嚴寒地區(qū)農(nóng)宅建筑超低能耗改造技術研究

曲基臣 王麗穎

1 嚴寒地區(qū)農(nóng)宅建筑現(xiàn)狀

1.1 自然特征

我國幅員遼闊，自然主要特征是復雜性和多樣性。不同省市地區(qū)各有特點，農(nóng)村風貌均有所差別。隨著我國基礎建設的不斷優(yōu)化，人們對居住環(huán)境的要求越來越高，提倡“綠色宜居”的居住方式。

據(jù)《民用建筑熱工設計規(guī)范》（GB 50176—2016）[1]，嚴 寒 地 區(qū) 分 為A區(qū)、B 區(qū)和C 區(qū)（表1），本文主要討論嚴寒C 區(qū)即分布于東北地區(qū)及內(nèi)蒙古、新疆、青海、西藏等地的農(nóng)宅建筑。嚴寒C 區(qū)年溫差大，冬季時間長，凍土較厚且伴隨降雪，采暖度日數(shù)（HDD18）在3800≤HDD18≤5000。

表1 建筑熱工二級區(qū)劃指標及設計原則

1.2 農(nóng)宅建筑現(xiàn)狀

我國嚴寒地區(qū)農(nóng)村人口眾多，受自然環(huán)境、人文和歷史因素影響，各地方發(fā)展也有所不同，但主要以農(nóng)耕為主。農(nóng)宅建筑形式變化多樣，隨著我國經(jīng)濟快速發(fā)展，人們生活質(zhì)量不斷提高，根據(jù)農(nóng)戶生產(chǎn)和生活的變化不斷改造完善，形成適用于當下的農(nóng)宅建筑形式。農(nóng)宅建筑的規(guī)模取決于宅基地的大小，且農(nóng)宅建筑面積占用整個宅基地的40%左右。農(nóng)宅建筑面積越大則建筑內(nèi)部空間尺度相對越大，功能空間數(shù)量也越多，也會根據(jù)農(nóng)戶家庭成員來設置。農(nóng)宅建筑在層數(shù)上多以單層農(nóng)宅為主要形式，自建房高度在3.2 m 左右，最多不超過4 m。農(nóng)宅建筑形式多以屋面結構形式區(qū)分，分為用預制混凝土板制成的平房和瓦片制成的瓦房，也有的用彩鋼板制成屋面，構造較為簡單。從開間的角度分為2 間、3 間或4 間房。農(nóng)宅形式大多根據(jù)使用者的生活和生產(chǎn)功能進行劃分，在使用上分為起居為主的臥室、次間和用于炊事、餐飲的廚房、客廳等構成。農(nóng)宅建筑的主入口一般設置在南側中間位置，有后院的也會在北側設置一個次入口。交通空間聯(lián)系各個功能空間，且作為主要的家庭公共活動空間、會客空間、餐飲空間使用，一般面積較大。廚房的灶臺與臥室的火炕相連，兼顧炊事與采暖功能，臥室一般較大。如今隨著社會發(fā)展，農(nóng)村人口比以往少，臥室空間部分閑置，對私密性和舒適度需求較高，多采用隔斷進行分隔，分隔出來的房間根據(jù)居住者的使用需求，用于儲存、會客、書房及梳妝等。存儲空間一般設置在北側，對采光采暖要求較低，多以儲存糧食，放置雜物為主。農(nóng)宅建筑整體構造較差，功能空間使用不明確，舒適度較低。

1.3 外圍護結構現(xiàn)狀

農(nóng)宅建筑外圍護結構主要包括外墻、門窗、屋頂和地面。嚴寒地區(qū)農(nóng)宅建筑的外圍護結構大多沒有保溫措施，普遍存在保溫性能弱、施工質(zhì)量差、氣密性不良及透風性強的特點，導致農(nóng)宅建筑整體熱工性差，室內(nèi)熱環(huán)境舒適度很低。

外墻是農(nóng)宅建筑中最重要的構件，是熱能交換與損失的主要途徑，多以土墻和磚墻為主。目前，嚴寒地區(qū)農(nóng)宅建筑多以實心粘土磚為主要墻體材料，通過水泥砂漿進行砌筑，由于材料獲取容易、耐久性強、承重性高及價格相對低廉，且具有一定的防火性、隔熱性、防潮性，因而被廣泛使用。

