對于中國北方農(nóng)村建筑節(jié)能工作發(fā)展現(xiàn)狀的分析及節(jié)能技術策略的建議

劉璇 陸羿杉 于卓成 朱雨晴

青島理工大學 山東 青島 266000

1 引言

提高農(nóng)村建筑的居住舒適程度，關鍵在于制定切實可行的農(nóng)村建筑規(guī)劃體系，貫徹因地制宜的發(fā)展策略，改善農(nóng)村建筑的生活居住條件。其主要工作分為兩方面：一方面，通過政府的大力扶持，加大節(jié)能建筑的建設力度；另一方面，要普及節(jié)能知識，增強村民節(jié)能意識，以便更加深入地發(fā)展節(jié)能建筑技術。

本文對我國農(nóng)村建筑用能總體情況和特點進行分析，發(fā)現(xiàn)了農(nóng)村建筑能源消耗存在著能源利用率低、生活舒適度差等主要問題；通過對農(nóng)村居住建筑現(xiàn)狀和建成案例的分析，總結得到我國北方農(nóng)村建筑節(jié)能的具體技術思路和解決方法。

2 農(nóng)村居住建筑現(xiàn)狀分析

2.1 建設觀念陳舊，缺乏科學規(guī)劃

現(xiàn)如今，大多數(shù)村民缺乏對于建筑設計的科學規(guī)劃，農(nóng)村建筑建設水平參差不齊，相當一部分建筑存在著隨意搭建，破壞用地、功能混亂等諸多問題；此外，由于經(jīng)濟條件的制約，建筑施工技術在農(nóng)村受限頗多，建筑材料往往質量不高、做工粗劣；外墻、外窗等圍護結構做法過時，保溫性能差，十分不利于節(jié)能技術的應用。

但隨著經(jīng)濟的迅速發(fā)展以及美麗鄉(xiāng)村的快速建設，村民對生活居住環(huán)境有了更高層次的要求。為圖省錢省力，村民常常自行建設住宅，僅追求外表而忽視了建筑節(jié)能設計?？偟膩碚f，農(nóng)村建設觀念陳舊,缺乏總體性科學指導與規(guī)劃以及資源利用不合理等問題，阻礙了農(nóng)村建筑的節(jié)能發(fā)展。

2.2 環(huán)境影響大，資源消耗快

農(nóng)村建筑節(jié)能問題是全國建筑節(jié)能推進的重要一環(huán)，其中尤以北方農(nóng)村建筑為甚。據(jù)清華大學的調查結果顯示，全國建筑總能耗中，農(nóng)村建筑能耗量約占全國建筑總能耗的37%，而北方地區(qū)農(nóng)村平均建筑能耗為南方兩倍不止；此外，北方農(nóng)村住宅建筑通常存在著體量較大、分布分散的特點，加之處于寒冷或嚴寒氣候區(qū)，節(jié)能保溫措施等較為缺乏，化石燃料能源消耗量大，總體處于能耗高、能效低的水平。

2.3 相關政策應運而生，節(jié)能推廣任務任重道遠

目前，國家正大力推廣綠色建筑技術在建筑方面的運用，出臺了一系列的相關政策。但由于農(nóng)村建設水平有限，各地區(qū)基本沒有形成適宜的技術路徑，節(jié)能建筑建設受到多方面的掣肘，總體進程較為緩慢。但有些成功實踐案例已經(jīng)提供了可供借鑒的經(jīng)驗，推廣節(jié)能技術有了可靠現(xiàn)實的基礎。

3 改善北方農(nóng)村居住建筑節(jié)能技術的研究措施

3.1 被動式太陽能技術的利用

農(nóng)村建筑層數(shù)大多是層高較低的單層或多層建筑，能夠充分利用太陽能資源。

3.1.1 直接利用

直接得熱是被動式太陽房中最簡單普通的一種形式。太陽輻射通過南向窗戶照射進來，室內升溫快，構造簡單。在設置時應使玻璃窗應朝向正南，適當增大表面積，以提高建筑的集熱面積；窗玻璃的類型應盡量選用漫射，避免室內使用者受到陽光的直接照射。

