冀南農村地區冬季采暖的墻體優化設計

李 政 暴 磊 陳國臣

(1.河北工程大學建筑與藝術學院，河北 邯鄲 056038； 2.邯鄲職業技術學院，河北 邯鄲 056001； 3.山東省建筑設計院泰安設計所，山東 泰安 271000)

0 引言

冀南區域冬季霧霾影響大，而冬季采暖作為霧霾形成的主要原因，受城市管理者重視。近年農村單體住宅面積驟增，人們對室內舒適度要求逐漸提高[1]，而現有采暖配套設施能源利用效率低，導致地區住宅冬季采暖能耗大，效果差。為提高農村住宅對能源的使用效率，降低采暖對霧霾影響，本文從增加農村住宅墻體熱工性能出發，量化保溫材料的能耗影響，為農村住宅節能設計提供數據支撐。

1 理論研究基礎

以涵蓋冀南地區氣候特征為主要理論研究基礎，了解宅院形式及其相應墻體結構的技術演變。通過實地調研，梳理出冀南地區范圍內農村住宅墻體技藝的歷史演化過程。

1.1 冀南地區氣候特征

冀南地區冬季氣候特點為寒冷干燥，一年中氣溫最低的月份為1月[2]，月均溫度為-2.5 ℃，極端低溫可達-20 ℃，每年無霜期約200 d，日照約2 557 h/年。該地區主要囊括了邯鄲、邢臺兩地，兩市區位相近，氣候近似，所需氣象數據來源于邢臺53798氣象觀測站。

1.2 宅院形式

冀南地區農村宅院80%以上為“兩甩袖”形式[3]。農村中宅院平面的布局基本統一，院落占地南北長在14 m～16 m之間，東西寬為15 m～18 m之間。受當地風水相關文化影響，一般情況下，宅院中北屋常為上房(特殊情況下以西屋為上房)，上房左右兩側屬廂房，東廂房通常較西廂房略高，廚房位置僅次于東廂房，街門的相對角落為廁所位置，整體以院墻圍合形成院落。

1.3 墻體構造技術演變

二十世紀六七十年代土坯房為冀南地區農村住宅的基本類型，是以用泥土為墻體的主砌材[4]，砌筑方法有兩種，一種是先筑墻腳(通常為石材墻角)，后于墻角之上支模(常為木質模具)，最后分段分層加入泥土夯實成墻。另一種是將未經燒制的黏土制成土磚，后壘砌成墻。80年代初，用黃泥燒制成的紅磚逐漸替換掉以土坯與石頭為主的建材，成為農村墻體最常見的材料。2000年以后，出現了以空心磚、節能磚、混凝土等材料為主的墻體。近年，伴隨霧霾加重，農村住宅建造中運用節能保溫材料的比例在上升。

2 典型模型建立

基于冀南地區，以邯鄲、邢臺兩市轄區為范圍的10個鄉村開展實地調研，構建以“兩甩袖”為典型模型的冀南地區宅院布局模式(見圖1)，然后錄入典型圍護結構的基本構造數據。

2.1 典型住宅空間參數

宅院東西長17 m，南北寬14 m，上房位于北側中央位，主要用途為客廳或主臥，東西兩側為次臥或廚房，西南方向設置廁所及儲藏室，大門通常位于宅院東側[5]。正房一般高4 m,側房一般高3.8 m，外墻厚370 mm。冬季受西伯利亞寒流南下的影響，多為西北風，所以北側墻體通常不開窗，客廳立面建筑表皮的窗墻比為0.4，東臥室西立面的窗墻比為0.31，建筑整體的體形系數為0.658。

2.2 圍護結構典型構造及參數

經觀測調研，冀南地區農村住宅圍護結構典型構造和熱工參數為：外墻使用20厚的水泥砂漿抹面+370厚的粘土紅磚+20厚的水泥砂漿抹面，熱工參數為1.267 W/(m2·℃)；隔墻使用20厚的水泥砂漿抹面+240厚的粘土紅磚+20厚的水泥砂漿抹面，熱工參數為1.774 W/(m2·℃)；屋頂使用120 mm結構層混凝土+150 mm聚苯板保溫層+找平層碎石+材料找坡層，熱工參數為2.004 W/(m2·℃)；地面使用25厚的瓷磚+20厚的水泥砂漿找平層+100厚的混凝土墊層+500厚的素土夯實層，熱工參數為0.929 W/(m2·℃)。

