寒冷地區(qū)鄉(xiāng)村既有住宅建筑節(jié)能改造研究＊

陳 雪 ，馬紅杰

（1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)建筑學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)綠色建筑重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；3.北京市規(guī)劃和自然資源委員會(huì)，北京 101160）

0 引言

國(guó)家“十四五”規(guī)劃綱要中，要求加快綠色轉(zhuǎn)型發(fā)展、重視生態(tài)文明建設(shè)，綠色發(fā)展已經(jīng)成為我國(guó)現(xiàn)階段重要的發(fā)展理念，是指導(dǎo)規(guī)劃建設(shè)的基本原則和依據(jù)。黨的“十九大”報(bào)告提出，要把美麗鄉(xiāng)村建設(shè)作為城鄉(xiāng)建設(shè)的重點(diǎn)。鄉(xiāng)村居民對(duì)于室內(nèi)舒適度的需要與農(nóng)村落后的建設(shè)條件之間形成了矛盾，落后的建設(shè)條件導(dǎo)致了農(nóng)村住宅建筑能源高度消耗的現(xiàn)象。根據(jù)《中國(guó)建筑能耗研究報(bào)告》（2020）數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)建筑總能耗為21.47億tce，其中農(nóng)村建筑運(yùn)行階段的能耗為2.38億tce，農(nóng)村居住建筑碳排放量占全國(guó)能源碳排放的21%，并且農(nóng)村居住建筑碳排放強(qiáng)度一直保持增長(zhǎng)趨勢(shì)。為了改善全國(guó)總能耗的現(xiàn)狀，鄉(xiāng)村居住建筑的能耗問題是解決的重點(diǎn)。

1 寒冷地區(qū)鄉(xiāng)村住宅建筑節(jié)能問題

寒冷地區(qū)鄉(xiāng)村住宅的能源浪費(fèi)可以分為建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的能量損失以及獲取能源方式自身的高耗能。冬季，室內(nèi)熱度向外流失、取暖耗材使用不合理導(dǎo)致能源浪費(fèi)；夏季，室外熱度向室內(nèi)擴(kuò)散，因舒適度降低而采取主動(dòng)制冷技術(shù)導(dǎo)致能源浪費(fèi)。從《中國(guó)建筑能耗研究報(bào)告》（2020）可以看出，我國(guó)建筑耗能主要在于寒冷地區(qū)的冬季采暖，所以要重點(diǎn)關(guān)注鄉(xiāng)村住宅冬季節(jié)能的問題。

我國(guó)幅員遼闊，不同采暖地區(qū)所面臨的住宅節(jié)能問題也不盡相同。如北京房山農(nóng)村地區(qū)的住宅建筑基本不采取保溫設(shè)計(jì)，南向的窗墻比平均0.6，窗口的熱損失很大。寧夏地區(qū)農(nóng)宅的建造材料選用茅草泥屋面和生土磚塊，這類材料導(dǎo)熱系數(shù)大、厚度薄，并且圍護(hù)結(jié)構(gòu)沒有采取任何保溫措施。“三北”地區(qū)農(nóng)房保溫隔熱性能差，室內(nèi)污染嚴(yán)重，為了追求城市化的用能模式，盲目地用燃煤來取代生物質(zhì)能。西北地區(qū)農(nóng)宅建筑屋頂大多未進(jìn)行保溫，冬季的采暖能耗高，室內(nèi)溫度低、熱舒適性差。西部鄉(xiāng)村的居民缺少對(duì)于本地材料與建造形式的認(rèn)同感，一味模仿城市建筑的框架結(jié)構(gòu)而導(dǎo)致需要更多的能耗才能維持室內(nèi)的舒適性。有的地區(qū)小型燃煤鍋爐的熱效率很低，產(chǎn)生的熱量大部分從鍋爐浪費(fèi)流失。盡管各個(gè)地區(qū)所出現(xiàn)的能源消耗問題各不相同，但共性問題更多：建造所使用的建筑材料比較落后，材料的保溫隔熱性質(zhì)較差；建造技術(shù)也較為落后，很少有住宅建筑使用綠色建材和節(jié)能技術(shù)；建造農(nóng)宅時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)基本不采取保溫措施；在燃料使用上不能因地制宜，盲目追求燃煤燃?xì)狻?/p>

2 寒冷地區(qū)鄉(xiāng)村住宅節(jié)能研究方法與策略

2.1 農(nóng)宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能措施

圍護(hù)結(jié)構(gòu)的能量散失在整個(gè)能源消耗中占有很大比重，尤其是墻體窗口部分以及屋頂部分，在冬季采暖期間熱量散失較為嚴(yán)重。在農(nóng)宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能改造方面，由于國(guó)內(nèi)外各個(gè)地區(qū)所處的自然環(huán)境差異較大，所以不同農(nóng)村地區(qū)住宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能技術(shù)也各不相同。