除注重玻璃選材外，室內也應設置磚、土坯等貯熱體，貯存過剩熱能，減少室內溫度的波動幅度。

3.1.2 集熱-蓄熱墻式

集熱-蓄熱墻是一種間接利用太陽能的采暖方式，此種太陽能被動利用方式最早由法國學者特朗勃（Trombe)等提出，因此其中的蓄熱墻體部分又被稱為“特朗勃墻”。其做法即在直接受益式太陽窗后面加筑一道結構墻，使太陽光首先照射到南向的深色儲熱墻體上，該墻體吸收太陽輻射，溫度升高，一部分熱量通過透明蓋層散向室外，另一部分加熱夾層內部空氣，產(chǎn)生密度差，通過上下通風口形成自然對流，余下熱量通過集熱墻體傳入室內。通過傳導將熱量傳到墻體的另外一側。

集熱墻的外表面常涂有吸收層，增大了熱量的吸收率，提高了蓄熱墻的蓄熱效率。

3.1.3 附加日光間式

附加日光間也是一種間接利用太陽能的得熱方式，工作原理和直接得熱式相同，后部房間的集熱方式則跟集熱一蓄熱墻式系統(tǒng)相似，因而兼有兩種系統(tǒng)的優(yōu)點，即熱效率高、室內溫度波動小，同時方便打掃。其具體做法是利用雙層透明玻璃墻，在房屋南部設置南向緩沖區(qū)，在地板及日光間與房間之間墻體等部設置貯熱體，存儲熱量；并通過設置卷式保溫簾減少夜間熱損失。這種被動式太陽能利用手段可應用于新建房屋，也可用于舊房改造。

3.1.4 綜合得熱

在建筑設計中，被動式太陽能的利用通常是綜合考慮多種利用形式，采用有效的手段加以結合，使之發(fā)揮各自特點，成為一個有效利用太陽能的綜合系統(tǒng)。

為保證房間內部達到較高的太陽能供暖率，應盡量減少房間的進深；在房屋外部設置太陽能構件，增添建筑的設計感，在滿足節(jié)能設計需求的同時提高立面的美學趣味。

農(nóng)村建筑綜合、合理采用被動式節(jié)能技術，能有效的降低農(nóng)村建筑采暖能耗，并有效提升冬季室內溫度。

3.2 建筑圍護結構節(jié)能設計

3.2.1 門與外窗

門與外窗屬于透明圍護結構，有采光、通視功能，在圍護結構總面積中占約30%-60%，可以引進較多的太陽輻射，同時也會造成冷風滲透與傳熱損失，綜合保溫能力較低。大部分單層門窗密封性差，保溫性能一般。但由于經(jīng)濟條件的限制，北方農(nóng)村建筑的門窗大部分為單層，熱阻較小，不適用于寒冷及嚴寒地區(qū)，熱量容易透過窗戶產(chǎn)生較多的熱損失。為盡量減少這一損失，應在滿足自然通風和采光的要求下做到以下幾點：

1.減少窗墻比，控制建筑的采暖耗熱量。

2.提高氣密性，采用密封條對外窗、幕墻等進行密封處理，減少冷風滲透耗熱量。

3.提高窗框保溫性能，選用空心型材、隔熱構件等，使內部形成空氣間層，增強其密封性，以此來提高窗的總熱阻。

4.選用Low-E中空保溫玻璃，提高玻璃的保溫能力。

3.2.2 外墻

外墻散失的熱量約占整個圍護結構總能耗的 30%，對建筑物的整體能耗水平有著一定的影響。因此寒冷地區(qū)的北方農(nóng)村建筑外墻設計，應首先注重減小體形系數(shù)，即盡量減小外墻的表面積，減少能耗。除此之外，外墻材料也是影響外墻耗熱量的重要因素，在材料選擇時，可選用較有發(fā)展前途的新型保溫材料，如聚苯乙烯泡沫塑料顆粒、EPS板等；同時在建造時靈活選取構造措施，可采用外墻外保溫的構造做法，降低溫度應力作用，提高熱穩(wěn)定性，減少保溫層內部水汽凝結。

