基于氣候適應(yīng)性的鄉(xiāng)村廁所建造技術(shù)

周學(xué)翀，劉永旺，盧興超，趙樹旗，李宗明

(1.北京工業(yè)大學(xué)城建學(xué)部，北京 100124；2.中國(guó)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100044)

廁所是衡量一個(gè)國(guó)家和地區(qū)文明程度的重要標(biāo)志，鄉(xiāng)村廁所是鄉(xiāng)村人居環(huán)境的重要內(nèi)容[1]。習(xí)總書記提出要把廁所革命作為鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的一項(xiàng)重要工作來(lái)推進(jìn)[2]。國(guó)務(wù)院發(fā)布了《關(guān)于實(shí)施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的意見(jiàn)》，指出應(yīng)堅(jiān)持不懈推進(jìn)鄉(xiāng)村“廁所革命”，大力開(kāi)展鄉(xiāng)村戶用衛(wèi)生廁所建設(shè)和改造，同步實(shí)施糞污處理[3]。

我國(guó)鄉(xiāng)村地區(qū)覆蓋范圍廣闊，鄉(xiāng)村廁所呈現(xiàn)跨氣候、跨地域、跨文化的分布特性。當(dāng)前，鄉(xiāng)村廁所建造方面缺乏對(duì)不同地域的氣候進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整或改變?，F(xiàn)有的鄉(xiāng)村廁所建造技術(shù)研究多從鄉(xiāng)村廁所技術(shù)類型的角度出發(fā)，通過(guò)實(shí)地調(diào)研，挖掘不同類型鄉(xiāng)村廁所的優(yōu)勢(shì)及其局限性，或結(jié)合調(diào)研及數(shù)據(jù)分析評(píng)價(jià)某一特定地區(qū)改廁技術(shù)的適用效果，缺少以氣候適應(yīng)性為立意，對(duì)全國(guó)鄉(xiāng)村廁所建造技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)性分析的研究。本文從五大建筑氣候區(qū)出發(fā)，依據(jù)經(jīng)濟(jì)性原則，積極探索基于氣候適應(yīng)性的鄉(xiāng)村廁所建設(shè)方案，為鄉(xiāng)村廁所建設(shè)提供參考。

1 不同氣候區(qū)鄉(xiāng)村廁所痛點(diǎn)與需求分析

1.1 廁所痛點(diǎn)

我國(guó)鄉(xiāng)村無(wú)害化衛(wèi)生廁所普及率從2000年的19.3%，提升到2017年的62.7%，2018年以來(lái)累計(jì)新改建鄉(xiāng)村廁所3 000多萬(wàn)戶[4]。隨著廁所革命的持續(xù)推進(jìn)，諸多問(wèn)題逐漸暴露，部分地區(qū)忽視當(dāng)?shù)氐臍夂蜃匀粭l件，生搬硬套其他地區(qū)的改廁方案，同時(shí)廁所建造技術(shù)“一刀切”，造成改廁效果不如預(yù)期，民眾改廁意愿低。雖然我國(guó)在鄉(xiāng)村廁所建造技術(shù)方面也進(jìn)行了諸多探索和實(shí)踐，但仍停留在廁所類型的地域差異性選擇上，基于氣候適應(yīng)性的廁所建造體系的研究仍然較為稀缺。

1.2 建設(shè)需求

我國(guó)氣候區(qū)劃分為嚴(yán)寒地區(qū)、寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)、夏熱冬暖地區(qū)、溫和地區(qū)[5]。不同的氣候區(qū)的溫度、濕度、太陽(yáng)輻射等對(duì)鄉(xiāng)村廁所的建設(shè)提出了不同需求，為了明確廁所建筑和氣候兩者的科學(xué)關(guān)系，依據(jù)5個(gè)建筑氣候區(qū)的地理氣候條件，同時(shí)參考《農(nóng)村居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50824—2013)等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范[6-9]，提出了不同氣候區(qū)的廁所建設(shè)需求，結(jié)果如表1所示。明確了溫度是不同地區(qū)鄉(xiāng)村建筑設(shè)計(jì)著重考慮的氣候因素，與溫度相關(guān)聯(lián)的建設(shè)要素呈現(xiàn)出明顯的地域差異性。

