筑物使用周期的耗能，影響建筑物的規(guī)劃節(jié)能設(shè)計應(yīng)從建設(shè)選址、建筑布局、建筑方位朝向、建筑間距、冬季季風主導方向、太陽輻射等進行深入研究。分析構(gòu)成小區(qū)氣候太陽輻射、大氣環(huán)流和地理條件的有利與不利影響，通過建筑的規(guī)劃布局改善居住條件，形成有利于節(jié)能的微氣候環(huán)境。

建筑物選址應(yīng)首先選擇向陽的原則，利用陽光冬季采暖是最經(jīng)濟最合理的有效手段，所以建筑的基地應(yīng)選擇在向陽的平地或山坡上。為更好的吸收太陽輻射，應(yīng)將向陽的墻面和屋頂涂成深顏色。避免“霜洞”，由于寒冬的冷氣流在凹形基地會形成冷空氣沉積，造成“霜洞”效應(yīng)，故節(jié)能建筑不宜布置在山谷、洼地、溝底等凹形基地。避免“不利風向”。［3］甘肅省全省平均風速1～5 m/s，河西走廊北部及高山地區(qū)平均風速3～5 m/s，河西走廊其余地區(qū)3 m/s左右，河東1～3 m/s。其中大風天氣都集中在冬春季，正是需要采暖的季節(jié)，風向多為西北風，合理選擇封閉或半封閉周邊式布局的開口方向和位置，少開面向西北面的門窗，使建筑群達到避風節(jié)能目的。避免“雨雪堆積”，地形中處理不當?shù)摹安蹨稀?，會在冬季產(chǎn)生雨雪沉積，雨雪在融化(蒸發(fā)與升華)過程中將帶走大量熱量。優(yōu)化建筑物的體型，為了減少熱損失，節(jié)約能源，要把建筑的“體型系數(shù)”控制在一個合理的水平。而如果建筑平面布局復雜，層數(shù)少、凹凸太多，就會造成外表面積增大，建筑熱量損失增加。甘肅地區(qū)鄉(xiāng)村民居通常是以戶為單位的一層獨立式住宅，以幾種典型戶型(建筑面積60～120 m2)為例，其形體系數(shù)在0.7～0.8［4］，對鄉(xiāng)村建筑的節(jié)能極為不利，因此，宜加大進深，最好采用兩戶或幾戶聯(lián)立式布置，以降低體型系數(shù)。由于外窗的傳熱性能比起外墻和屋面高達4～5倍，一般門窗及其縫隙的熱量損失達到建筑物全部熱損失的近一半，所以建筑在滿足采光的要求時應(yīng)盡量少開窗，且應(yīng)把窗開在南面，已更好的獲取太陽光，并減少冬季冷風灌入。在外門設(shè)一個防寒門斗，可減少冷風進入室內(nèi)，特別是面向北向開的門設(shè)防寒門斗可減少冷風吹襲，門斗尺寸要滿足人員進出及使用需求并密封良好。見圖2。(假定北面為冷風面)

圖2 防寒門斗

甘肅大部分地區(qū)處在太陽能豐富或較豐富地區(qū)，有著很好的太陽能利用的自然條件，農(nóng)村地域?qū)拸V，結(jié)合太陽能利用的太陽房是農(nóng)村建筑節(jié)能的有效途徑之一，太陽房設(shè)計要因地制宜、遵循適用、堅固、經(jīng)濟，并注意建筑造型美觀大方。選擇太陽房的建造位置時，要避免周圍地形、地物(包括附近建筑物)對建筑南向及東、西向15°朝向范圍內(nèi)在冬季的遮陽。太陽房平面布置及其集熱面應(yīng)朝正南或南偏東、偏西15°范圍內(nèi)為宜。避免建筑物本身突出部分(挑檐、突出外墻表面的房柱等)在最冷的1月份對集熱面的遮擋。建筑平面內(nèi)部組合時應(yīng)將有嚴格溫度要求的房間盡量朝南布置，并盡量避開邊跨。對主要使用時間在晚上的房間，應(yīng)優(yōu)先選用蓄熱性能較好的集熱系統(tǒng)和集熱部件，以使晚間有較高的室溫。主要居室在無輔助熱源的條件下，室內(nèi)平均溫度應(yīng)達到12℃;室溫日波動范圍不得大于10℃，且夏季室內(nèi)溫度不得高于當?shù)仄胀ǚ课荨Ｌ柗堪磦鳠徇^程分為:直接受益式、間接受益式、隔斷式采暖;按集熱—蓄熱系統(tǒng)分為:蓄熱墻式、集熱蓄熱墻式、附加陽光間式、屋頂淺池式、自然循環(huán)式;按太陽房的功能可分為:太陽暖房、太陽冷房、太陽能空調(diào)房;按所需機械動力的有無分為:主動式太陽房、被動式太陽房。下面為適合甘肅地區(qū)農(nóng)村住房使用的一些被動太陽房的圖例，見圖3～圖5。