我國(guó)寒冷地區(qū)冬季圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能技術(shù)的研究多采用實(shí)地調(diào)研測(cè)試、建筑模型模擬分析、問卷調(diào)查等方法。北京房山區(qū)農(nóng)宅在窗口處理方面用三玻塑鋼窗代替單層木窗，為了降低窗戶的傳熱系數(shù)，可以采用增加窗的層數(shù)，用密封性能好的塑鋼窗等方法；在門口處理方面可以加設(shè)門斗或使用保溫門，保溫門的傳熱系數(shù)不應(yīng)大于2.0W（/m2·K）。在寧夏農(nóng)村地區(qū)，為了防止農(nóng)宅門窗透風(fēng)，可以使用單框雙玻塑鋼窗，在室內(nèi)一側(cè)增加密閉性，在室外一側(cè)留有適當(dāng)縫隙，避免玻璃表面出現(xiàn)結(jié)露。“三北”地區(qū)大力推廣燒結(jié)非黏土多孔磚、加氣混凝土、EPS板、中空玻璃等節(jié)能材料的使用。為了提高熱阻，西藏地區(qū)農(nóng)宅主要采用增加夯土的厚度，將壁厚適當(dāng)調(diào)整至500mm，采用60mm和40mm厚的聚苯板對(duì)南側(cè)磚墻和煙道進(jìn)行保溫，使用雙層玻璃及太陽房被動(dòng)式節(jié)能技術(shù)。由此可以看出，增加圍護(hù)結(jié)構(gòu)的蓄熱性能、加強(qiáng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱橋保溫是寒冷地區(qū)農(nóng)宅冬季墻體節(jié)能的主要措施，門窗洞口處保溫要加強(qiáng)氣密性、減小門窗傳熱系數(shù)。寒冷地區(qū)夏季的節(jié)能以通風(fēng)隔熱為主，可將屋頂做成通風(fēng)間層或采用兜風(fēng)檐口等做法。

適用于非透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫材料主要有5種：擠塑聚苯乙烯、膨脹聚苯乙烯、玻璃棉、巖棉和聚氨酯（見圖1）。擠塑聚苯乙烯的優(yōu)點(diǎn)是輕質(zhì)、物理性能好、吸水率低、導(dǎo)熱系數(shù)低，缺點(diǎn)是防火等級(jí)低（B2或以下）、不透氣、易脫落、壽命短、耐溫低（45℃以下）、熱縮，適用范圍為外墻和內(nèi)墻的保溫。巖棉的優(yōu)點(diǎn)為防火等級(jí)高，為A（A1）級(jí)，耐高溫、耐酸堿、壽命長(zhǎng)，缺點(diǎn)為施工難、吸水率高、易變形、導(dǎo)熱系數(shù)高、物理性能差、密度大。國(guó)家對(duì)于保溫材料防火的A級(jí)規(guī)定和工業(yè)對(duì)于耐高溫材料的需求是巖棉的市場(chǎng)機(jī)遇，其適用范圍是工業(yè)防火、夾墻填充、屋頂、彩鋼夾芯。聚氨酯的優(yōu)點(diǎn)為輕質(zhì)（35～50kg/m3）、熱固、耐高溫（120～150℃）、導(dǎo)熱系數(shù)低、吸水率低、物理性能好、壽命長(zhǎng)、耐酸堿、易施工，缺點(diǎn)為防火性能差，防火等級(jí)為B（B1、B2）級(jí)，價(jià)格高。國(guó)家對(duì)熱縮性材料的限制使聚氨酯保溫板優(yōu)勢(shì)明顯，適用范圍為外墻、內(nèi)墻、彩鋼夾芯，其在2012年被住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部列為需要大力推廣的新型建筑保溫材料。膨脹聚苯乙烯的優(yōu)點(diǎn)為質(zhì)量輕、能夠回收利用、表面吸水率低、抗沖擊能力較好，缺點(diǎn)為易燃且施工過程繁瑣、施工周期長(zhǎng)。玻璃棉的優(yōu)點(diǎn)為防火等級(jí)高（為A級(jí)不燃材料）、導(dǎo)熱系數(shù)低、體積密度小自重輕、具有阻燃作用、抗拉抗震性能好、吸聲效果好、材質(zhì)易于剪裁、可循環(huán)使用，缺點(diǎn)是易碎、耐磨性差。

圖1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫材料

我國(guó)墻體保溫工程中，膨脹聚苯乙烯的使用率在70%以上，擠塑聚苯乙烯使用率在8%～10%，巖棉和玻璃棉的使用率分別在6%和3%。透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫節(jié)能玻璃有熱反射玻璃、Low-e玻璃、中空/真空玻璃和鍍膜玻璃。