表1 鄉(xiāng)村廁所建設(shè)痛點(diǎn)與需求Tab.1 Construction Demand and Pain Points of Rural Toilets

2 氣候適應(yīng)性鄉(xiāng)村廁所建設(shè)內(nèi)容

根據(jù)上述論述與相關(guān)規(guī)范文獻(xiàn)[10-12]，氣候適應(yīng)性鄉(xiāng)村廁所建造體系將著重在廁屋建造方面，依據(jù)經(jīng)濟(jì)性原則，將廁所建造內(nèi)容分為屋面、地面、外墻、門窗和排污設(shè)施5個(gè)部分，明確了不同氣候區(qū)的鄉(xiāng)村廁所建造的具體措施。

2.1 強(qiáng)化屋面保溫隔熱性能

2.1.1 順其自然的屋頂類型

屋頂是鄉(xiāng)村廁所最上部的圍護(hù)界面，在外圍護(hù)結(jié)構(gòu)總面積中占比為20%～50%，屋頂對(duì)氣候的防護(hù)能力直接影響鄉(xiāng)村廁所的室內(nèi)空間舒適度。嚴(yán)寒與寒冷地區(qū)氣候寒冷，年降雨量較低，多大風(fēng)天氣，鄉(xiāng)村廁所屋頂宜采用平屋頂或緩坡頂(<30°)，外觀厚重敦實(shí)，以利于保持室內(nèi)溫度和遮蔽風(fēng)沙。夏熱冬冷、夏熱冬暖、溫和地區(qū)氣候相對(duì)溫暖濕潤(rùn)，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度大，降雨偏多，采用出檐較深的緩坡頂(<30°)和陡坡頂(>30°)，可以有效遮陽(yáng)、通風(fēng)和排雨。

2.1.2 注重屋面材料的選擇

氣候條件的地域性差異對(duì)屋面的影響直接體現(xiàn)在保溫層的選擇上[13]。以保證廁所屋面保溫隔熱性能與使用要求為原則，采用易于獲得、熱工性能較好的憎水性輕質(zhì)保溫材料：可發(fā)性聚苯乙烯泡沫(EPS)、擠塑聚苯乙烯泡沫(XPS)、硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料(PUR)等。根據(jù)《農(nóng)村居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50824—2013)對(duì)農(nóng)村居住建筑屋頂傳熱系數(shù)K和熱惰性指標(biāo)D的規(guī)定，可以計(jì)算得各種屋面保溫層的適宜厚度。

2.2 特殊需求的地面構(gòu)造做法

2.2.1 嚴(yán)寒/寒冷地區(qū)的地面保溫

地面作為廁所的水平承重與分隔構(gòu)件，承擔(dān)防水、保溫與隔熱的作用。鄉(xiāng)村廁所室內(nèi)地面的構(gòu)造層次為地基、墊層、防水層和面層，根據(jù)使用和構(gòu)造要求可增設(shè)相應(yīng)的構(gòu)造層(結(jié)合層、找平層、保溫層等)[14]。廁所室內(nèi)地面做法通常是：素土夯實(shí)、100 mm厚碎石混凝土、防水層和地磚，一般不作保溫層，但是在嚴(yán)寒寒冷地區(qū)，冬季易受室外空氣與低溫土壤的影響，熱量散發(fā)嚴(yán)重，廁所地面需要鋪設(shè)保溫層。地面保溫材料除了常用的聚苯板外，還有農(nóng)村地區(qū)特有的爐渣材料。但如果采用爐渣作為保溫材料，厚度需達(dá)到500～750 mm，極大增加了土方工程。因此，地面保溫材料應(yīng)主要以聚苯板材料為主。具體構(gòu)造如圖1所示。

