隴東地區(qū)農(nóng)村磚混結(jié)構(gòu)住宅節(jié)能分析★

趙向東，侯 斌

(甘肅林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,甘肅 天水 741020)

近年來,隨著我國經(jīng)濟社會的快速發(fā)展,建筑業(yè)突飛猛進,城鄉(xiāng)居民居住條件穩(wěn)步提升。但是與建筑業(yè)的快速發(fā)展相伴而生的則是能源的高消耗,根據(jù)統(tǒng)計報告,2020年全國建筑全過程能耗總量占全國能源消費總量的比重為45.5%,其中建筑運行階段能耗占全國能源消費總量的比重為21.3%[1]。在“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)時間表的控制下,建筑領(lǐng)域作為最主要的三大能源消費領(lǐng)域之一,盡早實現(xiàn)碳中和對于“雙碳”戰(zhàn)略路徑的整體實現(xiàn)具有重要意義[2]。

傳統(tǒng)上我國是一個農(nóng)業(yè)型國家,農(nóng)業(yè)人口一直占有很大的比重,雖然近年來我國城市化率逐步提高,但目前仍有超過34%的人口居住在廣大農(nóng)村[3],農(nóng)村地區(qū)住宅建筑面積占全國范圍內(nèi)住房總面積的50%以上[4],并且隨著農(nóng)民生活水平的穩(wěn)步提高,農(nóng)村住宅面積在不斷增加。但是,現(xiàn)階段已建成的大部分農(nóng)宅都存在保溫隔熱效果差的問題,這導(dǎo)致了農(nóng)村的建筑能耗在不斷增加。同時,隨著國家鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的深入推進和十四五建筑節(jié)能與綠色建筑發(fā)展規(guī)劃的宣傳及貫徹落實,對農(nóng)宅進行節(jié)能設(shè)計和改造的觀念越來越深入人心。所以,對既有農(nóng)宅節(jié)能現(xiàn)狀進行調(diào)研分析,以此為基礎(chǔ)推動節(jié)能設(shè)計和改造,可以提升農(nóng)村居民的居住舒適度,助力鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略,推動廣大農(nóng)村的綠色低碳發(fā)展。

近年來,在國家新農(nóng)村建設(shè)政策的推動下,隴東地區(qū)農(nóng)村居民對住宅進行了較大規(guī)模的翻新,但受限于經(jīng)濟和技術(shù)條件,新建住宅主要以磚混結(jié)構(gòu)為主,包括數(shù)量較多的一層平房、修建規(guī)模較大的二層樓房以及為數(shù)不多的三層樓房。本文調(diào)研了隴東地區(qū)磚混結(jié)構(gòu)住宅的用能現(xiàn)狀和存在的主要問題,隨后從建筑規(guī)劃整體布局、單體建筑設(shè)計及外圍護結(jié)構(gòu)等方面分析了降低隴東地區(qū)農(nóng)村磚混結(jié)構(gòu)住宅冬季采暖能耗的有效措施。

1 隴東地區(qū)氣候和地理環(huán)境解析

隴東地區(qū)是指甘肅省的東部地區(qū),包括慶陽市和平?jīng)鍪械拇蟛糠謪^(qū)域。這里地處黃土高原,經(jīng)過千百年的地質(zhì)運動才形成千姿百態(tài)、風(fēng)格獨特的黃土地貌特征。第四紀(jì)陸地抬升與更新世的風(fēng)積作用的相互配合,在我國西北黃土高原地區(qū)堆疊出了高達百余米的黃土覆蓋層[5]。黃河及其支流流經(jīng)黃土高原,攜帶走表層松散的黃土覆蓋層,經(jīng)過多年河流侵蝕,黃土高原被嚴(yán)重割裂,形成了兼有山、川、塬、溝、梁、峁的復(fù)雜地形地貌。

