寒冷地區鄉村既有住宅建筑節能改造研究＊

陳 雪 ，馬紅杰

（1.內蒙古工業大學建筑學院，內蒙古 呼和浩特 010051；2.內蒙古自治區綠色建筑重點實驗室，內蒙古 呼和浩特 010051；3.北京市規劃和自然資源委員會，北京 101160）

0 引言

國家“十四五”規劃綱要中，要求加快綠色轉型發展、重視生態文明建設，綠色發展已經成為我國現階段重要的發展理念，是指導規劃建設的基本原則和依據。黨的“十九大”報告提出，要把美麗鄉村建設作為城鄉建設的重點。鄉村居民對于室內舒適度的需要與農村落后的建設條件之間形成了矛盾，落后的建設條件導致了農村住宅建筑能源高度消耗的現象。根據《中國建筑能耗研究報告》（2020）數據顯示，我國建筑總能耗為21.47億tce，其中農村建筑運行階段的能耗為2.38億tce，農村居住建筑碳排放量占全國能源碳排放的21%，并且農村居住建筑碳排放強度一直保持增長趨勢。為了改善全國總能耗的現狀，鄉村居住建筑的能耗問題是解決的重點。

1 寒冷地區鄉村住宅建筑節能問題

寒冷地區鄉村住宅的能源浪費可以分為建筑圍護結構的能量損失以及獲取能源方式自身的高耗能。冬季，室內熱度向外流失、取暖耗材使用不合理導致能源浪費；夏季，室外熱度向室內擴散，因舒適度降低而采取主動制冷技術導致能源浪費。從《中國建筑能耗研究報告》（2020）可以看出，我國建筑耗能主要在于寒冷地區的冬季采暖，所以要重點關注鄉村住宅冬季節能的問題。

我國幅員遼闊，不同采暖地區所面臨的住宅節能問題也不盡相同。如北京房山農村地區的住宅建筑基本不采取保溫設計，南向的窗墻比平均0.6，窗口的熱損失很大。寧夏地區農宅的建造材料選用茅草泥屋面和生土磚塊，這類材料導熱系數大、厚度薄，并且圍護結構沒有采取任何保溫措施。“三北”地區農房保溫隔熱性能差，室內污染嚴重，為了追求城市化的用能模式，盲目地用燃煤來取代生物質能。西北地區農宅建筑屋頂大多未進行保溫，冬季的采暖能耗高，室內溫度低、熱舒適性差。西部鄉村的居民缺少對于本地材料與建造形式的認同感，一味模仿城市建筑的框架結構而導致需要更多的能耗才能維持室內的舒適性。有的地區小型燃煤鍋爐的熱效率很低，產生的熱量大部分從鍋爐浪費流失。盡管各個地區所出現的能源消耗問題各不相同，但共性問題更多：建造所使用的建筑材料比較落后，材料的保溫隔熱性質較差；建造技術也較為落后，很少有住宅建筑使用綠色建材和節能技術；建造農宅時，圍護結構基本不采取保溫措施；在燃料使用上不能因地制宜，盲目追求燃煤燃氣。

2 寒冷地區鄉村住宅節能研究方法與策略

2.1 農宅圍護結構節能措施

圍護結構的能量散失在整個能源消耗中占有很大比重，尤其是墻體窗口部分以及屋頂部分，在冬季采暖期間熱量散失較為嚴重。在農宅圍護結構節能改造方面，由于國內外各個地區所處的自然環境差異較大，所以不同農村地區住宅圍護結構節能技術也各不相同。

我國寒冷地區冬季圍護結構節能技術的研究多采用實地調研測試、建筑模型模擬分析、問卷調查等方法。北京房山區農宅在窗口處理方面用三玻塑鋼窗代替單層木窗，為了降低窗戶的傳熱系數，可以采用增加窗的層數，用密封性能好的塑鋼窗等方法；在門口處理方面可以加設門斗或使用保溫門，保溫門的傳熱系數不應大于2.0W（/m2·K）。在寧夏農村地區，為了防止農宅門窗透風，可以使用單框雙玻塑鋼窗，在室內一側增加密閉性，在室外一側留有適當縫隙，避免玻璃表面出現結露。“三北”地區大力推廣燒結非黏土多孔磚、加氣混凝土、EPS板、中空玻璃等節能材料的使用。為了提高熱阻，西藏地區農宅主要采用增加夯土的厚度，將壁厚適當調整至500mm，采用60mm和40mm厚的聚苯板對南側磚墻和煙道進行保溫，使用雙層玻璃及太陽房被動式節能技術。由此可以看出，增加圍護結構的蓄熱性能、加強圍護結構的熱橋保溫是寒冷地區農宅冬季墻體節能的主要措施，門窗洞口處保溫要加強氣密性、減小門窗傳熱系數。寒冷地區夏季的節能以通風隔熱為主，可將屋頂做成通風間層或采用兜風檐口等做法。

