寒冷地區(qū)農(nóng)村住宅建筑節(jié)能設(shè)計(jì)研究

摘要：近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的飛速發(fā)展，能源問(wèn)題日益突出，建筑節(jié)能逐漸成為建筑領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。在鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略背景下，我國(guó)農(nóng)民經(jīng)濟(jì)收入及生活水平顯著提升，當(dāng)前的農(nóng)村住宅已經(jīng)不能滿足人們對(duì)高質(zhì)量人居環(huán)境的需要。由于農(nóng)村居民的建筑節(jié)能意識(shí)淡薄，且在設(shè)計(jì)施工、經(jīng)濟(jì)成本等方面都存在很大的局限性，所以大多數(shù)農(nóng)村住宅沒(méi)有進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)，導(dǎo)致室內(nèi)熱損耗大、資源浪費(fèi)等問(wèn)題出現(xiàn)。在我國(guó)農(nóng)村節(jié)能工作不斷深入的背景下，對(duì)農(nóng)村住宅進(jìn)行節(jié)能改造，是改善農(nóng)村人居環(huán)境、促進(jìn)農(nóng)村低碳化的一種重要方式。寒冷地區(qū)是指我國(guó)最冷的月平均氣溫為-10℃～0℃，日平均溫度≤5℃的天數(shù)為90～145天的地區(qū)。寒冷地區(qū)的冬季較長(zhǎng)且寒冷干燥，平原地區(qū)的夏天比較潮濕，高原地區(qū)的夏天比較涼爽，降水較為集中，月平均溫度差異大，日照時(shí)間充足。在我國(guó)寒冷地區(qū)的農(nóng)村住宅建設(shè)中，存在布局形式單一、圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能差、用能形式不合理等問(wèn)題，嚴(yán)重制約了農(nóng)村住宅的健康發(fā)展。為了降低農(nóng)村住宅的能耗，改善農(nóng)村住宅室內(nèi)熱環(huán)境，文章以我國(guó)寒冷地區(qū)農(nóng)村住宅為研究對(duì)象，結(jié)合當(dāng)?shù)氐臍夂蛱攸c(diǎn)和人們的生活習(xí)慣，從布局形式、圍護(hù)結(jié)構(gòu)、用能形式等方面著手，探討寒冷地區(qū)農(nóng)村住宅的節(jié)能設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：寒冷地區(qū)；農(nóng)村住宅；建筑節(jié)能

中圖分類號(hào)：TU241.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-9436（2023）17-0-03

0 引言

我國(guó)鄉(xiāng)村建設(shè)規(guī)模龐大，同時(shí)存在嚴(yán)重的能源浪費(fèi)問(wèn)題［1］。提高農(nóng)民生活質(zhì)量是提高國(guó)民幸福指數(shù)的重要方面，而住宅建筑的舒適性又是影響農(nóng)民生活質(zhì)量的重要因素，合理的建筑規(guī)劃與圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能的關(guān)鍵。目前，我國(guó)寒冷地區(qū)農(nóng)村住宅大多是居民自建房，且較為分散，沒(méi)有統(tǒng)一的規(guī)劃與建設(shè)規(guī)范，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫與隔熱性能較差。在采暖方面，寒冷地區(qū)農(nóng)村采用分散式供暖模式，這種模式下供暖設(shè)備低效燃燒，造成了環(huán)境污染和能源浪費(fèi)［2］。本文針對(duì)寒冷地區(qū)農(nóng)村住宅的節(jié)能現(xiàn)狀，對(duì)其在建設(shè)與使用過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行探究，并針對(duì)寒冷地區(qū)農(nóng)村住宅的地域氣候與自然資源等因素，提出了建筑節(jié)能的設(shè)計(jì)對(duì)策。

1 寒冷地區(qū)農(nóng)村住宅節(jié)能問(wèn)題

1.1 缺乏節(jié)能技術(shù)

寒冷地區(qū)農(nóng)村住宅多為農(nóng)村居民自發(fā)建設(shè)，缺乏對(duì)朝向、通風(fēng)等要素的科學(xué)設(shè)計(jì)，導(dǎo)致能耗偏高。寒冷地區(qū)居民通過(guò)增加墻體的厚度來(lái)提升建筑的保溫性能，但仍不能達(dá)到節(jié)能的要求。農(nóng)村住宅多為一層平房，建筑體形系數(shù)較大，窗戶大多是“木制窗框+單層玻璃”，氣密性、絕熱性能較差。在新建成的農(nóng)村住宅中，雖然許多都是磚混結(jié)構(gòu)，并且具有良好的安全性能和門窗氣密性，但是大部分圍護(hù)結(jié)構(gòu)部位缺乏保溫隔熱措施，在冬天，房屋內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)大量的結(jié)露，與傳統(tǒng)的磚木結(jié)構(gòu)相比，大多數(shù)新建成的農(nóng)村住宅更加寒冷［3］。

