隴東南地區農村民居節能現狀調研及生態改造策略★

裴俊華，侯 斌，馬云龍，劉維珩

(1.甘肅林業職業技術學院,甘肅 天水 741020； 2.甘肅建投土木工程建設集團有限責任公司,甘肅 蘭州 700070)

0 引言

隨著當前我國經濟和社會的快速發展，農村的發展也進入了新時期，農業的機械化和現代化、農村產業結構的調整、數字經濟的發展以及城鄉間人口的流通從各個方面改造著傳統農村的面貌。鄉村地區的景觀風貌、鄉土文化、聚落結構、鄉村環境等經歷巨大的變化和重構[1]。國家鄉村振興戰略提出了產業興旺、生態宜居、鄉風文明、治理有效、生活富裕的總要求，明確指出要持續改善農村人居環境。

隴東南地區農村經濟發展相對滯后，同時受地理位置和自然環境的影響，交通不便，缺少比較專業的設計和施工隊伍，基礎設施建設薄弱，農村民居的建設和發展處于無序狀態，綠色生態可持續的建造方式還相對滯后。近些年，隨著農村經濟的發展，新建農宅多為“現代化”的磚混結構房屋，但由于農民缺乏節能意識、不具備專業農宅建造技術，農村民居建筑能耗增長迅速成為普遍態勢。因此，在鄉村振興和雙碳目標的大背景下，對隴東南地區農村民居進行生態節能改造勢在必行。

1 隴東南地區農村民居現狀及問題分析

為了解隴東南地區農村民居建筑形態、圍護結構構造形式、建筑熱工條件、能耗情況、農民對節能減排的認識和對建筑節能技術投入的意愿等，課題組研究人員對天水市秦州區、麥積區、秦安縣以及隴南市西和縣、禮縣的共計五十余戶村民及其住宅通過問卷調查和現場實測的方式進行了調研。

1.1 民居建筑基本情況

隴東南農村民居建筑的建造方式大都是依照傳統或是參照鄰居親戚的已建成建筑，使得農村住宅在平面布局和建筑樣式方面大同小異。當地的建筑類別主要有土木建筑、磚木建筑和磚混建筑，其中磚木和磚混建筑占比約為63.2%，且所占的比例越來越大。通過實測數據統計分析，得到調研建筑的體形系數平均值約為0.86，超過平均值的建筑所占比例約為32.3%。當地農村住宅多為院落獨立式建筑，1層以上建筑較少，多數建筑有三面外墻，因此體形系數偏大。農村民居建筑以正面開窗居多，東、南、西和北向窗墻比平均值分別約為0.12,0.19,0.12和0.09，可見隴東南地區農村民居建筑窗墻比相對較小，也是當地傳統建筑主動適應冬季較為寒冷的氣候特點的具體體現。

1.2 圍護結構情況

外圍護構件是建筑防寒的主要防線[2]，也是適應氣候的重要途徑，包括外墻、屋頂和外門窗。

1.2.1 建筑外墻的熱工性能

隴東南地區農宅建筑外墻類型主要以生土墻(土夯墻、土坯墻)、實心磚墻、空心和多孔磚墻為主，生土墻和磚墻分別用水泥砂漿和草泥漿抹面，基本未采取任何保溫構造措施。實心磚墻中，二四墻和三七墻所占比例較大，分別約為65.6%和23.0%。生土墻的厚度一般在300 mm～600 mm之間，絕大多數生土墻的厚度在400 mm左右。空心磚和多孔磚墻的使用相對較少，不到8%。為對比分析不同材料和厚度外墻的熱工性能，根據磚墻的傳熱系數對建筑外墻進行了分類(如表1所示)。

表1 外墻類型及熱工參數

由表1可以看出，外墻的熱工性能普遍較差。外墻A應用的比例最大，約為46.2%，而它的傳熱系數值也最高，大于2.16 W/(m2·K)，傳熱系數比較低的外墻C和外墻D，只占約26.9%。

1.2.2 建筑屋頂的熱工性能

在隴東南地區，坡屋頂和平屋頂是當地農宅最主要的屋頂形式，其中坡屋頂所占比例較多，約為63.7%。坡屋頂的主要構造層從下往上依次為木板條、草泥漿、青瓦或紅機瓦，屋頂的主要保溫構造是由黏土和秸稈這些較為廉價且容易獲得的材料組成的草泥漿，坡屋頂的厚度主要在120 mm左右。平屋頂多為現澆鋼筋混凝土樓板，厚度在100 mm～180 mm之間，大多只是單純的結構層加水泥砂漿抹灰層，基本沒有采取任何的保溫隔熱措施。從表2可以看出，這兩類屋頂的傳熱系數都相對較大，分別約為2.27 W/(m2·K)和2.63 W/(m2·K)，整體平均傳熱系數約為2.56 W/(m2·K)，平均熱惰性指標為3.86。磚木和磚混建筑中，有吊頂的約占總調查建筑的12%，吊頂材料主要是輕鋼龍骨/鋁合金龍骨+石膏板/人造木板。

