甘肅農村住房建筑節能技術探討

周茗如，龍利軍，張豪杰，文煜馨

(蘭州理工大學 土木工程學院，甘肅 蘭州730050)

0 引言

據統計，建筑能耗約占我國全部能耗的30%［1］，有些地區已接近40%［2］。我國目前單位建筑面積的采暖能耗相當于同緯度發達國家的2～3倍，為與我國北方氣候條件相似的德國的2.5倍，節能潛力很大。清華大學的一項大規模農村建筑、能源和環境綜合調研結果顯示，目前商品能源在整個農村地區生活用能中已經占到60%，生物質能只占到40%。而上世紀80年代，我國農村使用薪柴和秸稈等生物質能的比例占到80%以上。伴隨著農村人口對提高室內舒適度的要求，農村住宅建筑能耗的比例將會逐步提高。可見搞好農村建筑節能是實施社會主義可持續發展戰略的重大舉措。

甘肅已建農村房屋建筑約3.8億平方米，很多建筑建造隨意，缺少規劃和合理的建筑設計。大部分農村家庭都住在以圍墻和房屋圍成的院子里，房屋大多為單進深一層的平房，不同功能的房間大概以四合院的形式分在院子四周，見圖1。

圖1 甘肅農村典型院落示意圖

這種單進深的一層房屋體形系數大，不利于冬季保暖，各種功能的房屋建筑比較隨意，缺少規劃，浪費建筑材料影響使用及生活衛生，既不利于生活舒適性的改善也浪費土地。住宅外墻材料是以機制紅磚和土坯為主，窗為單玻木窗，門為單板木門且長時間開啟，門口周邊無任何密封，屋頂地面基本無保溫隔熱措施;寒冷季節的主要取暖方式是利用煤炭爐和土炕，室溫均在9℃以下，室內的舒適度極其不好，能源利用率極低，同時還要排放大量的二氧化碳，二氧化硫，生態環境遭到嚴重破壞。加強建筑物建造前的建筑節能規劃設計;加強農居圍護結構的保溫隔熱;因地制宜選用建筑節能材料，開發利用可再生的太陽能及生物質資源;合理利用地方采暖節能技術;降低農村住房能源消耗，提高農村住房的舒適度，是經濟社會可持續發展的要求，也是工程技術人員義不容辭的責任。

1 適合甘肅農村住房的建筑節能技術

1.1 建筑規劃設計與節能

新建建筑的早期設計規劃將影響建筑物使用周期的耗能，影響建筑物的規劃節能設計應從建設選址、建筑布局、建筑方位朝向、建筑間距、冬季季風主導方向、太陽輻射等進行深入研究。分析構成小區氣候太陽輻射、大氣環流和地理條件的有利與不利影響，通過建筑的規劃布局改善居住條件，形成有利于節能的微氣候環境。

建筑物選址應首先選擇向陽的原則，利用陽光冬季采暖是最經濟最合理的有效手段，所以建筑的基地應選擇在向陽的平地或山坡上。為更好的吸收太陽輻射，應將向陽的墻面和屋頂涂成深顏色。避免“霜洞”，由于寒冬的冷氣流在凹形基地會形成冷空氣沉積，造成“霜洞”效應，故節能建筑不宜布置在山谷、洼地、溝底等凹形基地。避免“不利風向”。［3］甘肅省全省平均風速1～5 m/s，河西走廊北部及高山地區平均風速3～5 m/s，河西走廊其余地區3 m/s左右，河東1～3 m/s。其中大風天氣都集中在冬春季，正是需要采暖的季節，風向多為西北風，合理選擇封閉或半封閉周邊式布局的開口方向和位置，少開面向西北面的門窗，使建筑群達到避風節能目的。避免“雨雪堆積”，地形中處理不當的“槽溝”，會在冬季產生雨雪沉積，雨雪在融化(蒸發與升華)過程中將帶走大量熱量。優化建筑物的體型，為了減少熱損失，節約能源，要把建筑的“體型系數”控制在一個合理的水平。而如果建筑平面布局復雜，層數少、凹凸太多，就會造成外表面積增大，建筑熱量損失增加。甘肅地區鄉村民居通常是以戶為單位的一層獨立式住宅，以幾種典型戶型(建筑面積60～120 m2)為例，其形體系數在0.7～0.8［4］，對鄉村建筑的節能極為不利，因此，宜加大進深，最好采用兩戶或幾戶聯立式布置，以降低體型系數。由于外窗的傳熱性能比起外墻和屋面高達4～5倍，一般門窗及其縫隙的熱量損失達到建筑物全部熱損失的近一半，所以建筑在滿足采光的要求時應盡量少開窗，且應把窗開在南面，已更好的獲取太陽光，并減少冬季冷風灌入。在外門設一個防寒門斗，可減少冷風進入室內，特別是面向北向開的門設防寒門斗可減少冷風吹襲，門斗尺寸要滿足人員進出及使用需求并密封良好。見圖2。(假定北面為冷風面)