1.2 能源利用率低

在寒冷地區(qū)，農(nóng)村住宅采用分散式供暖方式，主要通過(guò)火爐、火炕以及少數(shù)電暖、電熱毯等來(lái)維持室內(nèi)的熱舒適性，缺乏清潔供暖方式?；馉t采暖主要是通過(guò)燃燒煤炭、秸稈和木材來(lái)實(shí)現(xiàn)，大部分農(nóng)村家庭都采用一屋一爐的采暖模式，極少數(shù)農(nóng)戶使用集中采暖設(shè)備。在我國(guó)農(nóng)村，受資源、經(jīng)濟(jì)等方面的限制，對(duì)新能源、新技術(shù)的運(yùn)用不足?？梢詫?duì)光熱能進(jìn)行有效利用，以滿足寒冷地區(qū)居民的供暖需要［4］。

2 寒冷地區(qū)農(nóng)村住宅的節(jié)能設(shè)計(jì)策略

受地域特點(diǎn)、生產(chǎn)生活方式和氣候等多種因素的影響，寒冷地區(qū)農(nóng)村住宅存在分時(shí)段分房間供暖的特點(diǎn)。因此，農(nóng)村住宅的節(jié)能策略與技術(shù)不能照搬城市經(jīng)驗(yàn)，而要結(jié)合農(nóng)村住宅的具體需求與特點(diǎn)，進(jìn)行相應(yīng)的節(jié)能設(shè)計(jì)。

2.1 住宅平面布局節(jié)能

農(nóng)村住宅的布局與氣候、環(huán)境和地理?xiàng)l件密切相關(guān)，關(guān)于建筑的最佳朝向，要根據(jù)其所處的地域、氣候等因素來(lái)確定。南向住宅能保證建筑得到足夠的陽(yáng)光，山墻能有效避免西曬。在建筑設(shè)計(jì)中，要在保證建筑使用功能的基礎(chǔ)上對(duì)建筑的熱環(huán)境進(jìn)行合理劃分。廚房、倉(cāng)庫(kù)等輔助性房間應(yīng)位于北面，臥室、客廳等主要房間應(yīng)位于南面。在室內(nèi)外過(guò)渡空間中，通過(guò)設(shè)置“溫度阻尼區(qū)”起到保溫的作用［5］。在空間布局方面，應(yīng)該以合院為主體，合院的空間組織既符合當(dāng)?shù)氐纳a(chǎn)和生活習(xí)慣，又可以達(dá)到一定的防風(fēng)效果。另外，應(yīng)將主要功能房間進(jìn)行集中布置，以降低建筑的體形系數(shù)，減少建筑與外部的接觸面積。

2.2 住宅體型節(jié)能

已有研究結(jié)果表明，當(dāng)其他因素不變時(shí)，建筑能耗與體形系數(shù)呈正比，體型系數(shù)過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致建筑能耗過(guò)大。在控制建筑體形系數(shù)的同時(shí)，不能把住宅做成“方盒子”，在條件允許時(shí)，可以把獨(dú)門獨(dú)戶改成多戶聯(lián)排房，兩戶聯(lián)排房的外墻變成無(wú)溫差的內(nèi)墻，使節(jié)能效果更好［6］。雖然目前對(duì)農(nóng)村住房的體形系數(shù)并沒(méi)有給出一個(gè)明確規(guī)定，但是應(yīng)對(duì)農(nóng)村住房進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，控制建筑的體形系數(shù)，以達(dá)到節(jié)能、節(jié)約土地和保護(hù)環(huán)境的目的。

2.3 住宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能

圍護(hù)結(jié)構(gòu)是進(jìn)行室內(nèi)和室外熱交換的重要組成部分，在節(jié)能方面起著至關(guān)重要的作用。在寒冷地區(qū)，建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)以滿足冬季保溫需求為主。對(duì)農(nóng)村住宅進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)時(shí)，由于供暖房間比較多，而且有連續(xù)供暖和間斷供暖的需要，所以應(yīng)該采用圍護(hù)結(jié)構(gòu)整體保溫方案，即對(duì)農(nóng)宅的整個(gè)墻體、門窗、屋頂及樓地面進(jìn)行保溫。