3.2.3 屋面與地面

除去外墻、外窗等一般圍護結構，屋面與地面作為房屋的第五立面，不僅影響建筑的樣式與美觀程度，在一定程度上也會對整體節(jié)能設計有所影響。農(nóng)村建筑建設中可以采用坡屋頂，設置架空層或設置吊頂層，并選用導熱系數(shù)小，可就地取材的保溫材料，可以在兼顧經(jīng)濟條件的情況下有效減少屋面的熱損失。

地面保溫節(jié)能設計可以通過在地面墊層下鋪設爐渣等其他保溫材料，以及采用低溫熱水地板輻射采暖的方式，加強周邊地面保溫構造節(jié)能效果，減小熱能的損耗。

3.3 美麗鄉(xiāng)村低碳住宅體系

近年來，鄉(xiāng)村建筑節(jié)能設計有了明顯的進展。海南大學結構工程研究所研究設計出了一種新型節(jié)能住宅體系，該體系綜合考慮了受力骨架、樓面、屋面和圍護結構四部分的節(jié)能處理設計：整體受力骨架采用小截面H型鋼、冷彎薄壁型鋼或輕鋼龍骨，經(jīng)焊接、螺栓連接或自攻螺釘連接而成，能承受建筑正常使用情況下的各種豎向荷載和水平荷載；樓面采用冷彎薄壁型鋼或木梁與OSB定向板復合結構，下設隔音層并用防火石膏板封閉；屋面采用輕型保溫屋蓋系統(tǒng)，在輕鋼屋架上鋪OSB定向板等結構板材，依次鋪秸稈草磚保溫材料、防水層，最后鋪設屋面瓦材，下設隔氣層并用防火石膏板封閉，有效減少了屋面的熱損失；墻體用輕鋼－秸稈草磚復合墻體結構，用200～400mm厚秸稈草磚在輕鋼骨架內側或外側砌筑而成，用鋼拉條或木拉條將草磚與輕鋼骨架固定，表面經(jīng)草筋泥或水泥砂漿找平后外掛鋼絲網(wǎng)抹灰，或掛設防水結構板材；內墻在輕鋼骨架雙側掛鋼絲網(wǎng)抹灰或掛木板、OSB定向板及水泥纖維板、石膏板等圍護，內填小厚度秸稈草磚或其他隔音材料，表面根據(jù)實際情況進行抹灰找平處理；外墻門窗全部采用隔熱性能好的塑鋼門窗，建筑節(jié)能率可達到65%以上。

整體建筑體系適用于嚴寒地區(qū)農(nóng)村建筑，目前項目已在在吉林省安圖縣成功建成1棟二層示范建筑，經(jīng)5年監(jiān)測，各方面性能均滿足使用要求[7]。

3.4 沼氣及其他能源的開發(fā)與應用

農(nóng)村燃料常以干柴、秸稈等為主，受季節(jié)限制往往會儲備不足。沼氣的利用可以解決燃料缺乏問題，還可以實現(xiàn)采暖、照明等多方面的利用。除了燃料以外，肥料也是農(nóng)民較需要的能源，比起化肥，沼氣生產(chǎn)過程中的沼液和沼渣等副產(chǎn)品可作為有機肥料，提高能源的利用效率，省錢省力。

除沼氣能源外，淺層地熱能源也是可供利用的一種能源：利用淺層地熱能，設置地源熱泵系統(tǒng)可以進行供熱制冷等需求，在農(nóng)村地區(qū)可以進行集中規(guī)劃建造，從而節(jié)約燃料的使用；此外，部分地區(qū)風能資源也十分充足，可以選用風力發(fā)電的方式，供應日常生活和照明用電，因地制宜，方便廉價，實現(xiàn)了可再生能源的利用。

