隴東南地區(qū)農(nóng)村民居節(jié)能現(xiàn)狀調(diào)研及生態(tài)改造策略★

裴俊華，侯 斌，馬云龍，劉維珩

(1.甘肅林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,甘肅 天水 741020； 2.甘肅建投土木工程建設(shè)集團有限責(zé)任公司,甘肅 蘭州 700070)

0 引言

隨著當(dāng)前我國經(jīng)濟和社會的快速發(fā)展，農(nóng)村的發(fā)展也進入了新時期，農(nóng)業(yè)的機械化和現(xiàn)代化、農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整、數(shù)字經(jīng)濟的發(fā)展以及城鄉(xiāng)間人口的流通從各個方面改造著傳統(tǒng)農(nóng)村的面貌。鄉(xiāng)村地區(qū)的景觀風(fēng)貌、鄉(xiāng)土文化、聚落結(jié)構(gòu)、鄉(xiāng)村環(huán)境等經(jīng)歷巨大的變化和重構(gòu)[1]。國家鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略提出了產(chǎn)業(yè)興旺、生態(tài)宜居、鄉(xiāng)風(fēng)文明、治理有效、生活富裕的總要求，明確指出要持續(xù)改善農(nóng)村人居環(huán)境。

隴東南地區(qū)農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展相對滯后，同時受地理位置和自然環(huán)境的影響，交通不便，缺少比較專業(yè)的設(shè)計和施工隊伍，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)薄弱，農(nóng)村民居的建設(shè)和發(fā)展處于無序狀態(tài)，綠色生態(tài)可持續(xù)的建造方式還相對滯后。近些年，隨著農(nóng)村經(jīng)濟的發(fā)展，新建農(nóng)宅多為“現(xiàn)代化”的磚混結(jié)構(gòu)房屋，但由于農(nóng)民缺乏節(jié)能意識、不具備專業(yè)農(nóng)宅建造技術(shù)，農(nóng)村民居建筑能耗增長迅速成為普遍態(tài)勢。因此，在鄉(xiāng)村振興和雙碳目標的大背景下，對隴東南地區(qū)農(nóng)村民居進行生態(tài)節(jié)能改造勢在必行。

1 隴東南地區(qū)農(nóng)村民居現(xiàn)狀及問題分析

為了解隴東南地區(qū)農(nóng)村民居建筑形態(tài)、圍護結(jié)構(gòu)構(gòu)造形式、建筑熱工條件、能耗情況、農(nóng)民對節(jié)能減排的認識和對建筑節(jié)能技術(shù)投入的意愿等，課題組研究人員對天水市秦州區(qū)、麥積區(qū)、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(diào)查和現(xiàn)場實測的方式進行了調(diào)研。

1.1 民居建筑基本情況

隴東南農(nóng)村民居建筑的建造方式大都是依照傳統(tǒng)或是參照鄰居親戚的已建成建筑，使得農(nóng)村住宅在平面布局和建筑樣式方面大同小異。當(dāng)?shù)氐慕ㄖ悇e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(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，得到調(diào)研建筑的體形系數(shù)平均值約為0.86，超過平均值的建筑所占比例約為32.3%。當(dāng)?shù)剞r(nóng)村住宅多為院落獨立式建筑，1層以上建筑較少，多數(shù)建筑有三面外墻，因此體形系數(shù)偏大。農(nóng)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(qū)農(nóng)村民居建筑窗墻比相對較小，也是當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)建筑主動適應(yīng)冬季較為寒冷的氣候特點的具體體現(xiàn)。

1.2 圍護結(jié)構(gòu)情況

外圍護構(gòu)件是建筑防寒的主要防線[2]，也是適應(yīng)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(qū)農(nóng)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(gòu)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(shù)生土墻的厚度在400 mm左右?？招拇u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(jù)磚墻的傳熱系數(shù)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(shù)

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

1.2.2 建筑屋頂?shù)臒峁ば阅?/p>

在隴東南地區(qū)，坡屋頂和平屋頂是當(dāng)?shù)剞r(nóng)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?shù)闹饕獦?gòu)造層從下往上依次為木板條、草泥漿、青瓦或紅機瓦，屋頂?shù)闹饕貥?gòu)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?shù)暮穸戎饕?20 mm左右。平屋頂多為現(xiàn)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(jié)構(gòu)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?shù)膫鳠嵯禂?shù)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(shù)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?shù)募s占總調(diào)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(shù)

1.2.3 建筑外門的熱工性能

隴東南地區(qū)現(xiàn)有農(nóng)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(shù)成熟、構(gòu)造簡單、取材方便等優(yōu)點。由表3可見當(dāng)?shù)剞r(nóng)宅建筑外門傳熱系數(shù)偏高，熱工性能較差。