圖1 廁所聚苯板保溫地面構(gòu)造做法Fig.1 Construction Method of Slag Insulation Floor of Toilets

2.2.2 多雨地區(qū)的地面防潮

夏熱冬冷、夏熱冬暖和溫和地區(qū)，春夏季節(jié)雨水豐潤(rùn)，廁所地下水位較高，地下毛細(xì)水容易滲透到表面，使地面潮濕，同時(shí)室內(nèi)空氣濕度較大，室內(nèi)地面溫度比空氣溫度低2 ℃內(nèi)左右，當(dāng)濕空氣遇到溫度低于露點(diǎn)溫度的地面，就會(huì)發(fā)生凝結(jié)[15]。因此，應(yīng)增設(shè)防潮層來(lái)改善地面的返潮現(xiàn)象，一般在混凝土墊層之上采用聚乙烯塑料薄膜或者聚氨酯防潮底漆作為防潮層，具體構(gòu)造如圖2所示。

圖2 聚乙烯防潮地面構(gòu)造做法Fig.2 Construction Method of Polyethylene Dampproof Ground Layer

2.3 適應(yīng)氣候變化的外墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.3.1 墻體自保溫技術(shù)

外墻自保溫(圖3)因其隔熱性能佳、質(zhì)地輕、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，在夏熱冬冷、夏熱冬暖和溫和地區(qū)的鄉(xiāng)村廁所建設(shè)中得到了廣泛的使用。墻體結(jié)構(gòu)層主要有混凝土空心磚、燒結(jié)多孔磚和加氣混凝土3種自保溫砌塊。夏熱冬暖地區(qū)優(yōu)先考慮夏季隔熱的需求，熱惰性指標(biāo)較大的燒結(jié)多孔磚，是更好的選擇。而夏熱冬冷、溫和地區(qū)兼顧保溫和隔熱要求，適宜采用保溫效果好、傳熱系數(shù)小的加氣混凝土作為墻體結(jié)構(gòu)層。此外，由《農(nóng)村居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50824—2013)可知，嚴(yán)寒地區(qū)與寒冷地區(qū)外墻傳熱系數(shù)限值分別為0.5和0.65，因此，3種自保溫砌塊構(gòu)造均超過(guò)限值，不適用于外墻自保溫體系，需加設(shè)墻體保溫層。

圖3 自保溫墻體剖面圖Fig.3 Section of Self-Insulated Wall

2.3.2 墻體外保溫技術(shù)

如圖4所示，外墻外保溫是在外墻外表面上做保溫材料，覆以黏接層，再設(shè)外墻裝飾構(gòu)造，相比于其他保溫形式，能有效保護(hù)墻體，避免產(chǎn)生熱橋[16]，廣泛應(yīng)用于保溫要求較高的嚴(yán)寒及寒冷地區(qū)。采用傳熱系數(shù)低的加氣混凝土作為嚴(yán)寒及寒冷地區(qū)新建鄉(xiāng)村廁所的外保溫結(jié)構(gòu)層，保溫層則可選擇鄉(xiāng)村常見(jiàn)的保溫板，如EPS板、XPS板等，具體厚度可參考規(guī)范或經(jīng)熱工計(jì)算得出。