2.3.1 墻體

墻體是實(shí)現(xiàn)保溫隔熱效果的重要部件。選擇導(dǎo)熱系數(shù)較低的墻體材料是降低能耗的關(guān)鍵。農(nóng)村住宅可以就地取材，使用新型外墻材料，比如秸稈板或秸稈磚、新型保溫砌塊，以及自保溫復(fù)合墻，這些都適合用于寒冷地區(qū)農(nóng)村住宅的墻體保溫。當(dāng)無(wú)法使用新的外墻材料時(shí)，可以通過(guò)改變外墻的構(gòu)造來(lái)降低墻體的耗熱量，具體如下。

（1）保溫砂漿。將疏松的無(wú)機(jī)材料和膨脹珍珠巖、蛭石、火山灰等摻雜在一起制成保溫砂漿，在內(nèi)墻的表面上涂抹。

（2）貼板塊保溫材料。板狀隔熱材料的優(yōu)點(diǎn)是體積重量輕、導(dǎo)熱系數(shù)小。在農(nóng)村住宅中應(yīng)用時(shí)，要從原料來(lái)源、經(jīng)濟(jì)因素等方面加以考慮。

（3）采用夾層外墻。夾層外墻將墻分成兩個(gè)部分：一是承重層，二是保護(hù)層，二者之間留有空隙，可以用無(wú)機(jī)松散或塊狀保溫材料填充。

2.3.2 門窗

門窗是建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的主要組成部分之一，在采光、通風(fēng)方面發(fā)揮重要作用。由于其在室內(nèi)環(huán)境中易受冷空氣的侵?jǐn)_，所以提高窗戶的保溫性能，減少冷空氣的滲入至關(guān)重要［7］。門窗的型材特征及截面形狀對(duì)其保溫性能有很大的影響。窗框的材質(zhì)有金屬、非金屬、復(fù)合材料和木質(zhì)。PVC塑料窗、玻璃纖維增強(qiáng)塑料窗具有保溫、隔聲性能好、成本低廉等特點(diǎn)，因此適用于寒冷地區(qū)的農(nóng)村住宅。

此外，還應(yīng)該注重外窗的氣密性，較好的氣密性可以減少冷空氣滲入，有利于冬季保暖［8］。平開式窗戶比推拉式窗戶具有更好的氣密性，在寒冷地區(qū)應(yīng)選用平開式窗戶，并盡可能使用兩層窗戶。在鋼制窗戶的縫隙處貼發(fā)泡膠帶，木質(zhì)窗戶可以裝上擋風(fēng)板。在保證采光和通風(fēng)的前提下，應(yīng)盡可能使用較小的窗戶，減小散熱面積。

2.3.3 屋面

屋面具有保溫和防雨的作用，與外部環(huán)境有直接的聯(lián)系，因此屋面的保溫對(duì)保持室內(nèi)的溫度至關(guān)重要。寒冷地區(qū)農(nóng)村有大量的農(nóng)用廢棄物，如木屑、秸稈、雜草、樹葉、谷殼等，可將其作為原料，輔以添加劑，利用現(xiàn)場(chǎng)發(fā)泡技術(shù)在傳統(tǒng)的灰泥屋面上施工而成。在施工過(guò)程中，將秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物和水泥、添加劑等按照一定的比例混合而成［9］。該方法既能優(yōu)化隔熱效果，又能實(shí)現(xiàn)對(duì)廢棄材料的綜合利用。

2.3.4 地面

農(nóng)村地區(qū)大多對(duì)地面的保溫功能沒(méi)有給予足夠的關(guān)注。在傳統(tǒng)的農(nóng)宅中，地面以磚為主，有些地方使用硬土、石材、水泥抹面、地板磚等，但大多數(shù)都沒(méi)有保溫層。為了優(yōu)化室內(nèi)的保溫效果，可以對(duì)地面進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)。在條件允許的情況下，應(yīng)該選擇木質(zhì)地板或塑料地板。其次，為了降低地面的熱損耗，可以采用熔渣等廉價(jià)、容易獲得的保溫材料，在室內(nèi)地板下方和周圍，距離建筑物周圍1.2 m以內(nèi)增加一層保溫層［10］。

2.4 可再生能源的利用

2.4.1 清潔取暖的推動(dòng)應(yīng)用

寒冷地區(qū)冬季取暖是農(nóng)村居民生活能耗的重要組成部分，也是實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能的重要環(huán)節(jié)。潔凈供熱指的是利用天然氣、電力、地?zé)?、生物燃料、太?yáng)能、工業(yè)廢熱、潔凈煤、核能等，采用高效節(jié)能的供暖系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)低排放、低能耗的供暖模式。