表3 外門類型及熱工參數(shù)

1.2.4 建筑外窗的熱工性能

隴東南地區(qū)農(nóng)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(zhì)和鋁合金窗框的利用率最高，約為69.3%，木質(zhì)窗框在新建建筑中已基本不用。由于全部使用單層玻璃，導(dǎo)致窗的傳熱系數(shù)普遍較大，熱損失較多，非常不利于節(jié)能。通過統(tǒng)計計算，外窗的傳熱系數(shù)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(xiàn)狀

農(nóng)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(nóng)村地區(qū)住宅建筑中冬季采暖還是延續(xù)傳統(tǒng)做法，以煤爐、火炕(電熱毯)為主。煤爐采暖也只是局部采暖，設(shè)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(nèi)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(shè)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(shù)還是以柴火灶臺為主，可以有效利用當(dāng)?shù)匦藜艄麡涞臉渲σ约敖斩?，但衛(wèi)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(shè)備也越來越豐富，使得農(nóng)村居民戶均用電量近些年增長較快。

2 隴東南地區(qū)農(nóng)村民居綠色節(jié)能改造原則

根據(jù)實地調(diào)研情況，對現(xiàn)有農(nóng)村住宅進行生態(tài)節(jié)能改造還存在著較多困難，例如改造費用較高、農(nóng)民固守傳統(tǒng)的生產(chǎn)和生活習(xí)慣、傳統(tǒng)住宅體形系數(shù)偏大等。因此綜合分析當(dāng)?shù)氐膫鹘y(tǒng)習(xí)俗、自然生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟發(fā)展現(xiàn)狀，提出以下改造原則[3]。

2.1 地域適宜的原則

國內(nèi)不同類型的傳統(tǒng)民居的形成多是因為各地自然環(huán)境不同造成的，而同一地域民居體現(xiàn)出的某些相同的建筑特征又是對當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境的適應(yīng)。我國農(nóng)村分布較為廣泛，氣候類型多種多樣，因此全國形成風(fēng)格迥異的特色民居[4]。所以應(yīng)該在綜合考慮當(dāng)?shù)氐牡乩須夂颉①Y源環(huán)境、生產(chǎn)生活方式、建筑文化等因素的基礎(chǔ)上，采用適宜地域特點的建筑節(jié)能改造技術(shù)，最大限度地利用當(dāng)?shù)氐淖匀毁Y源、保護生態(tài)環(huán)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(shù)適宜的原則

在對傳統(tǒng)民居進行生態(tài)節(jié)能改造時，選擇改造技術(shù)不能一味地強調(diào)傳統(tǒng)技術(shù)而忽視現(xiàn)代技術(shù)的優(yōu)越性，也不能一味地去追求現(xiàn)代技術(shù)的先進性，轉(zhuǎn)而忽視了傳統(tǒng)技術(shù)在生態(tài)環(huán)保和地域適應(yīng)性等方面的優(yōu)勢?？偟膩碚f，選擇滿足當(dāng)?shù)亟?jīng)濟條件下的適宜性技術(shù)是未來農(nóng)村傳統(tǒng)民居建筑正確的節(jié)能改造途徑。

2.3 經(jīng)濟適宜的原則

農(nóng)村民居建筑節(jié)能改造在技術(shù)選擇上，除了要考慮當(dāng)?shù)氐淖匀画h(huán)境因素以外，還要更多地關(guān)注當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟條件。費用較高是一般農(nóng)村家庭所不能接受的，因此在對同一地區(qū)的不同家庭的住宅進行節(jié)能改造時，要根據(jù)家庭的實際收入情況選擇適宜的方案和技術(shù)，不能千篇一律或不切實際。對于經(jīng)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(zhì)量的提高，對此類住戶可使用一些現(xiàn)代的、先進的節(jié)能環(huán)保和智能建造技術(shù)，如現(xiàn)代太陽能技術(shù)、外墻保溫技術(shù)等。對于經(jīng)濟條件相對較差的家庭，節(jié)能改造方式的選擇要充分研究當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)的建造技術(shù)和建筑材料，了解它們的優(yōu)缺點，結(jié)合現(xiàn)代建筑技術(shù)對傳統(tǒng)技術(shù)和材料進行革新，以降低節(jié)能改造的費用。