隴東地區(qū)氣候?qū)俚湫偷臏貛Т箨懶詺夂?處在干旱、半干旱和半濕潤的過渡地帶,季節(jié)降水量分布不均勻,冬季和春季雨水偏少,夏季雨水較多,降雨量南多北少。該地區(qū)冬季以西北風(fēng)為主導(dǎo),夏季以東南風(fēng)為主導(dǎo),光照比較充足。根據(jù)我國熱工分區(qū),隴東地區(qū)屬于寒冷地區(qū),冬季寒冷干燥。基于以上分析,可知該地區(qū)的建筑物應(yīng)加強密閉性,注重冬季的保溫構(gòu)造措施;夏季在部分地區(qū)也需要注意房屋的通風(fēng)和隔熱。

2 隴東南地區(qū)磚混結(jié)構(gòu)住宅現(xiàn)狀

2.1 住宅平面布局形式

伴隨著國家西部大開發(fā)、“一帶一路”、脫貧攻堅和鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的相繼實施,政府的一系列扶貧惠農(nóng)政策逐項落地,隴東農(nóng)村地區(qū)廣大居民的經(jīng)濟生活水平大為提高,居住條件也隨之改善,由原來的窯洞、土坯房改建為較多的磚混結(jié)構(gòu)住宅。根據(jù)建設(shè)類型,可分為兩大類:一類是政府補貼、農(nóng)民自建的住宅;另一類是由政府統(tǒng)一規(guī)劃建設(shè)的住宅。圖1是隴東地區(qū)農(nóng)村某磚混結(jié)構(gòu)住宅院落平面布局示意圖。

從住宅規(guī)模(占地面積)來看,隴東地區(qū)農(nóng)村磚混結(jié)構(gòu)建筑規(guī)模較大的一般為農(nóng)戶在宅基地自建的房屋,規(guī)模較小的多為政府統(tǒng)一規(guī)劃的安置房屋,第二種的分布多呈現(xiàn)為異地聯(lián)排的布置模式。從房屋成本分析,相較于舊式農(nóng)宅,新式農(nóng)宅的單位造價較高,每平米在750元～1 200元之間,其中人工費占總造價的比重較大,普遍達到了總成本的35%以上。從房屋朝向分析,新型農(nóng)宅更注重房間的采光和得熱的影響,因此新型農(nóng)宅朝向多為南向、西南向及東南向。從房屋構(gòu)造分析,新式農(nóng)宅多為單層建筑,屋頂?shù)臉?gòu)造多采用傳統(tǒng)農(nóng)宅的雙坡造型,部分采用預(yù)制板平屋頂上加蓋坡屋頂。圖2為隴東地區(qū)調(diào)研過程中較為典型的農(nóng)宅外觀圖。這種雙坡農(nóng)宅建筑的正脊高度一般在4.5 m～5.5 m之間,部分農(nóng)戶采用了吊頂,在吊頂后室內(nèi)凈高也在3 m以上。近幾年所建磚混結(jié)構(gòu)住宅,開始注重結(jié)構(gòu)的抗震性能,加設(shè)了混凝土構(gòu)造柱和圈梁,建筑穩(wěn)定性和整體性顯著提高,但也存在構(gòu)造柱的尺寸偏小、設(shè)置位置不合理等問題。墻體材料多采用傳統(tǒng)的實心黏土磚,外墻厚度一般為240 mm或370 mm,內(nèi)墻厚度多為240 mm,外墻一般不做保溫層,早期磚混建筑的屋面材料多使用木構(gòu)架或預(yù)制板材,近年來開始使用混凝土現(xiàn)澆樓板。木架構(gòu)坡屋頂住宅室內(nèi)多采用PVC吊頂,地面鋪黏土磚或用砂漿鋪瓷磚,內(nèi)墻面簡單刷白,外墻面使用混凝土砂漿涂刷或白色瓷片貼面。門窗多采用木質(zhì)單層玻璃門窗或鋁合金單層玻璃門窗。

2.2 圍護結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀

2.2.1 外墻

隴東地區(qū)農(nóng)宅建筑墻體材料大多選用燒結(jié)黏土磚,為降低造價,外墻也多為二四墻。磚墻外側(cè)一般為20 mm厚的水泥砂漿抹灰,墻體內(nèi)側(cè)為20 mm厚的石膏砂漿抹灰。圖3為240 mm厚燒結(jié)黏土磚墻身大樣圖。