2.2 新能源節(jié)能措施

1）利用太陽能節(jié)能技術(shù) 鄉(xiāng)村住宅相比于城市住宅來說更適合利用自然環(huán)境降低能耗，尤其是太陽能。農(nóng)村住宅多為自帶院落的平房，在寒冷地區(qū)，冬季的采暖與采光可以最大程度地利用太陽能。在西北農(nóng)村太陽能資源充沛的地區(qū)，大力推行被動(dòng)式太陽能采暖技術(shù)可以減少農(nóng)宅的燃煤消耗。被動(dòng)式太陽能技術(shù)有直接獲取式和附加陽光間（見圖2，3）等方式。被動(dòng)式太陽能技術(shù)可以利用自然采光減少照明能耗，室內(nèi)使用淺顏色可將光反射到深處，天窗增加反光板可將太陽光反射到室內(nèi)。主動(dòng)式太陽能節(jié)能措施主要為太陽能熱水系統(tǒng)及太陽能板發(fā)電系統(tǒng)，農(nóng)村平房院落的條件有利于安裝各種太陽能集熱設(shè)施。

圖2 附加陽光間供上層采暖

圖3 附加陽光間加吊扇

2）其他類型能源節(jié)能技術(shù) 可再生資源例如生物質(zhì)材料、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)廢料、動(dòng)植物廢棄物等，在寒冷地區(qū)部分農(nóng)村，這些都是豐富的沼氣生產(chǎn)資源。沼氣可用來取暖、照明、做飯，沼液和沼渣含有許多有機(jī)營(yíng)養(yǎng)成分，可用作農(nóng)作物肥。西部地區(qū)農(nóng)村當(dāng)?shù)厥a(chǎn)的黃連植物秸稈可作為沼氣原料，為村民提供部分炊事能源，同時(shí)又可以為照明、用熱等提供方便。生物質(zhì)能豐富的地區(qū)可以繼續(xù)延續(xù)傳統(tǒng)的以生物質(zhì)能為主的用能方式，而不應(yīng)該盲目使用燃煤或天然氣以追求城市化效果。寒冷地區(qū)的許多農(nóng)村仍然沿用火爐、火炕類傳統(tǒng)的供暖方式，這類傳統(tǒng)的供暖方式應(yīng)該予以保留，因地制宜的供熱方式更能減少當(dāng)?shù)氐哪茉聪摹?/p>

3 寒冷地區(qū)鄉(xiāng)村住宅節(jié)能改造實(shí)例

選取我國(guó)河北省農(nóng)村住宅作為研究實(shí)例。該地區(qū)緊鄰北京通州區(qū)東部，受北京四合院的影響，該地區(qū)的農(nóng)宅建筑形式與一般寒冷地區(qū)的平屋頂建筑不同，屋頂為坡屋頂。該地區(qū)農(nóng)村發(fā)展較快，傳統(tǒng)的火爐、火炕早已停用，又由于國(guó)家政策要求，燃煤也被燃?xì)馊〈用穸救∨媚茉淳鶠樘烊粴狻?duì)既有農(nóng)宅進(jìn)行節(jié)能改造，主要考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)的改善以及對(duì)太陽能的利用（見圖4）。

圖4 農(nóng)宅附加陽光間

圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能改造要結(jié)合建筑特點(diǎn)并且考慮居民室內(nèi)體感舒適度的特殊性。由于農(nóng)村居民室內(nèi)與室外活動(dòng)交互頻繁，所以要保證即使在室內(nèi)溫暖的條件下也不與室外溫差過大。現(xiàn)有墻體的保溫改造可選用外保溫方式，在建筑北墻外側(cè)加聚苯板保溫層，窗戶可更換為單框鋁合金、中空玻璃窗。屋頂由于為坡屋頂形式，材料為木質(zhì)桁架、瓦片、茅草，外保溫?zé)o法實(shí)現(xiàn)，因此可在室內(nèi)吊頂層外做內(nèi)保溫結(jié)構(gòu)。將聚苯乙烯顆粒包裝成小袋鋪（平均厚度為10～15cm）在吊頂上，這種方法不影響吊頂?shù)脑薪Y(jié)構(gòu)但影響室內(nèi)美觀。太陽能熱水集熱是目前農(nóng)村對(duì)太陽能最大的利用，而太陽能板的使用幾乎沒有，原因在于居民的太陽能利用意識(shí)不強(qiáng)以及太陽能板的安裝耗費(fèi)資金與回報(bào)不成比例。在被動(dòng)式太陽能利用方面，可以在農(nóng)宅南向外加陽光間。

4 結(jié)語

我國(guó)寒冷地區(qū)鄉(xiāng)村既有住宅建筑能耗損失的主要原因在于冬季采暖期建筑熱量的流失，其原因是住宅建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能差以及能源利用效率不高。寒冷地區(qū)鄉(xiāng)村住宅節(jié)能改造技術(shù)主要包括增加磚墻外保溫或夯土墻厚、設(shè)置雙層窗戶、加設(shè)外門門斗、利用被動(dòng)式太陽能技術(shù)、使用主動(dòng)式太陽能技術(shù)等。對(duì)于寒冷地區(qū)鄉(xiāng)村住宅的節(jié)能改造方向、夏季空調(diào)節(jié)能方面的研究，同樣可作為鄉(xiāng)村住宅建筑節(jié)能的研究重點(diǎn)。