圖4 外保溫墻體剖面圖Fig.4 Section of External Insulated Wall

2.4 基于熱工氣候的門窗選型

2.4.1 節(jié)能外窗

玻璃與框料是影響窗戶保溫性能主要因素，受制于農(nóng)村地區(qū)經(jīng)濟(jì)條件、消費(fèi)水平和節(jié)能觀念等因素，熱反射玻璃、吸熱玻璃等高性能玻璃在農(nóng)村大面積推廣存在困難，普通白板玻璃和中空玻璃在長(zhǎng)期一段時(shí)間內(nèi)仍然是鄉(xiāng)村廁所主要玻璃材料。木窗框過(guò)去曾是農(nóng)村地區(qū)主要的窗戶形式，隨著經(jīng)濟(jì)條件的改善，塑鋼窗框因其保溫隔熱性能好、不易燃的優(yōu)點(diǎn)，在新建農(nóng)村建筑中占據(jù)了主流。結(jié)合農(nóng)村經(jīng)濟(jì)現(xiàn)狀和《農(nóng)村居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB/T 50824—2013)等規(guī)范對(duì)外窗傳熱系數(shù)的要求，嚴(yán)寒地區(qū)宜采用塑鋼三玻窗或塑鋼low-e中空玻璃窗，寒冷地區(qū)可選擇塑鋼low-e中空玻璃窗，夏熱冬冷適宜中空玻璃窗。而夏熱冬暖和溫和地區(qū)對(duì)門窗保溫性能要求較低，鄉(xiāng)村廁所建設(shè)采用普通白板玻璃即可。

2.4.2 外門選型

廁所入口是冬季冷風(fēng)滲透的主要部位。研究顯示，門由于開(kāi)啟帶來(lái)的換氣量是在閉合狀態(tài)下縫隙帶來(lái)的換氣量2～3倍[17]。不同于新建農(nóng)村住宅設(shè)置雙層門或門斗以滿足保溫需求，鄉(xiāng)村廁所主要以單層門為主。因此，結(jié)合常見(jiàn)戶門保溫性能和《嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)農(nóng)村住房節(jié)能技術(shù)導(dǎo)則(試行)》的要求，嚴(yán)寒地區(qū)宜采用單層金屬保溫門(K=1.5)，寒冷地區(qū)可選擇塑鋼中空玻璃門(K=2.4)。而保溫性能尚可，但性價(jià)比較高的塑鋼門或木門則適宜夏熱冬冷、夏熱冬暖和溫和地區(qū)。

2.5 鄉(xiāng)村廁所排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.5.1 化糞池選型

化糞池是處理糞污并加以過(guò)濾沉淀的設(shè)備，根據(jù)住建部《村莊人居環(huán)境現(xiàn)狀與問(wèn)題》的調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，96%的村莊沒(méi)有鋪設(shè)下水管網(wǎng)，這使得化糞池成為廁所革命中應(yīng)用最普遍的農(nóng)村生活污水預(yù)處理設(shè)施。嚴(yán)寒寒冷地區(qū)冬季寒冷漫長(zhǎng)，氣溫低于0 ℃，化糞池水流容易凍結(jié)，影響廁所正常使用。因此，在廁所化糞池設(shè)施方面，嚴(yán)寒地區(qū)可以選擇常規(guī)的微水沖雙翁漏斗式化糞池或三格式化糞池，同時(shí)需要增加化糞池埋深，以確保覆土深度超過(guò)當(dāng)?shù)貎鐾翆雍穸?。此外，一些新型生態(tài)化糞池，如填料型化糞池與折流板型化糞池等，都被證明在低溫條件下，也能穩(wěn)定運(yùn)行[18]。而夏熱冬冷、夏熱冬暖和溫和地區(qū)冬季溫度保持在0 ℃以上，自然氣候條件對(duì)于這些地區(qū)預(yù)處理設(shè)施的選型限制較小，各種污水預(yù)處理設(shè)施皆可考慮。