2.2.2 屋頂

20世紀(jì)90年代開始,隴東地區(qū)農(nóng)宅建筑開始轉(zhuǎn)型,轉(zhuǎn)型初期多為磚墻木架構(gòu)房屋,后期多為磚墻混凝土樓蓋結(jié)構(gòu)。且從這一時期開始,屋頂也由傳統(tǒng)的單坡屋頂轉(zhuǎn)為雙坡屋頂或平屋頂,這有利于房屋結(jié)構(gòu)抗震性能的提升。調(diào)研中發(fā)現(xiàn)還有一種比較特殊的屋頂形式,即預(yù)制混凝土樓板平屋頂加蓋雙坡屋頂,這種屋頂是在鋼筋混凝土預(yù)制板平屋頂上加蓋坡屋頂,坡屋頂?shù)臉?gòu)造與傳統(tǒng)木架構(gòu)雙坡屋頂相同,其具體構(gòu)造做法見圖4。這種新型的屋面做法,既滿足了當(dāng)?shù)貙τ趥鹘y(tǒng)坡屋頂造型的藝術(shù)追求,又極大提升了農(nóng)宅的耐久性、防水性和保溫隔熱性能。

2.2.3 外窗

隴東地區(qū)農(nóng)村民居建筑的外窗絕大多數(shù)是單層玻璃窗,且單純?yōu)榱俗非罅己玫牟晒?窗地比普遍較大。所用的窗框材料最早多為木材,后期以鋼材為主,現(xiàn)在主要是鋁合金、塑鋼。傳統(tǒng)的土木農(nóng)宅建筑使用的是木窗框,且窗戶的尺寸也較小。20世紀(jì)90年代后,鋼質(zhì)和鋁合金窗框開始用于隴東地區(qū)的農(nóng)宅建筑,近年來隴東農(nóng)村地區(qū)的農(nóng)宅建筑中多使用塑鋼窗框。從窗的開啟方式來看,該地區(qū)農(nóng)宅建筑中多采用推拉窗和平開窗,窗的密閉性普遍較差(見圖5)。

2.3 建筑用能及能耗現(xiàn)狀

隴東地區(qū)作為寒冷地區(qū),冬季采暖用能占有較大比重。除此之外還包括炊事用能、日常照明以及電氣用能。由于該地區(qū)農(nóng)宅建筑基本不設(shè)置保溫層,加之隴東地區(qū)的氣候條件與房屋外圍護構(gòu)造缺陷,導(dǎo)致冬季該地區(qū)農(nóng)宅的室內(nèi)溫度偏低,這是冬季采暖能耗大的主要原因。由于該地區(qū)夏季氣溫適中,若農(nóng)宅設(shè)計中無嚴(yán)重缺陷,可實現(xiàn)自然通風(fēng)、遮陽,加之當(dāng)?shù)鼐用癯Ｄ陙韺Φ赜驓夂虻倪m應(yīng)性,僅少數(shù)家庭選擇電風(fēng)扇等設(shè)施降溫,故夏季制冷用能少,相應(yīng)的其能耗低。

表1給出了隴東地區(qū)磚混結(jié)構(gòu)農(nóng)宅圍護結(jié)構(gòu)建材使用情況、主要的構(gòu)造做法及傳熱系數(shù)。為節(jié)約經(jīng)濟成本,當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶常采用370 mm或者240 mm的普通燒結(jié)黏土磚作為外墻材料。但是調(diào)研發(fā)現(xiàn),無論是外墻還是屋頂,隴東地區(qū)大多數(shù)農(nóng)宅建筑沒有任何的保溫隔熱構(gòu)造,僅有極少部分的農(nóng)宅外墻設(shè)置了20 mm～30 mm厚度的EPS保溫層,該保溫材料的傳熱系數(shù)偏大,加之厚度不夠,遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了寒冷地區(qū)的保溫構(gòu)造要求,這導(dǎo)致圍護結(jié)構(gòu)與外部的熱交換頻繁,內(nèi)部熱量很容易散失,冬季室內(nèi)溫度較低,能耗大。

表1 隴東地區(qū)磚混結(jié)構(gòu)農(nóng)宅圍護結(jié)構(gòu)建筑材料使用現(xiàn)狀、主要構(gòu)造做法及各部分傳熱系數(shù)