圖2 防寒門斗

甘肅大部分地區處在太陽能豐富或較豐富地區，有著很好的太陽能利用的自然條件，農村地域寬廣，結合太陽能利用的太陽房是農村建筑節能的有效途徑之一，太陽房設計要因地制宜、遵循適用、堅固、經濟，并注意建筑造型美觀大方。選擇太陽房的建造位置時，要避免周圍地形、地物(包括附近建筑物)對建筑南向及東、西向15°朝向范圍內在冬季的遮陽。太陽房平面布置及其集熱面應朝正南或南偏東、偏西15°范圍內為宜。避免建筑物本身突出部分(挑檐、突出外墻表面的房柱等)在最冷的1月份對集熱面的遮擋。建筑平面內部組合時應將有嚴格溫度要求的房間盡量朝南布置，并盡量避開邊跨。對主要使用時間在晚上的房間，應優先選用蓄熱性能較好的集熱系統和集熱部件，以使晚間有較高的室溫。主要居室在無輔助熱源的條件下，室內平均溫度應達到12℃;室溫日波動范圍不得大于10℃，且夏季室內溫度不得高于當地普通房屋。太陽房按傳熱過程分為:直接受益式、間接受益式、隔斷式采暖;按集熱—蓄熱系統分為:蓄熱墻式、集熱蓄熱墻式、附加陽光間式、屋頂淺池式、自然循環式;按太陽房的功能可分為:太陽暖房、太陽冷房、太陽能空調房;按所需機械動力的有無分為:主動式太陽房、被動式太陽房。下面為適合甘肅地區農村住房使用的一些被動太陽房的圖例，見圖3～圖5。

圖3 直接受益式太陽房

圖4 附加陽光間式太陽房

圖5 儲熱墻式太陽房

通過各地實踐和測試資料表明［5］:與同類普通房屋節能率30%相比，被動式太陽能采暖建筑可以達到的節能率在60%以上。與節能50%的普通民房建筑比較:被動式太陽房的整體造價估算高出25%左右。與節能65%的普通民房建筑比較:被動式太陽房的整體造價估算高出15%左右，經濟回收期一般在3到8年之間，具有較好的經濟可行性。

適合甘肅地區農村住房的主動太陽房則需大力推廣太陽能熱水器以滿足生活用熱水需求，盡量做到太陽能建筑一體化設計。還可以推廣太陽灶用于炊事需求。

針對甘肅農村住房現有的不合理狀況，結合甘肅省的氣候自然條件及社會發展需求。以下為適合甘肅農村地區住房建筑節能、居民生活習慣、經濟水平、及未來發展的典型戶型結構平面圖見圖6。

圖6 陽光間式住房戶型結構圖

該戶型加大了房屋的進深，減少了房屋的形體系數;盡量把臥室和起居室放到了南面，把儲藏室，廚房房間放到北面，提高冬季居住的舒適性;在南面增設陽光間，陽光間內墻及地面選用儲熱性能好的材料，提高了室內溫度，在陽光間內可栽種一些花木，可美觀及改善室內環境;在迎風面增設防寒門斗，減少了冬季冷風滲入。

1.2 建筑維護節能技術

加強建筑物圍護結構(指外墻、屋面、樓地面)的保溫隔熱性能，利用節能型門窗提高外門窗的氣密性，是提高居住環境舒適度，達到建筑物冬暖夏涼的重要措施。

(1)外墻保溫隔熱:目前我國外墻保溫隔熱主要有三種形式(指外承重墻)，即外墻外保溫、外墻內保溫、外墻夾芯保溫。據有關機構測試表明［6］，墻體不做保溫處理其能耗會占到建筑能耗的50%，如果做保溫處理則約占10%～15%，所以做好外墻外保溫對建筑節能的意義是很大的。

