寒冷地區農村住宅建筑節能設計研究

摘要：近年來，隨著我國經濟社會的飛速發展，能源問題日益突出，建筑節能逐漸成為建筑領域的一個研究熱點。在鄉村振興戰略背景下，我國農民經濟收入及生活水平顯著提升，當前的農村住宅已經不能滿足人們對高質量人居環境的需要。由于農村居民的建筑節能意識淡薄，且在設計施工、經濟成本等方面都存在很大的局限性，所以大多數農村住宅沒有進行節能設計，導致室內熱損耗大、資源浪費等問題出現。在我國農村節能工作不斷深入的背景下，對農村住宅進行節能改造，是改善農村人居環境、促進農村低碳化的一種重要方式。寒冷地區是指我國最冷的月平均氣溫為-10℃～0℃，日平均溫度≤5℃的天數為90～145天的地區。寒冷地區的冬季較長且寒冷干燥，平原地區的夏天比較潮濕，高原地區的夏天比較涼爽，降水較為集中，月平均溫度差異大，日照時間充足。在我國寒冷地區的農村住宅建設中，存在布局形式單一、圍護結構保溫性能差、用能形式不合理等問題，嚴重制約了農村住宅的健康發展。為了降低農村住宅的能耗，改善農村住宅室內熱環境，文章以我國寒冷地區農村住宅為研究對象，結合當地的氣候特點和人們的生活習慣，從布局形式、圍護結構、用能形式等方面著手，探討寒冷地區農村住宅的節能設計。

關鍵詞：寒冷地區；農村住宅；建筑節能

中圖分類號：TU241.4 文獻標識碼：A 文章編號：1004-9436（2023）17-0-03

0 引言

我國鄉村建設規模龐大，同時存在嚴重的能源浪費問題［1］。提高農民生活質量是提高國民幸福指數的重要方面，而住宅建筑的舒適性又是影響農民生活質量的重要因素，合理的建筑規劃與圍護結構設計是實現建筑節能的關鍵。目前，我國寒冷地區農村住宅大多是居民自建房，且較為分散，沒有統一的規劃與建設規范，圍護結構的保溫與隔熱性能較差。在采暖方面，寒冷地區農村采用分散式供暖模式，這種模式下供暖設備低效燃燒，造成了環境污染和能源浪費［2］。本文針對寒冷地區農村住宅的節能現狀，對其在建設與使用過程中出現的問題進行探究，并針對寒冷地區農村住宅的地域氣候與自然資源等因素，提出了建筑節能的設計對策。

1 寒冷地區農村住宅節能問題

1.1 缺乏節能技術

寒冷地區農村住宅多為農村居民自發建設，缺乏對朝向、通風等要素的科學設計，導致能耗偏高。寒冷地區居民通過增加墻體的厚度來提升建筑的保溫性能，但仍不能達到節能的要求。農村住宅多為一層平房，建筑體形系數較大，窗戶大多是“木制窗框+單層玻璃”，氣密性、絕熱性能較差。在新建成的農村住宅中，雖然許多都是磚混結構，并且具有良好的安全性能和門窗氣密性，但是大部分圍護結構部位缺乏保溫隔熱措施，在冬天，房屋內部會出現大量的結露，與傳統的磚木結構相比，大多數新建成的農村住宅更加寒冷［3］。

1.2 能源利用率低

在寒冷地區，農村住宅采用分散式供暖方式，主要通過火爐、火炕以及少數電暖、電熱毯等來維持室內的熱舒適性，缺乏清潔供暖方式。火爐采暖主要是通過燃燒煤炭、秸稈和木材來實現，大部分農村家庭都采用一屋一爐的采暖模式，極少數農戶使用集中采暖設備。在我國農村，受資源、經濟等方面的限制，對新能源、新技術的運用不足。可以對光熱能進行有效利用，以滿足寒冷地區居民的供暖需要［4］。

2 寒冷地區農村住宅的節能設計策略

受地域特點、生產生活方式和氣候等多種因素的影響，寒冷地區農村住宅存在分時段分房間供暖的特點。因此，農村住宅的節能策略與技術不能照搬城市經驗，而要結合農村住宅的具體需求與特點，進行相應的節能設計。

2.1 住宅平面布局節能

農村住宅的布局與氣候、環境和地理條件密切相關，關于建筑的最佳朝向，要根據其所處的地域、氣候等因素來確定。南向住宅能保證建筑得到足夠的陽光，山墻能有效避免西曬。在建筑設計中，要在保證建筑使用功能的基礎上對建筑的熱環境進行合理劃分。廚房、倉庫等輔助性房間應位于北面，臥室、客廳等主要房間應位于南面。在室內外過渡空間中，通過設置“溫度阻尼區”起到保溫的作用［5］。在空間布局方面，應該以合院為主體，合院的空間組織既符合當地的生產和生活習慣，又可以達到一定的防風效果。另外，應將主要功能房間進行集中布置，以降低建筑的體形系數，減少建筑與外部的接觸面積。

2.2 住宅體型節能

已有研究結果表明，當其他因素不變時，建筑能耗與體形系數呈正比，體型系數過大，會導致建筑能耗過大。在控制建筑體形系數的同時，不能把住宅做成“方盒子”，在條件允許時，可以把獨門獨戶改成多戶聯排房，兩戶聯排房的外墻變成無溫差的內墻，使節能效果更好［6］。雖然目前對農村住房的體形系數并沒有給出一個明確規定，但是應對農村住房進行合理設計，控制建筑的體形系數，以達到節能、節約土地和保護環境的目的。