門窗是農(nóng)宅建筑中熱損失最大的構件。嚴寒地區(qū)農(nóng)宅建筑的窗墻普遍較大，且窗戶多以木窗和單層的塑鋼窗為主，玻璃材質(zhì)單薄、質(zhì)量較差。隨著時間的推移，如門窗不加以定期維護，將出現(xiàn)腐蝕老化，極易發(fā)生形變，且滲雨、結露等現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生，使得墻體發(fā)霉，直接降低建筑的使用壽命。

屋頂多以粘土及草坯混合、結合屋面瓦制成的坡屋頂和預制混凝土板制成的平屋頂為主。為保證一定的保溫性能，屋頂一般建造得相對較厚，但由于屋面的材料性能低，施工技術差，年久失修，則容易出現(xiàn)滲風、漏水的情況；而且雖然增加了一定厚度，但也無法避免產(chǎn)生較高的能耗。

1.4 能源利用的現(xiàn)狀

嚴寒地區(qū)農(nóng)宅建筑采暖期較長，一般持續(xù)5—6 個月，基本以火炕的方式進行采暖，通過燃燒煤炭、玉米秸稈和稻草等獲取熱能，為起居空間帶來溫度，并用以烹飪食物和燒熱水。采用土暖氣也是常見的采暖方式，土暖氣由爐子和散熱片構成，結合火炕共同供熱，一般在采暖季使用，大多以燃煤、燃柴為主要方式。隨著人們生活水平的提升，電采暖進入人們的視野，如空調(diào)、電暖器等電采暖設備。嚴寒地區(qū)農(nóng)宅建筑基本都是自行供熱，對可再生能源的利用很少。

2 嚴寒地區(qū)農(nóng)宅建筑超低能耗改造技術概述

2.1 超低能耗的概念

超低能耗建筑是指適應氣候特征和自然條件，通過保溫性能、隔熱性能和氣密性能更高的外圍護結構，采用高效新風熱回收技術，最大程度地降低建筑供暖和供冷需求，并充分利用可再生能源，以更少的能源消耗提供更舒適的室內(nèi)環(huán)境，并能滿足綠色基本要求的建筑。

2.2 超低能耗技術設計標準

為貫徹國家有關節(jié)約能源、保護環(huán)境的法律法規(guī)和政策，提高能源利用效率，進一步降低居住建筑能耗，提升居住建筑品質(zhì)，規(guī)范超低能耗居住建筑設計，我國出臺了很多標準，但目前仍沒有針對嚴寒地區(qū)農(nóng)宅建筑制定超低能耗相關設計標準。本文針對嚴寒C 區(qū)農(nóng)宅建筑應用超低能耗改造技術的目前情況進行研究，參考了《建筑節(jié)能與可再生能源利用規(guī)范》（GB 55015—2021）、吉林省工程建設地方標準《超低能耗居住建筑節(jié)能設計標準》（DB22/T 5129-2022）等相關節(jié)能規(guī)范。

2.3 超低能耗改造技術原則

充分考慮嚴寒地區(qū)農(nóng)村原有風貌，結合農(nóng)村傳統(tǒng)農(nóng)宅建筑形式，因地制宜地在原有結構基礎上，通過超低能耗技術進行改造，盡量避免對傳統(tǒng)農(nóng)宅原有結構造成破壞，避免采取荷載大的措施進行改造，以充分考慮農(nóng)宅的安全性、穩(wěn)定性和實用性。在施工時間方面，避免在雨雪季、寒冷季開展施工；在工藝方面，選擇周期相對短、施工更方便的形式進行改造。在材料上，充分考慮改造地域所需材料“有”和“無”的情況，盡量就地取材，著重考慮經(jīng)濟因素，減少材料的運輸費用，最好選取性價比高、保溫性能強、對施工工藝要求低的材料進行改造[2]。

2.4 嚴寒地區(qū)農(nóng)宅建筑超低能耗技術改造的可行性

我國正處在全面發(fā)展的關鍵階段，能源與環(huán)境問題與日俱增，解決能源問題成為備受關注的話題。尤其是在嚴寒地區(qū)能源問題嚴峻的情況下，超低能耗改造技術成為解決農(nóng)村地區(qū)能耗高、環(huán)境質(zhì)量差的問題的必要手段。在政策上，我國針對超低能耗建筑出臺的發(fā)展政策和經(jīng)濟政策越來越多，旨在大力推動超低能耗建筑發(fā)展。在技術方面，隨著超低能耗改造技術的日益成熟，國內(nèi)外超低能耗建筑的數(shù)量急劇增加，超低能耗技術領域人才輩出。通過國家現(xiàn)有政策的推行、建筑材料的不斷發(fā)展，以及技術能力的不斷提高，運用超低能耗技術對嚴寒地區(qū)農(nóng)宅建筑進行改造，具有較大的可行性。