圖3 直接受益式太陽房

圖4 附加陽光間式太陽房

圖5 儲熱墻式太陽房

通過各地實踐和測試資料表明［5］:與同類普通房屋節(jié)能率30%相比，被動式太陽能采暖建筑可以達到的節(jié)能率在60%以上。與節(jié)能50%的普通民房建筑比較:被動式太陽房的整體造價估算高出25%左右。與節(jié)能65%的普通民房建筑比較:被動式太陽房的整體造價估算高出15%左右，經(jīng)濟回收期一般在3到8年之間，具有較好的經(jīng)濟可行性。

適合甘肅地區(qū)農(nóng)村住房的主動太陽房則需大力推廣太陽能熱水器以滿足生活用熱水需求，盡量做到太陽能建筑一體化設(shè)計。還可以推廣太陽灶用于炊事需求。

針對甘肅農(nóng)村住房現(xiàn)有的不合理狀況，結(jié)合甘肅省的氣候自然條件及社會發(fā)展需求。以下為適合甘肅農(nóng)村地區(qū)住房建筑節(jié)能、居民生活習慣、經(jīng)濟水平、及未來發(fā)展的典型戶型結(jié)構(gòu)平面圖見圖6。

圖6 陽光間式住房戶型結(jié)構(gòu)圖

該戶型加大了房屋的進深，減少了房屋的形體系數(shù);盡量把臥室和起居室放到了南面，把儲藏室，廚房房間放到北面，提高冬季居住的舒適性;在南面增設(shè)陽光間，陽光間內(nèi)墻及地面選用儲熱性能好的材料，提高了室內(nèi)溫度，在陽光間內(nèi)可栽種一些花木，可美觀及改善室內(nèi)環(huán)境;在迎風面增設(shè)防寒門斗，減少了冬季冷風滲入。

1.2 建筑維護節(jié)能技術(shù)

加強建筑物圍護結(jié)構(gòu)(指外墻、屋面、樓地面)的保溫隔熱性能，利用節(jié)能型門窗提高外門窗的氣密性，是提高居住環(huán)境舒適度，達到建筑物冬暖夏涼的重要措施。

(1)外墻保溫隔熱:目前我國外墻保溫隔熱主要有三種形式(指外承重墻)，即外墻外保溫、外墻內(nèi)保溫、外墻夾芯保溫。據(jù)有關(guān)機構(gòu)測試表明［6］，墻體不做保溫處理其能耗會占到建筑能耗的50%，如果做保溫處理則約占10%～15%，所以做好外墻外保溫對建筑節(jié)能的意義是很大的。

現(xiàn)在普遍使用的有機保溫材料中聚苯板、擠塑板與聚氨酯板保溫性能好，施工簡便;無機保溫材料中保溫砂漿、珍珠巖保溫板相對保溫性能較差;礦棉板、泡沫玻璃板價格昂貴施工復雜。從保溫效率、施工技術(shù)、耐候性、經(jīng)濟回報幾方面綜合考慮。甘肅地區(qū)外墻外保溫用60 mm左右的EPS保溫系統(tǒng)最為適宜［7］。

(2)屋面的保溫隔熱:農(nóng)村住房各種類型的屋面均應(yīng)設(shè)置保溫層，保溫層應(yīng)覆蓋整個屋面。木屋架屋面保溫層可設(shè)置在斜屋面上也可設(shè)置在吊頂上，鋼筋混凝土屋面保溫層應(yīng)設(shè)置在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)層上。