3 既有農村住宅能耗模擬分析

基于Designbuilder，對農村住宅冬季能耗情況進行仿真實驗。根據能源消耗、溫度控制、材料選擇相關數據，模擬出住宅冬季穩定傳熱狀態下的建筑能耗，從而為農村住宅墻體優化提供可行合理的節能方案。

3.1 農村住宅建筑分區

參照GB/T 50824—2013農村居住建筑節能設計標準，對不同使用功能下的房間參數進行設定。臥室、客廳等功能性房間的冬季采暖基礎溫度設定為16 ℃，依照中國氣象局提供的相關氣象數據進行模擬。

3.2 模擬結果分析

模擬結果表明，當農村住宅室內采暖溫度達到16 ℃時，其屋頂熱損為2.33 kW、外墻損耗9.42 kW、窗戶熱損為2.59 kW、圍護結構的外墻熱損為9.42 kW，較屋頂及窗戶偏高。

11月～次年3月之間，房屋采暖供熱量走勢為先增加后降低的趨勢，總體上呈拋物線狀， 11月與次年3月2個月份的供熱量較低，原因是該月份采暖時間短，且此期間房屋熱負荷較低。1月份的采暖供熱量屬最高，較12月提高近16%，較2月提高約30%。基于公式Q=qfF中，Q為區域的熱負荷;qf為建筑的耗熱量指標,W/m2;F為建筑的面積，m2[6]，結合所有房間單位建筑面積熱指標如表1所示，經計算得出建筑總熱負荷為4.22 kW。

表1 熱負荷模擬結果

4 墻體優化方案的對比分析

選取常見的保溫材料，如XPS，EPS，巖棉等，構成復合墻體的構造圖(見圖2)，進行保溫模擬，因在同一溫波作用下材料的不同或材料厚度差異對溫波的衰減能力不同，遂對各房間使用不同厚度的各種材料進行建筑耗熱量指標對比分析。

4.1 保溫材料的選擇

在既有農村建筑的改造中，外墻的保溫相較于夾心保溫，其造價較低，施工工藝較簡單，經濟性及實用性更好[7]，因此使用GB/T 50824—2013中推薦的保溫外墻構造。保溫材料則分別選擇EPS泡沫板(聚苯乙烯泡沫板)、XPS泡沫板(阻燃型擠塑聚苯乙烯泡沫保溫板)、巖棉三種[8]。

表2 使用EPS，XPS，巖棉材料的室內耗熱量指標

EPS泡沫板以在C8H8中加入發泡劑等于模具中加熱成型，緩沖性較好。其內部具有閉孔結構，因而易成型、密度小、抗潮。XPS泡沫板是一種絕熱擠塑型聚苯乙烯泡沫塑料，以聚苯乙烯樹脂為原料輔之以其他類聚合物，通過特殊工藝擠壓成型的硬質型塑料泡沫板，其導熱系數低、抗潮濕性好、強度較高[9]。巖棉板又稱巖棉保溫裝飾板，以玄武巖為主材，經高溫加工而成的無機纖維板[10]，耐高溫、機械強度高、抗腐蝕性佳，并且價格相對低廉。

4.2 不同厚度保溫材料的空間熱負荷

通過Designbuilder分別對以EPS泡沫板、XPS泡沫板、巖棉板作為保溫墻體的材料，進行住宅模型模擬，保溫材料厚度以20 mm,40 mm,60 mm,80 mm,100 mm為基準，對建筑耗熱指標進行分析(見表2)。

4.3 建筑熱負荷分析

對住宅使用不同厚度保溫材料的采暖效果進行數據分析(見表3)，并擬合函數關系，分別得出三種材料的單位面積熱指標與保溫材料厚度的數學方程。

表3 熱負荷 kW

5 結語

冀南地區既有典型住宅的保溫墻體及屋頂，在冬季采暖熱負荷為4.22 kW，對使用XPS，EPS，巖棉三種保溫材料進行模擬分析，結果表明當保溫材料由20 mm增大至100 mm的過程中建筑熱負荷逐漸減小，并呈現出對數函數的關系：

EPS：y=-0.315ln(x)+4.838 4；

XPS：y=-0.308ln(x)+4.774 5；

巖棉：y=-0.309 ln(x)+4.803。

使用XPS保溫材料的建筑熱負荷最小，較與未使用保溫材料的典型模型，其熱負荷降低了20.6%，就使用最薄厚度的EPS和巖棉，也可分別降低8.0%和8.3%的建筑熱負荷，所以在冀南地區農村住宅新建和改造項目中應對其墻體進行必要的優化設計。