同樣,由于材料的導(dǎo)熱系數(shù)過大,夏季室外的熱量與室內(nèi)空氣熱交換量大,隔熱效果差,室內(nèi)環(huán)境溫度偏高,使得部分農(nóng)宅需通過風(fēng)扇、空調(diào)進行室內(nèi)降溫,產(chǎn)生一定的能耗。

另外,門窗作為熱交換的主要區(qū)域,其密封性和門窗材料的傳熱系數(shù)也很大程度上影響著室內(nèi)溫度,進而影響采暖用能或制冷用能。該地區(qū)磚混結(jié)構(gòu)門窗材料多為鋁合金、塑鋼、木材,窗框構(gòu)造簡單,其傳熱系數(shù)較大且密封性差,在冬季極易產(chǎn)生冷風(fēng)滲透,進而增加冬季采暖能耗。

隴東地區(qū)圍護結(jié)構(gòu)的用材傳熱系數(shù)普遍較大,超出規(guī)范限值較多,保溫隔熱效果差,為提高人體舒適度,不得不增大采暖能耗和制冷能耗,造成了能源浪費和村民經(jīng)濟損失。

3 隴東地區(qū)磚混結(jié)構(gòu)節(jié)能分析

為在冬季獲得舒適的室內(nèi)環(huán)境溫度,隴東農(nóng)村地區(qū)的建筑除了需要滿足自身保溫外,還需要有必要的采暖設(shè)施為室內(nèi)提供穩(wěn)定的熱源,當(dāng)前多采用煤爐燒炭取暖,產(chǎn)生的熱量有限,且極易對室內(nèi)空氣造成污染。但如果建筑物自身的保溫層做的較為完善,那么維持室內(nèi)環(huán)境溫度舒適穩(wěn)定所需的熱能就少;反之,若建筑物自身的熱工性能較差,一方面室內(nèi)環(huán)境溫度難以達到人體所需的舒適溫度,使得采暖耗能進一步加大;另一方面,門窗等圍護結(jié)構(gòu)也容易產(chǎn)生結(jié)露、凝霜甚至變形等一系列問題。

3.1 布局規(guī)劃

在選址、設(shè)計、修建時,首先應(yīng)該有效利用地形,考慮不同地形下的日照,使農(nóng)宅主要休息居住房屋的朝向能夠獲取最大程度的太陽光照,盡量避開周圍物體的遮擋。

另外,隴東地區(qū)冬季以西北風(fēng)為主導(dǎo),如果選址是在主導(dǎo)風(fēng)的上部,較易形成門窗處冷風(fēng)滲透,加劇室內(nèi)熱能的散失,為保證室內(nèi)溫度適宜,只能加大采暖用能。因此該地區(qū)磚混結(jié)構(gòu)農(nóng)宅選址必須考慮場地的防風(fēng),使房屋的主朝向避開西北風(fēng),減少冷風(fēng)滲透所導(dǎo)致的室內(nèi)熱量的損失,進而減少冬季采暖能耗。有條件的村莊和農(nóng)戶,可通過優(yōu)化住宅布局,改善室外環(huán)境,在不影響夏季自然通風(fēng)的情況下,實現(xiàn)冬季的防風(fēng)。

3.2 單體設(shè)計

眾所周知,建筑能耗受體形系數(shù)的影響非常大,因此可根據(jù)體形系數(shù)的大小對建筑物耗能情況進行評估。依據(jù)寒冷地區(qū)的氣象條件,在0.3基礎(chǔ)上體形系數(shù)每增加0.01,能耗約增加2.4%～2.8%;體形系數(shù)每減少0.01,能耗約減少2.3%～3%。甘肅《嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能(75%)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》[6]中要求,寒冷地區(qū)3層以內(nèi)的采暖居住建筑的體形數(shù)不得超過0.52。調(diào)研結(jié)果顯示隴東地區(qū)磚混結(jié)構(gòu)農(nóng)宅多以正南向為主朝向,因此太陽輻射的主體是南墻,而其余方向的墻體則成為了主要散熱墻體,為減少建筑物熱量耗散,在保證滿足0.52的體形系數(shù)限值要求的情況下,建筑物平面設(shè)計應(yīng)盡可能形成以東西向為長、南北向為寬的矩形。