表2 主要屋頂類型及熱工參數

1.2.3 建筑外門的熱工性能

隴東南地區現有農村民居建筑外門多為木門、鋁合金門和金屬防盜門，且主要以單層木門為主，所占比例約為68.4%，主要原因是木門有制作技術成熟、構造簡單、取材方便等優點。由表3可見當地農宅建筑外門傳熱系數偏高，熱工性能較差。

表3 外門類型及熱工參數

1.2.4 建筑外窗的熱工性能

隴東南地區農村民居建筑所用外窗主要有單層木窗、單層鋁合金窗、單層鐵窗和單層塑鋼窗。其中鐵質和鋁合金窗框的利用率最高，約為69.3%，木質窗框在新建建筑中已基本不用。由于全部使用單層玻璃，導致窗的傳熱系數普遍較大，熱損失較多，非常不利于節能。通過統計計算，外窗的傳熱系數平均值約4.34 W/(m2·K)，其整體熱工性能也較差。

1.3 建筑用能現狀

農村民居主要的能源消耗來自于冬季采暖、炊事、家用電器等，目前隴東南農村地區住宅建筑中冬季采暖還是延續傳統做法，以煤爐、火炕(電熱毯)為主。煤爐采暖也只是局部采暖，設備簡陋、熱效率低、能耗高、熱舒適性差，而且燃煤容易污染室內空氣和墻面，影響居民身體健康，污損墻面裝修。村民的主要炊事用能有燃煤、秸稈、薪柴、電、液化氣等，設備主要有柴火灶臺、電磁爐、電飯煲、液化氣灶等。目前絕大多數還是以柴火灶臺為主，可以有效利用當地修剪果樹的樹枝以及秸稈，但衛生條件較差，冬季使用也較為不便。隨著收入和生活水平的不斷提高，村民的用電設備也越來越豐富，使得農村居民戶均用電量近些年增長較快。

2 隴東南地區農村民居綠色節能改造原則

根據實地調研情況，對現有農村住宅進行生態節能改造還存在著較多困難，例如改造費用較高、農民固守傳統的生產和生活習慣、傳統住宅體形系數偏大等。因此綜合分析當地的傳統習俗、自然生態環境和經濟發展現狀，提出以下改造原則[3]。

2.1 地域適宜的原則

國內不同類型的傳統民居的形成多是因為各地自然環境不同造成的，而同一地域民居體現出的某些相同的建筑特征又是對當地氣候環境的適應。我國農村分布較為廣泛，氣候類型多種多樣，因此全國形成風格迥異的特色民居[4]。所以應該在綜合考慮當地的地理氣候、資源環境、生產生活方式、建筑文化等因素的基礎上，采用適宜地域特點的建筑節能改造技術，最大限度地利用當地的自然資源、保護生態環境、傳承建筑文脈，使改造后的建筑兼有時代特征和地域特色。

2.2 技術適宜的原則

在對傳統民居進行生態節能改造時，選擇改造技術不能一味地強調傳統技術而忽視現代技術的優越性，也不能一味地去追求現代技術的先進性，轉而忽視了傳統技術在生態環保和地域適應性等方面的優勢。總的來說，選擇滿足當地經濟條件下的適宜性技術是未來農村傳統民居建筑正確的節能改造途徑。

2.3 經濟適宜的原則

農村民居建筑節能改造在技術選擇上，除了要考慮當地的自然環境因素以外，還要更多地關注當地的經濟條件。費用較高是一般農村家庭所不能接受的，因此在對同一地區的不同家庭的住宅進行節能改造時，要根據家庭的實際收入情況選擇適宜的方案和技術，不能千篇一律或不切實際。對于經濟條件較好的家庭，在對其住宅進行改造時，可以更加注重生活質量的提高，對此類住戶可使用一些現代的、先進的節能環保和智能建造技術，如現代太陽能技術、外墻保溫技術等。對于經濟條件相對較差的家庭，節能改造方式的選擇要充分研究當地傳統的建造技術和建筑材料，了解它們的優缺點，結合現代建筑技術對傳統技術和材料進行革新，以降低節能改造的費用。

3 隴東南地區農村民居節能改造策略

民居節能優化設計，可以從建筑體形、窗墻比、墻體傳熱系數、屋面與門窗保溫等方面入手[5]。隴東南地區農村傳統建筑的生態節能改造，在基于地域、技術、經濟適宜的原則上，主要從改善外圍護結構保溫、調整用能結構、改造建筑空間三個方面開展。