3 嚴寒地區(qū)農(nóng)宅建筑能耗的影響因素

3.1 外圍護結構對農(nóng)宅能耗的影響

農(nóng)宅建筑的外圍護結構熱功性能是影響農(nóng)宅建筑整體能耗的直接因素，嚴寒地區(qū)農(nóng)宅建筑熱功能性差，所以能耗很高。外墻的傳熱量占農(nóng)宅建筑整體能耗的30%～40%，外門窗占60%～70%，屋面占約10%。通過運用超低能耗技術，可以提升農(nóng)宅建筑外圍護結構的熱工性能，降低由于外圍護結構產(chǎn)生的能耗。

3.2 熱橋對農(nóng)宅能耗的影響

嚴寒地區(qū)農(nóng)宅建筑的外圍護結構由于材料傳熱系數(shù)不同、導熱系數(shù)不同，以及受室內(nèi)外溫差的影響，在傳熱過程中，材料的溫差較大，導致熱流相對密集的區(qū)域與主墻體傳熱相比，成為熱量損失的橋梁。嚴寒地區(qū)農(nóng)宅建筑溫差較大，無疑加劇了熱橋的產(chǎn)生，在利用超低能耗技術對農(nóng)宅建筑進行設計改造時要充分考慮熱橋問題，避免造成額外的能耗。

3.3 氣密性對農(nóng)宅能耗的影響

嚴寒地區(qū)農(nóng)宅建筑冷空氣的滲透，多是由于外窗和外門性能差（如常用的木門木窗老舊、縫隙大），空氣置換加速了室內(nèi)熱量的流失等因素引起。外墻和屋面由于施工質(zhì)量差或材料使用不當，其圍護結構的開裂、破損、老化和發(fā)霉等情況屢見不鮮。采取合理的措施對其進行改造，提升外圍護結構的氣密性，是降低能耗的重要途徑。

3.4 可再生能源對農(nóng)宅能耗的影響

嚴寒地區(qū)農(nóng)宅建筑大多不使用可再生能源，以直接燃燒煤炭、木柴、秸稈及稻草為主要形式，然而燃料不能充分燃燒，且造成大量的溫室氣體，嚴重影響了環(huán)境質(zhì)量?？衫蒙镔|(zhì)能，通過秸稈、稻草等結合工藝進行燃料加工，形成綠色能源，使其充分燃燒，則不排放污染氣體，提升了燃料利用率?？衫锰柲?，有一種被動式的利用方法，即采用附加陽光房的方式，通過圍合的陽光間儲存太陽能，為農(nóng)宅室內(nèi)空間存取熱能。這種方式既提升了農(nóng)宅的保溫效果，降低了能耗，又豐富了農(nóng)宅空間的功能性。

4 嚴寒地區(qū)農(nóng)宅建筑超低能耗改造技術措施

4.1 外墻超低能耗改造技術措施

本文主要研究在保留傳統(tǒng)農(nóng)村農(nóng)宅建筑風貌的前提下，探討滿足嚴寒地區(qū)農(nóng)村既有農(nóng)宅建筑超低能耗改造性能的夾心保溫體系的構造做法和無熱橋施工方法。采用保溫一體化板，將保溫與裝飾結合在一起，這是現(xiàn)代保溫與傳統(tǒng)裝飾緊密結合在一起的新技術。在外墻超低能耗改造技術中，外墻外保溫節(jié)能裝飾板的問世，引發(fā)全國乃至全世界外墻保溫行業(yè)新一輪的“技術革命”。它以“節(jié)能耐用”的領先理念，成為行業(yè)中的新一代高科技產(chǎn)品。此外，其價格低，每平方米90 ～120 元，施工方便，不用二次施工，保溫層可用巖棉、聚乙烯等材料，傳熱系數(shù)0.213 ～0.360 W/（m2·K），設計厚度120 ～150 mm，大大提高了農(nóng)宅建筑的保溫性能，降低了能耗[3]。