3.3 圍護結(jié)構(gòu)

建筑物的散熱主要是通過圍護結(jié)構(gòu)來散熱,一般情況下,通過圍護結(jié)構(gòu)散熱占總耗熱量的73%～77%[7]。因此,通過圍護結(jié)構(gòu)構(gòu)造的合理設(shè)計以及材料的合理選用,可大幅減少室內(nèi)外熱量的交換,提高室內(nèi)熱舒適度,降低能耗。

據(jù)前所述,隴東地區(qū)磚混結(jié)構(gòu)外墻材料大多為實心燒結(jié)黏土磚,由表1可知其傳熱系數(shù)在0.65 W/(m2·K)～2.12 W/(m2·K)之間,依據(jù)《農(nóng)村居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》,外墻傳熱系數(shù)應(yīng)小于0.65,可見該區(qū)域主要墻體材料的傳熱系數(shù)超出了規(guī)范要求,這說明室內(nèi)外熱交換量大,這是導(dǎo)致該地區(qū)農(nóng)宅冬季采暖能耗偏大、熱舒適度低的主要原因。

提升隴東地區(qū)農(nóng)村住宅外圍護結(jié)構(gòu)保溫效果的有效措施是對外墻進行節(jié)能設(shè)計或改造,增加保溫構(gòu)造層。目前常見的墻體保溫構(gòu)造可分為內(nèi)保溫、自保溫、夾心保溫、外保溫等,內(nèi)保溫構(gòu)造易在室內(nèi)發(fā)生冷凝結(jié)露現(xiàn)象而降低保溫效果,同時也會造成墻面損壞,而自保溫對圍護結(jié)構(gòu)的材料要求較高,增加使用成本,夾心保溫施工難度較大且會影響墻體的整體性。基于以上原因,建議隴東地區(qū)磚混農(nóng)宅保溫設(shè)計采用外保溫形式。雖然外保溫的造價相對內(nèi)保溫較高,但是外保溫相較于內(nèi)保溫能夠使得室內(nèi)使用面積增加約2%。

在選擇建筑保溫材料時,要綜合考慮材料的價格、導(dǎo)熱系數(shù)高低、防火性能、使用壽命、施工難易程度、家庭經(jīng)濟能力等因素。表2對常用保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)和主要優(yōu)缺點進行了對比分析,可以看出,石墨聚苯板(EPS灰板)的綜合性能相對較高,可以用作為隴東地區(qū)農(nóng)宅建筑外墻外保溫形式下的保溫材料,家庭經(jīng)濟條件較好的農(nóng)戶,也可以考慮選用擠塑聚苯板(XPS板),除造價外,其各方面的性能較為優(yōu)異。

表2 常用保溫材料特性對比

4 結(jié)論

本文通過對隴東地區(qū)的氣候、地理環(huán)境及當(dāng)?shù)氐拇u混結(jié)構(gòu)農(nóng)宅情況進行調(diào)研和總結(jié),分析了隴東地區(qū)磚混農(nóng)宅在規(guī)劃布局、單體設(shè)計、圍護結(jié)構(gòu)等方面的現(xiàn)狀,探討了其建筑耗能較大的原因,進而分析探討了降低隴東地區(qū)磚混結(jié)構(gòu)農(nóng)村住宅建筑能耗的主要措施。研究得出了如下結(jié)論:

1)隴東地區(qū)磚混結(jié)構(gòu)農(nóng)宅在選址時應(yīng)充分考慮地形、氣候、場地防風(fēng)等因素,農(nóng)宅主朝向應(yīng)盡量避開西北風(fēng)。2)隴東地區(qū)磚混結(jié)構(gòu)農(nóng)宅平面設(shè)計應(yīng)盡可能為東西向為長、南北向為寬的矩形。3)隴東地區(qū)磚混農(nóng)宅保溫方式宜采用外保溫形式。保溫材料的選擇可依據(jù)造價及工程需求綜合選擇。