適用于非透明圍護結構保溫材料主要有5種：擠塑聚苯乙烯、膨脹聚苯乙烯、玻璃棉、巖棉和聚氨酯（見圖1）。擠塑聚苯乙烯的優點是輕質、物理性能好、吸水率低、導熱系數低，缺點是防火等級低（B2或以下）、不透氣、易脫落、壽命短、耐溫低（45℃以下）、熱縮，適用范圍為外墻和內墻的保溫。巖棉的優點為防火等級高，為A（A1）級，耐高溫、耐酸堿、壽命長，缺點為施工難、吸水率高、易變形、導熱系數高、物理性能差、密度大。國家對于保溫材料防火的A級規定和工業對于耐高溫材料的需求是巖棉的市場機遇，其適用范圍是工業防火、夾墻填充、屋頂、彩鋼夾芯。聚氨酯的優點為輕質（35～50kg/m3）、熱固、耐高溫（120～150℃）、導熱系數低、吸水率低、物理性能好、壽命長、耐酸堿、易施工，缺點為防火性能差，防火等級為B（B1、B2）級，價格高。國家對熱縮性材料的限制使聚氨酯保溫板優勢明顯，適用范圍為外墻、內墻、彩鋼夾芯，其在2012年被住房和城鄉建設部列為需要大力推廣的新型建筑保溫材料。膨脹聚苯乙烯的優點為質量輕、能夠回收利用、表面吸水率低、抗沖擊能力較好，缺點為易燃且施工過程繁瑣、施工周期長。玻璃棉的優點為防火等級高（為A級不燃材料）、導熱系數低、體積密度小自重輕、具有阻燃作用、抗拉抗震性能好、吸聲效果好、材質易于剪裁、可循環使用，缺點是易碎、耐磨性差。

圖1 圍護結構保溫材料

我國墻體保溫工程中，膨脹聚苯乙烯的使用率在70%以上，擠塑聚苯乙烯使用率在8%～10%，巖棉和玻璃棉的使用率分別在6%和3%。透明圍護結構保溫節能玻璃有熱反射玻璃、Low-e玻璃、中空/真空玻璃和鍍膜玻璃。

2.2 新能源節能措施

1）利用太陽能節能技術 鄉村住宅相比于城市住宅來說更適合利用自然環境降低能耗，尤其是太陽能。農村住宅多為自帶院落的平房，在寒冷地區，冬季的采暖與采光可以最大程度地利用太陽能。在西北農村太陽能資源充沛的地區，大力推行被動式太陽能采暖技術可以減少農宅的燃煤消耗。被動式太陽能技術有直接獲取式和附加陽光間（見圖2，3）等方式。被動式太陽能技術可以利用自然采光減少照明能耗，室內使用淺顏色可將光反射到深處，天窗增加反光板可將太陽光反射到室內。主動式太陽能節能措施主要為太陽能熱水系統及太陽能板發電系統，農村平房院落的條件有利于安裝各種太陽能集熱設施。

圖2 附加陽光間供上層采暖

圖3 附加陽光間加吊扇

2）其他類型能源節能技術 可再生資源例如生物質材料、農業生產廢料、動植物廢棄物等，在寒冷地區部分農村，這些都是豐富的沼氣生產資源。沼氣可用來取暖、照明、做飯，沼液和沼渣含有許多有機營養成分，可用作農作物肥。西部地區農村當地盛產的黃連植物秸稈可作為沼氣原料，為村民提供部分炊事能源，同時又可以為照明、用熱等提供方便。生物質能豐富的地區可以繼續延續傳統的以生物質能為主的用能方式，而不應該盲目使用燃煤或天然氣以追求城市化效果。寒冷地區的許多農村仍然沿用火爐、火炕類傳統的供暖方式，這類傳統的供暖方式應該予以保留，因地制宜的供熱方式更能減少當地的能源消耗。

3 寒冷地區鄉村住宅節能改造實例

選取我國河北省農村住宅作為研究實例。該地區緊鄰北京通州區東部，受北京四合院的影響，該地區的農宅建筑形式與一般寒冷地區的平屋頂建筑不同，屋頂為坡屋頂。該地區農村發展較快，傳統的火爐、火炕早已停用，又由于國家政策要求，燃煤也被燃氣取代，居民冬季取暖所用能源均為天然氣。對既有農宅進行節能改造，主要考慮圍護結構的改善以及對太陽能的利用（見圖4）。

圖4 農宅附加陽光間

圍護結構節能改造要結合建筑特點并且考慮居民室內體感舒適度的特殊性。由于農村居民室內與室外活動交互頻繁，所以要保證即使在室內溫暖的條件下也不與室外溫差過大。現有墻體的保溫改造可選用外保溫方式，在建筑北墻外側加聚苯板保溫層，窗戶可更換為單框鋁合金、中空玻璃窗。屋頂由于為坡屋頂形式，材料為木質桁架、瓦片、茅草，外保溫無法實現，因此可在室內吊頂層外做內保溫結構。將聚苯乙烯顆粒包裝成小袋鋪（平均厚度為10～15cm）在吊頂上，這種方法不影響吊頂的原有結構但影響室內美觀。太陽能熱水集熱是目前農村對太陽能最大的利用，而太陽能板的使用幾乎沒有，原因在于居民的太陽能利用意識不強以及太陽能板的安裝耗費資金與回報不成比例。在被動式太陽能利用方面，可以在農宅南向外加陽光間。

4 結語

我國寒冷地區鄉村既有住宅建筑能耗損失的主要原因在于冬季采暖期建筑熱量的流失，其原因是住宅建筑圍護結構保溫性能差以及能源利用效率不高。寒冷地區鄉村住宅節能改造技術主要包括增加磚墻外保溫或夯土墻厚、設置雙層窗戶、加設外門門斗、利用被動式太陽能技術、使用主動式太陽能技術等。對于寒冷地區鄉村住宅的節能改造方向、夏季空調節能方面的研究，同樣可作為鄉村住宅建筑節能的研究重點。