4.2 屋面超低能耗改造技術措施

在對屋面進行超低能耗改造時要拆除原有屋面，只保留屋面基層，防止由于原有屋面潮濕、破損和開裂等問題影響農(nóng)宅改造的效果?？梢愿鶕?jù)實際情況，考慮選用以下措施：

1）對于既有或新建農(nóng)宅的坡屋面，可以先在屋面板上部鋪一層薄膜，作為隔氣層；然后在隔氣層上鋪一層苯板或進行聚氨酯噴涂，作為保溫層。

2）采用目前常用的屋頂保溫方式，即在屋頂上表面鋪設一定厚度的松散保溫材料（如煤渣、草泥、干草、礦棉、膨脹珍珠巖和膨脹蛭石等），或者板狀保溫材料（如聚苯板、膨脹珍珠巖板等），外表面做防水處理，可有效提高屋頂?shù)谋匦阅堋?/p>

3）北方農(nóng)村常見的坡屋頂住宅，其內(nèi)部常設有吊頂，在吊頂上鋪設保溫層的做法更加簡單，而且成本更低?？梢允褂玫谋夭牧习溈贰從?、膨脹聚苯板和袋裝聚苯顆粒等，膨脹聚苯板保溫可以與吊頂施工結合處理，以減少板間縫隙，其他幾種材料可以直接鋪撒在吊頂表面，但應注意防火處理[4]。

4.3 外窗超低能耗改造技術措施

采用更換窗戶的方式進行改造，選用傳熱系數(shù)低、性能好的窗戶，例如斷橋鋁、鋁木復合窗和塑料窗等；也可以在窗戶的選用上進一步優(yōu)化，例如提升現(xiàn)有單隔斷鋁木鋁窗的保溫性能，在現(xiàn)有性能的基礎上，通過不同型材組合優(yōu)化、等溫線設計和連接方式設計等手段，重點研究傳熱系數(shù)達到0.8 W/（m2·K）的“鋁+木隔斷+鋁+木隔斷+鋁”雙隔斷結構體系的構造做法，融合斷橋鋁窗強度高、鋁包木窗保溫性能好的優(yōu)點，同時避免了斷橋鋁窗保溫性能差、鋁包木窗內(nèi)木需維護修復等缺點。

施工時，需要嚴格控制熱橋問題的產(chǎn)生，在容易產(chǎn)生熱橋的部位進行斷熱橋處理，在一些結構性熱橋，如女兒墻部位、外墻與窗戶及外墻與屋頂?shù)倪B接部位采用連續(xù)保溫，以防止熱橋效應；同時，在一些系統(tǒng)性熱橋，如與外墻相連的金屬結構連接件采用隔熱墊塊，阻斷熱量傳遞[5]。

4.4 可再生能源的利用

太陽能作為最優(yōu)的可再生能源，取之不盡、用之不竭。嚴寒地區(qū)農(nóng)宅建筑太陽能資源豐富，利用太陽能是最好的選擇，因為其獲取簡單，操作使用方便。嚴寒地區(qū)農(nóng)宅建筑的屋面大多閑置，可充分開發(fā)并利用農(nóng)村各類閑置的屋頂資源，發(fā)展分布式屋面光伏發(fā)電系統(tǒng)。每戶裝機20 kW 以上，每戶屋頂?shù)陌l(fā)電量即可滿足農(nóng)戶生活、生產(chǎn)、采暖、家電和汽車等全部用能?？刹扇　白园l(fā)自用余量上網(wǎng)”的模式進行利用，剩余約30%進行電力輸出，供給其他公共用能，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的燃煤、燃氣、燃油和生物質(zhì)燃料，從而達到節(jié)能減排、降低能耗，改善農(nóng)村地區(qū)生活環(huán)境的目的。

5 結語

本文通過對農(nóng)宅建筑超低能耗改造技術進行總結，對存在的現(xiàn)狀及問題進行具體研究，并對嚴寒地區(qū)農(nóng)宅建筑超低能耗改造技術的適用范圍加以分析，以期改善農(nóng)宅建筑外圍護結構的保溫性能、提高房屋氣密性、降低農(nóng)宅建筑能耗、促進使用可再生能源取代常規(guī)燃料。期望科技發(fā)展水平的持續(xù)提升，使超低能耗建筑的資源消費結構設計得到更多應用，從而減少對不可再生資源的損耗，改善人們的生活質(zhì)量與環(huán)境質(zhì)量。