2.5.2 低溫適應(yīng)性污水處理工藝

經(jīng)過(guò)化糞池處理后的污水可以作為農(nóng)用，但處理效果有限，難以直接排放水體，需要對(duì)污水進(jìn)行二級(jí)處理。嚴(yán)寒寒冷地區(qū)冬季低溫，污水處理設(shè)施應(yīng)為地埋式或采取其他保溫措施。在居住分散、地形復(fù)雜不便于管道收集的單戶或多戶農(nóng)戶污水可采用分散處理，新建新農(nóng)村及農(nóng)戶集中居住地區(qū)適宜集中連片處理。再根據(jù)出水水質(zhì)要求及地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平不同，選擇生物處理、生態(tài)處理技術(shù)及組合。不同治理模式與相對(duì)應(yīng)可供選用的生活污水治理工藝如圖5所示。

圖5 嚴(yán)寒及寒冷地區(qū)廁所污水處理工藝選擇Fig.5 Selection of Toilet Sewage Treatment Process in Severe and Cold Areas

3 典型鄉(xiāng)村廁所熱環(huán)境模擬分析

使用DesignBuilder軟件對(duì)上述典型廁所建造方案進(jìn)行熱環(huán)境模擬，以進(jìn)一步驗(yàn)證典型鄉(xiāng)村廁所建造方案的氣候適應(yīng)性，從5個(gè)建筑熱工設(shè)計(jì)分區(qū)中挑選具有氣候代表性的地點(diǎn)，模型中圍護(hù)結(jié)構(gòu)各項(xiàng)參數(shù)均參考《農(nóng)村居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50824—2013)與《民用建筑建設(shè)熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50176—2016)等標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)應(yīng)項(xiàng)的限值設(shè)置，各建筑氣候區(qū)鄉(xiāng)村廁所建設(shè)方案主要模擬參數(shù)如表2所示。鄉(xiāng)村廁所面積為6 m2，室內(nèi)凈高為2.7 m，無(wú)采暖設(shè)施，自然通風(fēng)進(jìn)行換氣，其他設(shè)置采用默認(rèn)參數(shù)。

表2 各氣候區(qū)主要建筑模擬參數(shù)設(shè)置Tab.2 Setting of Main Simulation Parameters of Building Structure in Each Climate Area

模擬結(jié)果如圖6所示，熱舒適度PMV最低值為-1.53，出現(xiàn)在1月嚴(yán)寒地區(qū)典型鄉(xiāng)村廁所，參考PMV指標(biāo)分級(jí)表(表3)可知，室內(nèi)整體熱感覺(jué)為涼。熱舒適度PMV最高值為1.19，出現(xiàn)在7月的夏熱冬冷地區(qū)典型廁所，廁所室內(nèi)熱感覺(jué)為微暖。面向氣候區(qū)的典型鄉(xiāng)村廁所室內(nèi)熱環(huán)境在全年中多數(shù)時(shí)間滿足《民用建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50785—2012)的Ⅰ級(jí)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)，總體而言，面向氣候區(qū)的典型鄉(xiāng)村廁所室內(nèi)熱環(huán)境基本符合人體對(duì)如廁熱舒適度的預(yù)期需求。

圖6 典型鄉(xiāng)村廁所PMV熱舒適度變化曲線Fig.6 PMV Thermal Comfort Curve of Typical Rural Toilets

表3 PMV分度表Tab.3 PMV Classification Table

4 結(jié)論

本文在實(shí)地調(diào)研與資料分析的基礎(chǔ)上，充分尊重各地的人文環(huán)境、氣候特征，結(jié)合鄉(xiāng)村地區(qū)實(shí)際經(jīng)濟(jì)條件，針對(duì)性地提出了基于氣候適應(yīng)性的鄉(xiāng)村廁所建設(shè)內(nèi)容，從屋面、地面、外墻、門窗、排污系統(tǒng)5個(gè)方面，提出了具體的建造技術(shù)措施，在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建面向氣候區(qū)的鄉(xiāng)村廁所建造典型方案，并通過(guò)熱環(huán)境模擬，驗(yàn)證了典型鄉(xiāng)村廁所建設(shè)方案的技術(shù)可行性，以期為廁所革命的推進(jìn)提供相對(duì)科學(xué)的參考。