2.3 住宅圍護結構節能

圍護結構是進行室內和室外熱交換的重要組成部分，在節能方面起著至關重要的作用。在寒冷地區，建筑的圍護結構以滿足冬季保溫需求為主。對農村住宅進行節能設計時，由于供暖房間比較多，而且有連續供暖和間斷供暖的需要，所以應該采用圍護結構整體保溫方案，即對農宅的整個墻體、門窗、屋頂及樓地面進行保溫。

2.3.1 墻體

墻體是實現保溫隔熱效果的重要部件。選擇導熱系數較低的墻體材料是降低能耗的關鍵。農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，以及自保溫復合墻，這些都適合用于寒冷地區農村住宅的墻體保溫。當無法使用新的外墻材料時，可以通過改變外墻的構造來降低墻體的耗熱量，具體如下。

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

（2）貼板塊保溫材料。板狀隔熱材料的優點是體積重量輕、導熱系數小。在農村住宅中應用時，要從原料來源、經濟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部分：一是承重層，二是保護層，二者之間留有空隙，可以用無機松散或塊狀保溫材料填充。

2.3.2 門窗

門窗是建筑圍護結構的主要組成部分之一，在采光、通風方面發揮重要作用。由于其在室內環境中易受冷空氣的侵擾，所以提高窗戶的保溫性能，減少冷空氣的滲入至關重要［7］。門窗的型材特征及截面形狀對其保溫性能有很大的影響。窗框的材質有金屬、非金屬、復合材料和木質。PVC塑料窗、玻璃纖維增強塑料窗具有保溫、隔聲性能好、成本低廉等特點，因此適用于寒冷地區的農村住宅。

此外，還應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，在寒冷地區應選用平開式窗戶，并盡可能使用兩層窗戶。在鋼制窗戶的縫隙處貼發泡膠帶，木質窗戶可以裝上擋風板。在保證采光和通風的前提下，應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，與外部環境有直接的聯系，因此屋面的保溫對保持室內的溫度至關重要。寒冷地區農村有大量的農用廢棄物，如木屑、秸稈、雜草、樹葉、谷殼等，可將其作為原料，輔以添加劑，利用現場發泡技術在傳統的灰泥屋面上施工而成。在施工過程中，將秸稈等農業廢棄物和水泥、添加劑等按照一定的比例混合而成［9］。該方法既能優化隔熱效果，又能實現對廢棄材料的綜合利用。

2.3.4 地面

農村地區大多對地面的保溫功能沒有給予足夠的關注。在傳統的農宅中，地面以磚為主，有些地方使用硬土、石材、水泥抹面、地板磚等，但大多數都沒有保溫層。為了優化室內的保溫效果，可以對地面進行節能設計。在條件允許的情況下，應該選擇木質地板或塑料地板。其次，為了降低地面的熱損耗，可以采用熔渣等廉價、容易獲得的保溫材料，在室內地板下方和周圍，距離建筑物周圍1.2 m以內增加一層保溫層［10］。

2.4 可再生能源的利用

2.4.1 清潔取暖的推動應用

寒冷地區冬季取暖是農村居民生活能耗的重要組成部分，也是實現建筑節能的重要環節。潔凈供熱指的是利用天然氣、電力、地熱、生物燃料、太陽能、工業廢熱、潔凈煤、核能等，采用高效節能的供暖系統，實現低排放、低能耗的供暖模式。

考慮到寒冷地區住宅的建筑形態、人員構成、結構類型、經濟狀況和農戶生活習慣，并結合建筑的實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的全時間全空間采暖模式，應分室設置部分時間和部分空間的采暖模式［11］。從目前的清潔供暖方法來看，低溫空氣源熱泵熱風機和太陽能蓄熱技術更適用于寒冷地區，且在我國已經得到了一定的推廣應用。

（1）低溫空氣源熱泵熱風機。低溫空氣源熱泵指的是利用電能來驅動蒸汽壓縮制熱循環，直接向封閉空間、房間或區域釋放熱量，以提高室內的空氣溫度。采用新型壓縮機、變頻技術及新型系統，使低溫風冷風冷熱泵的應用范圍擴大至-30℃以下的低溫環境［12］。低溫空氣源熱泵的初期投資和運行費都比較低，而且這種供暖方式運行穩定可靠，在低溫條件下的制熱性能良好，不會排放PM2.5。使用者還可以采用分時間、分空間的運行方式，對室內溫度進行靈活調節，使其最大限度地發揮節能效果，因此在寒冷地區的推廣程度和適用性都比較高。

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

2.4.2 太陽能資源的利用

我國寒冷地區太陽能資源比較豐富，該區域的農宅建筑密度小、樓層低，因此可以獲得更多的太陽能資源。在進行寒冷地區的住宅設計時，可以在住宅的南面坡屋頂上安裝一個平面太陽光收集器。該集熱器結構簡單，造價低廉，使用壽命長，可以與建筑屋頂良好結合，還能通過太陽能加熱生活用水［14］。

3 結語

以寒冷地區的氣候環境、自然資源等為基礎，考慮到當地的氣候特點以及農戶的經濟承受能力，對農村住宅的布局形式、圍護結構、用能形式等多個方面進行研究，并提出相應的節能設計策略，以提升住宅內部環境的舒適度。根據寒冷地區的氣候特點，確定鄉村民居的院落布置和主要房間的朝向，采用最優的布置方法；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農村房屋冬季保溫需求；使用清潔能源，有效減少煤炭的使用，從而實現對寒冷地區資源的高效利用。

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作者簡介：雷珊珊（1995—），女，甘肅蘭州人，碩士在讀，研究方向：綠色建筑設計與節能。