考慮到寒冷地區(qū)住宅的建筑形態(tài)、人員構(gòu)成、結(jié)構(gòu)類型、經(jīng)濟(jì)狀況和農(nóng)戶生活習(xí)慣，并結(jié)合建筑的實(shí)際功能空間使用模式、熱舒適特性和取暖需求，其采暖模式有別于城鎮(zhèn)的全時(shí)間全空間采暖模式，應(yīng)分室設(shè)置部分時(shí)間和部分空間的采暖模式［11］。從目前的清潔供暖方法來(lái)看，低溫空氣源熱泵熱風(fēng)機(jī)和太陽(yáng)能蓄熱技術(shù)更適用于寒冷地區(qū)，且在我國(guó)已經(jīng)得到了一定的推廣應(yīng)用。

（1）低溫空氣源熱泵熱風(fēng)機(jī)。低溫空氣源熱泵指的是利用電能來(lái)驅(qū)動(dòng)蒸汽壓縮制熱循環(huán)，直接向封閉空間、房間或區(qū)域釋放熱量，以提高室內(nèi)的空氣溫度。采用新型壓縮機(jī)、變頻技術(shù)及新型系統(tǒng)，使低溫風(fēng)冷風(fēng)冷熱泵的應(yīng)用范圍擴(kuò)大至-30℃以下的低溫環(huán)境［12］。低溫空氣源熱泵的初期投資和運(yùn)行費(fèi)都比較低，而且這種供暖方式運(yùn)行穩(wěn)定可靠，在低溫條件下的制熱性能良好，不會(huì)排放PM2.5。使用者還可以采用分時(shí)間、分空間的運(yùn)行方式，對(duì)室內(nèi)溫度進(jìn)行靈活調(diào)節(jié)，使其最大限度地發(fā)揮節(jié)能效果，因此在寒冷地區(qū)的推廣程度和適用性都比較高。

（2）生物質(zhì)能高效利用。采用生物質(zhì)清潔炊具，可以在寒冷地區(qū)達(dá)到“炊暖兩用”的目的，且易于操作，與當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶的生活習(xí)慣相適應(yīng)。在農(nóng)村地區(qū)，房屋占地面積大，保溫性能不佳，而將生物質(zhì)爐裝在房間里，不僅可以快速升溫，還可以將農(nóng)村垃圾能源化，將樹枝、秸稈和牛糞轉(zhuǎn)變成供暖材料，從而降低供暖成本［13］。在寒冷地區(qū)，有大量的農(nóng)作物秸稈、廢棄木材、畜禽糞污，利用這些資源，能夠形成生物質(zhì)顆粒燃料加工和清潔利用方案，輔以與傳統(tǒng)柴灶相結(jié)合的生物質(zhì)顆粒燃料炊事燃燒器或生物質(zhì)鍋爐進(jìn)行分布式供暖，從而達(dá)到高效利用的目的。這種供暖方式操作簡(jiǎn)單，受歡迎程度高，可以降低污染、節(jié)約能源。

2.4.2 太陽(yáng)能資源的利用

我國(guó)寒冷地區(qū)太陽(yáng)能資源比較豐富，該區(qū)域的農(nóng)宅建筑密度小、樓層低，因此可以獲得更多的太陽(yáng)能資源。在進(jìn)行寒冷地區(qū)的住宅設(shè)計(jì)時(shí)，可以在住宅的南面坡屋頂上安裝一個(gè)平面太陽(yáng)光收集器。該集熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，使用壽命長(zhǎng)，可以與建筑屋頂良好結(jié)合，還能通過(guò)太陽(yáng)能加熱生活用水［14］。

3 結(jié)語(yǔ)

以寒冷地區(qū)的氣候環(huán)境、自然資源等為基礎(chǔ)，考慮到當(dāng)?shù)氐臍夂蛱攸c(diǎn)以及農(nóng)戶的經(jīng)濟(jì)承受能力，對(duì)農(nóng)村住宅的布局形式、圍護(hù)結(jié)構(gòu)、用能形式等多個(gè)方面進(jìn)行研究，并提出相應(yīng)的節(jié)能設(shè)計(jì)策略，以提升住宅內(nèi)部環(huán)境的舒適度。根據(jù)寒冷地區(qū)的氣候特點(diǎn)，確定鄉(xiāng)村民居的院落布置和主要房間的朝向，采用最優(yōu)的布置方法；在墻體、門窗、屋頂和地面上，采用合適的保溫材料和方法，以最大限度滿足寒冷地區(qū)農(nóng)村房屋冬季保溫需求；使用清潔能源，有效減少煤炭的使用，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)寒冷地區(qū)資源的高效利用。

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作者簡(jiǎn)介：雷珊珊（1995—），女，甘肅蘭州人，碩士在讀，研究方向：綠色建筑設(shè)計(jì)與節(jié)能。