3.1 改善外圍護結構保溫

3.1.1 外墻

墻體是建筑圍護結構的重要組成部分，冬季通過外墻散失的熱量約占總散熱量的33%，耗能十分嚴重。因此，外墻是建筑圍護結構節能技術的關鍵[6]。對于土坯結構墻體，考慮到鄉村風貌特色的保留，外墻宜采用內保溫的形式，240 mm和370 mm磚墻體可以在外墻外部增加保溫層。保溫材料的選取，優先選用保溫效果比較明顯的聚苯板，也可以從經濟和環保的角度出發，選用當地農作物秸稈和荒草制作而成的草板。具體措施見圖1。

3.1.2 屋頂

木屋架坡屋頂，可在對其草木黏土層進行平整處理后加設保溫層(見圖2(a))，也可在木屋架下加設吊頂，同時在木龍骨之上加設保溫層(見圖2(b))。保溫吊頂可以有效地阻止室內熱空氣直接通過屋頂散失，同時也能防止冷空氣通過屋頂縫隙直接進入室內。鋼筋混凝土平屋頂可以在屋頂增加保溫構造(見圖2(c)，圖2(d))，也可以利用彩鋼夾芯板將平屋頂改為坡屋頂或者斜屋頂，也能起到比較好的保溫隔熱效果。

3.1.3 外門窗

對于外門的節能改造，可以在其室內或室外處加設門斗，形成過渡空間，防止冷風的直接進入以及人員進出時所造成的冷熱風交替。在經濟條件允許的情況下，也可以同時換用密閉性更好的保溫門。外窗改造使用輕質、高強、低傳導性的窗框材料，通過提高窗戶氣密性能等措施減少窗的熱量散失。根據隴東南地區氣候環境和當地農戶的收入水平，建議使用鋁合金窗框+雙層中空玻璃或斷橋鋁合金窗框+雙層中空玻璃形式的外窗，尤其是斷橋鋁合金型材的低熱傳導性、高密閉性可以極大地提高外窗的保溫、隔熱以及隔音能力。

3.2 調整用能結構

冬季取暖是隴東南農村地區主要的能耗來源，因此農村民居的生態節能改造還要考慮當地冬季取暖的用能結構調整問題。如果單純從傳統燃煤向電能或其他能源轉化必然會大幅增加用能成本，因此并不具備可行性。綜合地域氣候、產業結構和經濟收入等因素，推廣使用沼氣和太陽能更為適合當地用能結構調整的需求。單戶的沼氣建設模式過去當地已有推廣，但受技術條件的限制，產氣量經常性不足，難以發揮出應有的作用，目前基本都已廢棄不用。考慮到隴東南地區農村居民大都仍從事小麥、玉米、油菜等傳統農作物的種植，且農作物秸稈出現大量剩余，多數被閑置或就地焚燒。因此建議可以由政府集中建造高效的沼氣設施，將戶用沼氣池統一轉變為中型或大型沼氣工程，提升農業廢棄物和沼液的利用效率。同時也可利用生物質成型燃料代替燃煤和秸稈用來取暖和做飯，推動生物質爐具的應用。調研農戶的太陽能使用率不足10%，今后可以加大太陽能的推廣力度，讓更多的太陽能熱水器進入農戶家庭，節省炊事、洗滌和洗澡等日用熱水的能耗。

3.3 改造建筑空間

為提升民居冬季室內熱舒適性，可以考慮入冬后在常用房屋正面增設可拆卸的玻璃陽光房，減少室內溫度的外泄。也可以將廚房設置在冬季主要居住房間一側，把廚房的入口作為冬季主要居住空間的進出口，這樣就可以把廚房作為一個冬季室內外熱量的緩沖區，減少臥室門的開啟次數，避免過多的室內外對流散熱。同時為了減少冬季取暖能耗，將冬居的臥室火炕和廚房灶臺相連，利用做飯產生的煙氣熱量來作為部分的火炕取暖來源。

4 結語

隨著農村經濟的不斷發展和農民收入的逐年提高，居民對住宅舒適性的需求不斷攀升，農宅的建筑能耗也逐年增加，而農村民居建筑的節能工作卻進展緩慢。本文對隴東南地區農村民居進行了實地調研，以問卷調查和實測的方式對當地農宅的建筑體形系數、窗墻比、外圍護結構熱工性能和建筑用能情況等進行了研究分析，提出了地域、技術、經濟適宜的節能改造原則，并從改善外圍護結構保溫、調整能源結構、改造建筑空間三個方面提出了適合隴東南地區農村民居的生態節能改造策略，以期降低民居的建筑能耗，改善農村居民的生活環境，提升居住舒適度，助力鄉村振興。