3 隴東南地區(qū)農(nóng)村民居節(jié)能改造策略

民居節(jié)能優(yōu)化設(shè)計，可以從建筑體形、窗墻比、墻體傳熱系數(shù)、屋面與門窗保溫等方面入手[5]。隴東南地區(qū)農(nóng)村傳統(tǒng)建筑的生態(tài)節(jié)能改造，在基于地域、技術(shù)、經(jīng)濟適宜的原則上，主要從改善外圍護結(jié)構(gòu)保溫、調(diào)整用能結(jié)構(gòu)、改造建筑空間三個方面開展。

3.1 改善外圍護結(jié)構(gòu)保溫

3.1.1 外墻

墻體是建筑圍護結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)節(jié)能技術(shù)的關(guān)鍵[6]。對于土坯結(jié)構(gòu)墻體，考慮到鄉(xiāng)村風(fēng)貌特色的保留，外墻宜采用內(nèi)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(yōu)先選用保溫效果比較明顯的聚苯板，也可以從經(jīng)濟和環(huán)保的角度出發(fā)，選用當(dāng)?shù)剞r(nóng)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(shè)保溫層(見圖2(a))，也可在木屋架下加設(shè)吊頂，同時在木龍骨之上加設(shè)保溫層(見圖2(b))。保溫吊頂可以有效地阻止室內(nèi)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(nèi)。鋼筋混凝土平屋頂可以在屋頂增加保溫構(gòu)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(jié)能改造，可以在其室內(nèi)或室外處加設(shè)門斗，形成過渡空間，防止冷風(fēng)的直接進入以及人員進出時所造成的冷熱風(fēng)交替。在經(jīng)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(zhì)、高強、低傳導(dǎo)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(jù)隴東南地區(qū)氣候環(huán)境和當(dāng)?shù)剞r(nóng)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(dǎo)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(diào)整用能結(jié)構(gòu)

冬季取暖是隴東南農(nóng)村地區(qū)主要的能耗來源，因此農(nóng)村民居的生態(tài)節(jié)能改造還要考慮當(dāng)?shù)囟救∨挠媚芙Y(jié)構(gòu)調(diào)整問題。如果單純從傳統(tǒng)燃煤向電能或其他能源轉(zhuǎn)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(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和經(jīng)濟收入等因素，推廣使用沼氣和太陽能更為適合當(dāng)?shù)赜媚芙Y(jié)構(gòu)調(diào)整的需求。單戶的沼氣建設(shè)模式過去當(dāng)?shù)匾延型茝V，但受技術(shù)條件的限制，產(chǎn)氣量經(jīng)常性不足，難以發(fā)揮出應(yīng)有的作用，目前基本都已廢棄不用。考慮到隴東南地區(qū)農(nóng)村居民大都仍從事小麥、玉米、油菜等傳統(tǒng)農(nóng)作物的種植，且農(nóng)作物秸稈出現(xiàn)大量剩余，多數(shù)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(shè)施，將戶用沼氣池統(tǒng)一轉(zhuǎn)變?yōu)橹行突虼笮驼託夤こ蹋嵘r(nóng)業(yè)廢棄物和沼液的利用效率。同時也可利用生物質(zhì)成型燃料代替燃煤和秸稈用來取暖和做飯，推動生物質(zhì)爐具的應(yīng)用。調(diào)研農(nóng)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(nóng)戶家庭，節(jié)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(nèi)熱舒適性，可以考慮入冬后在常用房屋正面增設(shè)可拆卸的玻璃陽光房，減少室內(nèi)溫度的外泄。也可以將廚房設(shè)置在冬季主要居住房間一側(cè)，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(nèi)外熱量的緩沖區(qū)，減少臥室門的開啟次數(shù)，避免過多的室內(nèi)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(chǎn)生的煙氣熱量來作為部分的火炕取暖來源。

4 結(jié)語

隨著農(nóng)村經(jīng)濟的不斷發(fā)展和農(nóng)民收入的逐年提高，居民對住宅舒適性的需求不斷攀升，農(nóng)宅的建筑能耗也逐年增加，而農(nóng)村民居建筑的節(jié)能工作卻進展緩慢。本文對隴東南地區(qū)農(nóng)村民居進行了實地調(diào)研，以問卷調(diào)查和實測的方式對當(dāng)?shù)剞r(nóng)宅的建筑體形系數(shù)、窗墻比、外圍護結(jié)構(gòu)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(shù)、經(jīng)濟適宜的節(jié)能改造原則，并從改善外圍護結(jié)構(gòu)保溫、調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、改造建筑空間三個方面提出了適合隴東南地區(qū)農(nóng)村民居的生態(tài)節(jié)能改造策略，以期降低民居的建筑能耗，改善農(nóng)村居民的生活環(huán)境，提升居住舒適度，助力鄉(xiāng)村振興。