(3)地面保溫防潮:室內(nèi)地面溫度較低，相對比較潮濕，不利于建筑節(jié)能。因此應(yīng)做好地面保溫防潮處理。

(4)外門、窗保溫:針對不同氣候條件和甘肅農(nóng)村住房的具體情況選好節(jié)能型的外門外窗，有條件的地區(qū)，宜采用中空玻璃塑鋼窗［8］。據(jù)有關(guān)資料介紹，單層玻璃鋼窗的傳熱系數(shù)K=5.8而單層玻璃塑料窗的傳熱系數(shù)K=4.2，可減少傳熱量27.5%。如果做成雙層玻璃塑料窗，其傳熱系數(shù)值K可減至2.0～2.2，甚至更小，這是塑料窗作為節(jié)能門窗的有利條件之一。如再采取提高氣密性的措施，將達到較好的節(jié)能的效果，因為外門外窗是建筑物節(jié)能的最關(guān)鍵部位，在能滿足室內(nèi)采光通風的前提下，應(yīng)盡量減少外窗的面積。

1.3 地方節(jié)能采暖技術(shù)

甘肅農(nóng)村住宅一般是一家一戶，獨門獨院;既有住房多為一層建筑，磚墻或土坯墻，新建住房多為單層磚墻或保溫外墻，保溫屋面。

農(nóng)村住房采暖多數(shù)是一家一戶單獨設(shè)采暖設(shè)備，采暖方式一般為火炕、火墻，也有簡易的散熱器采暖系統(tǒng)，其熱源為鋼質(zhì)火爐;還有單一火爐采暖，也是鋼質(zhì)的。用火炕、火墻采暖，炕體、墻體材料可以因地制宜、就地取材，節(jié)省投資。在燃料上可以采用有機質(zhì)材料雜草、碎屑或煤炭;在使用上可以一火兩用，節(jié)約燃料，符合居者生活習慣，可以在一定時間內(nèi)保持室內(nèi)溫度。簡易散熱器采暖系統(tǒng)設(shè)備簡單、系統(tǒng)小，不要鍋爐和水泵，也不要軟水器。一個系統(tǒng)僅帶3～5組散熱器;節(jié)省投資、節(jié)省暖氣費;節(jié)省燃料、適應(yīng)多種燃料(各種秸稈)環(huán)保好;不占房間使用面積，室內(nèi)布置靈活(見圖7、圖8)。

圖7 簡易散熱器采暖

圖8 簡易散熱器采暖系統(tǒng)

本圖特點是:火爐比散熱器低、沒有水泵、水箱(膨脹罐)裝在供水總立管頂端，比散熱器高，比最高水平干管高20 cm。

2 結(jié)語

根據(jù)甘肅農(nóng)村的自然氣候條件和既有住房的狀況，在對農(nóng)村住房建筑節(jié)能影響比較大的建筑前期規(guī)劃設(shè)計、建筑維護結(jié)構(gòu)做法、新能源的利用、地方采暖節(jié)能技術(shù)幾個方面系統(tǒng)的對甘肅農(nóng)村住房建筑節(jié)能進行探索分析。對農(nóng)村住房建筑節(jié)能工作的開展提供較好的指導建議。

［1］韓喜蓮，王瑛，周茗如.辦公樓改造的節(jié)能設(shè)計［J］.低溫建筑技術(shù)，2010(2):111－112.

［2］劉勝，孔杰，阮文易，周茗如.我國北方地區(qū)供熱改革現(xiàn)狀及對策［J］.節(jié)能技術(shù)，2010，28(2):150－153，181.

［3］鄧振鏞，謝金南，劉德祥，尹東.甘肅氣候特點與開發(fā)利用［J］.甘肅氣象，1998(16):14－17.

［4］趙華，金虹.北方寒冷地區(qū)鄉(xiāng)村住宅本土生態(tài)技術(shù)研究［J］.哈爾濱工業(yè)大學學報，2007(2):235－237.

［5］劉葉瑞，張學東.被動式太陽房技術(shù)及應(yīng)用前景［J］.新能源產(chǎn)業(yè)，2007(2):34－37.

［6］洪艷惠.外墻保溫在建筑節(jié)能中的作用［J］.山西建筑，2011(4):200－201.

［7］周茗如，孔杰，阮文易.外墻外保溫系統(tǒng)適宜性風析研究［J］.低溫建筑技術(shù)，2010(6):116－118.

［8］黃德中，沈吉寶.建筑節(jié)能技術(shù)綜述［J］.太陽能學報，2007(6):682－687.