3.5 農(nóng)村建筑節(jié)能管理

節(jié)能設計是實現(xiàn)建筑節(jié)能的關鍵環(huán)節(jié)，節(jié)能管理也是保證節(jié)能建筑技術大力推廣的必要條件。我們要建立健全農(nóng)村建筑節(jié)能管理機制，落實建筑節(jié)能規(guī)劃設計，通過普及節(jié)能建筑知識，提高農(nóng)民的節(jié)能意識，改變陳舊建設觀念，在建設初期階段對當?shù)刈匀毁Y源情況以及能源綜合利用工作的可行性進行全面分析，以便進行因地制宜、選取利用當?shù)亓畠r易得的節(jié)能建筑材料，實施最適宜當?shù)丨h(huán)境的解決辦法。此外，對集中的沼氣、采暖系統(tǒng)等公用能源設施進行統(tǒng)一管理。

4 北方農(nóng)村建筑節(jié)能工作實踐案例：河北豐寧滿族自治縣云霧山村——生物質壓塊采暖示范村

為推進農(nóng)村能源清潔開發(fā)工作，承德市豐寧縣云霧山村作為示范村，充分利用了當?shù)赜衩捉斩挼壬镔|資源，將壓塊后的秸稈作為農(nóng)戶采暖、炊事的燃料，同時對爐具、民居墻體等進行了節(jié)能改造。

在當?shù)卣畮椭拢旗F山村在村內自建了一個秸稈壓塊加工廠，農(nóng)戶收集秸稈運到工廠進行壓塊加工處理，得到農(nóng)戶采暖、炊事的基本燃料。

自2010年啟動了美麗鄉(xiāng)村建設活動以來，該村高標準建成新民居178戶。戶型分為兩種：96㎡房型，約占新民居總數(shù)的83%；72㎡的房型，約占17%。每戶均有廚、衛(wèi)、浴配套，并統(tǒng)一規(guī)劃建設了吊炕、節(jié)柴灶等配套節(jié)能設施。

4.1 外窗改造

一般情況下，窗戶的保溫隔熱性能遠遠小于外墻，窗墻面積比越大，室內空調采暖能耗也越大。因此，從降低建筑能耗的角度出發(fā)，必須限制窗墻面積比。云霧山村建設的新型節(jié)能民居對外窗進行了一定的改造：北向窗墻比控制在0.1，南向窗墻比約為0.7，并將原有單層玻璃窗更換為雙層中空玻璃窗，使得保溫效果更佳。

4.2 外墻改造

2014年，該村統(tǒng)一對所有178戶新民居進行了外墻保溫改造。外墻保溫基本構造由內向外依次為：墻體、基層處理、聚合物粘結砂漿、膨脹聚苯板（或巖棉保溫板）、耐堿網(wǎng)格布、外墻柔性耐水膩子、浮雕飾面層。

4.3 改造成果

全村農(nóng)戶對更換后的秸稈壓塊爐系統(tǒng)總體評價良好，其主要優(yōu)點有：著火快，火力旺，炒菜做時比使用柴灶更方便：不倒煙、更清潔、填火后屋內溫度上升速度快。

采暖能耗量相當情況下，采用秸稈壓塊采暖農(nóng)戶年均秸稈壓塊消耗量為2.5~3.5 t；作為輔助能源，年均散煤使用量約0.25 t，柴火約為0.375 t；散煤采暖農(nóng)戶同時使用少量秸稈壓塊和少量柴火，其年均散煤消耗量約1.5~3 t，整體耗煤量有了大幅度減少。

圖1 采暖能耗分析

5 總結

在農(nóng)村住宅建筑設計上，必須本著以人為本的態(tài)度，從廣大農(nóng)民的利益和經(jīng)濟水平出發(fā),建設適應新時期農(nóng)民生活需要的可持續(xù)節(jié)能環(huán)保住宅，并依靠、利用當?shù)噩F(xiàn)有自然資源引導農(nóng)村住宅向節(jié)能、節(jié)水、節(jié)材、節(jié)地的環(huán)保方向發(fā)展，通過住宅的改變來靈活適應農(nóng)村生活方式的轉變，從而提高農(nóng)民生活質量，推動農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展，為構建和諧的社會主義新農(nóng)村做出貢獻。