現在普遍使用的有機保溫材料中聚苯板、擠塑板與聚氨酯板保溫性能好，施工簡便;無機保溫材料中保溫砂漿、珍珠巖保溫板相對保溫性能較差;礦棉板、泡沫玻璃板價格昂貴施工復雜。從保溫效率、施工技術、耐候性、經濟回報幾方面綜合考慮。甘肅地區外墻外保溫用60 mm左右的EPS保溫系統最為適宜［7］。

(2)屋面的保溫隔熱:農村住房各種類型的屋面均應設置保溫層，保溫層應覆蓋整個屋面。木屋架屋面保溫層可設置在斜屋面上也可設置在吊頂上，鋼筋混凝土屋面保溫層應設置在鋼筋混凝土結構層上。

(3)地面保溫防潮:室內地面溫度較低，相對比較潮濕，不利于建筑節能。因此應做好地面保溫防潮處理。

(4)外門、窗保溫:針對不同氣候條件和甘肅農村住房的具體情況選好節能型的外門外窗，有條件的地區，宜采用中空玻璃塑鋼窗［8］。據有關資料介紹，單層玻璃鋼窗的傳熱系數K=5.8而單層玻璃塑料窗的傳熱系數K=4.2，可減少傳熱量27.5%。如果做成雙層玻璃塑料窗，其傳熱系數值K可減至2.0～2.2，甚至更小，這是塑料窗作為節能門窗的有利條件之一。如再采取提高氣密性的措施，將達到較好的節能的效果，因為外門外窗是建筑物節能的最關鍵部位，在能滿足室內采光通風的前提下，應盡量減少外窗的面積。

1.3 地方節能采暖技術

甘肅農村住宅一般是一家一戶，獨門獨院;既有住房多為一層建筑，磚墻或土坯墻，新建住房多為單層磚墻或保溫外墻，保溫屋面。

農村住房采暖多數是一家一戶單獨設采暖設備，采暖方式一般為火炕、火墻，也有簡易的散熱器采暖系統，其熱源為鋼質火爐;還有單一火爐采暖，也是鋼質的。用火炕、火墻采暖，炕體、墻體材料可以因地制宜、就地取材，節省投資。在燃料上可以采用有機質材料雜草、碎屑或煤炭;在使用上可以一火兩用，節約燃料，符合居者生活習慣，可以在一定時間內保持室內溫度。簡易散熱器采暖系統設備簡單、系統小，不要鍋爐和水泵，也不要軟水器。一個系統僅帶3～5組散熱器;節省投資、節省暖氣費;節省燃料、適應多種燃料(各種秸稈)環保好;不占房間使用面積，室內布置靈活(見圖7、圖8)。

圖7 簡易散熱器采暖

圖8 簡易散熱器采暖系統

本圖特點是:火爐比散熱器低、沒有水泵、水箱(膨脹罐)裝在供水總立管頂端，比散熱器高，比最高水平干管高20 cm。

2 結語

根據甘肅農村的自然氣候條件和既有住房的狀況，在對農村住房建筑節能影響比較大的建筑前期規劃設計、建筑維護結構做法、新能源的利用、地方采暖節能技術幾個方面系統的對甘肅農村住房建筑節能進行探索分析。對農村住房建筑節能工作的開展提供較好的指導建議。

［1］韓喜蓮，王瑛，周茗如.辦公樓改造的節能設計［J］.低溫建筑技術，2010(2):111－112.

［2］劉勝，孔杰，阮文易，周茗如.我國北方地區供熱改革現狀及對策［J］.節能技術，2010，28(2):150－153，181.

［3］鄧振鏞，謝金南，劉德祥，尹東.甘肅氣候特點與開發利用［J］.甘肅氣象，1998(16):14－17.

［4］趙華，金虹.北方寒冷地區鄉村住宅本土生態技術研究［J］.哈爾濱工業大學學報，2007(2):235－237.

［5］劉葉瑞，張學東.被動式太陽房技術及應用前景［J］.新能源產業，2007(2):34－37.

［6］洪艷惠.外墻保溫在建筑節能中的作用［J］.山西建筑，2011(4):200－201.

［7］周茗如，孔杰，阮文易.外墻外保溫系統適宜性風析研究［J］.低溫建筑技術，2010(6):116－118.

［8］黃德中，沈吉寶.建筑節能技術綜述［J］.太陽能學報，2007(6):682－687.