周茗如，龍利軍，張豪杰，文煜馨

(蘭州理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州730050)

0 引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，建筑能耗約占我國(guó)全部能耗的30%［1］，有些地區(qū)已接近40%［2］。我國(guó)目前單位建筑面積的采暖能耗相當(dāng)于同緯度發(fā)達(dá)國(guó)家的2～3倍，為與我國(guó)北方氣候條件相似的德國(guó)的2.5倍，節(jié)能潛力很大。清華大學(xué)的一項(xiàng)大規(guī)模農(nóng)村建筑、能源和環(huán)境綜合調(diào)研結(jié)果顯示，目前商品能源在整個(gè)農(nóng)村地區(qū)生活用能中已經(jīng)占到60%，生物質(zhì)能只占到40%。而上世紀(jì)80年代，我國(guó)農(nóng)村使用薪柴和秸稈等生物質(zhì)能的比例占到80%以上。伴隨著農(nóng)村人口對(duì)提高室內(nèi)舒適度的要求，農(nóng)村住宅建筑能耗的比例將會(huì)逐步提高?？梢?jiàn)搞好農(nóng)村建筑節(jié)能是實(shí)施社會(huì)主義可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重大舉措。

甘肅已建農(nóng)村房屋建筑約3.8億平方米，很多建筑建造隨意，缺少規(guī)劃和合理的建筑設(shè)計(jì)。大部分農(nóng)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(jìn)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(jiàn)圖1。

圖1 甘肅農(nóng)村典型院落示意圖

這種單進(jìn)深的一層房屋體形系數(shù)大，不利于冬季保暖，各種功能的房屋建筑比較隨意，缺少規(guī)劃，浪費(fèi)建筑材料影響使用及生活衛(wèi)生，既不利于生活舒適性的改善也浪費(fèi)土地。住宅外墻材料是以機(jī)制紅磚和土坯為主，窗為單玻木窗，門(mén)為單板木門(mén)且長(zhǎng)時(shí)間開(kāi)啟，門(mén)口周邊無(wú)任何密封，屋頂?shù)孛婊緹o(wú)保溫隔熱措施;寒冷季節(jié)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(nèi)的舒適度極其不好，能源利用率極低，同時(shí)還要排放大量的二氧化碳，二氧化硫，生態(tài)環(huán)境遭到嚴(yán)重破壞。加強(qiáng)建筑物建造前的建筑節(jié)能規(guī)劃設(shè)計(jì);加強(qiáng)農(nóng)居圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱;因地制宜選用建筑節(jié)能材料，開(kāi)發(fā)利用可再生的太陽(yáng)能及生物質(zhì)資源;合理利用地方采暖節(jié)能技術(shù);降低農(nóng)村住房能源消耗，提高農(nóng)村住房的舒適度，是經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的要求，也是工程技術(shù)人員義不容辭的責(zé)任。

1 適合甘肅農(nóng)村住房的建筑節(jié)能技術(shù)

1.1 建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)與節(jié)能

新建建筑的早期設(shè)計(jì)規(guī)劃將影響建筑物使用周期的耗能，影響建筑物的規(guī)劃節(jié)能設(shè)計(jì)應(yīng)從建設(shè)選址、建筑布局、建筑方位朝向、建筑間距、冬季季風(fēng)主導(dǎo)方向、太陽(yáng)輻射等進(jìn)行深入研究。分析構(gòu)成小區(qū)氣候太陽(yáng)輻射、大氣環(huán)流和地理?xiàng)l件的有利與不利影響，通過(guò)建筑的規(guī)劃布局改善居住條件，形成有利于節(jié)能的微氣候環(huán)境。

建筑物選址應(yīng)首先選擇向陽(yáng)的原則，利用陽(yáng)光冬季采暖是最經(jīng)濟(jì)最合理的有效手段，所以建筑的基地應(yīng)選擇在向陽(yáng)的平地或山坡上。為更好的吸收太陽(yáng)輻射，應(yīng)將向陽(yáng)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(huì)形成冷空氣沉積，造成“霜洞”效應(yīng)，故節(jié)能建筑不宜布置在山谷、洼地、溝底等凹形基地。避免“不利風(fēng)向”。［3］甘肅省全省平均風(fēng)速1～5 m/s，河西走廊北部及高山地區(qū)平均風(fēng)速3～5 m/s，河西走廊其余地區(qū)3 m/s左右，河?xùn)|1～3 m/s。其中大風(fēng)天氣都集中在冬春季，正是需要采暖的季節(jié)，風(fēng)向多為西北風(fēng)，合理選擇封閉或半封閉周邊式布局的開(kāi)口方向和位置，少開(kāi)面向西北面的門(mén)窗，使建筑群達(dá)到避風(fēng)節(jié)能目的。避免“雨雪堆積”，地形中處理不當(dāng)?shù)摹安蹨稀?，?huì)在冬季產(chǎn)生雨雪沉積，雨雪在融化(蒸發(fā)與升華)過(guò)程中將帶走大量熱量。優(yōu)化建筑物的體型，為了減少熱損失，節(jié)約能源，要把建筑的“體型系數(shù)”控制在一個(gè)合理的水平。而如果建筑平面布局復(fù)雜，層數(shù)少、凹凸太多，就會(huì)造成外表面積增大，建筑熱量損失增加。甘肅地區(qū)鄉(xiāng)村民居通常是以戶(hù)為單位的一層獨(dú)立式住宅，以幾種典型戶(hù)型(建筑面積60～120 m2)為例，其形體系數(shù)在0.7～0.8［4］，對(duì)鄉(xiāng)村建筑的節(jié)能極為不利，因此，宜加大進(jìn)深，最好采用兩戶(hù)或幾戶(hù)聯(lián)立式布置，以降低體型系數(shù)。由于外窗的傳熱性能比起外墻和屋面高達(dá)4～5倍，一般門(mén)窗及其縫隙的熱量損失達(dá)到建筑物全部熱損失的近一半，所以建筑在滿(mǎn)足采光的要求時(shí)應(yīng)盡量少開(kāi)窗，且應(yīng)把窗開(kāi)在南面，已更好的獲取太陽(yáng)光，并減少冬季冷風(fēng)灌入。在外門(mén)設(shè)一個(gè)防寒門(mén)斗，可減少冷風(fēng)進(jìn)入室內(nèi)，特別是面向北向開(kāi)的門(mén)設(shè)防寒門(mén)斗可減少冷風(fēng)吹襲，門(mén)斗尺寸要滿(mǎn)足人員進(jìn)出及使用需求并密封良好。見(jiàn)圖2。(假定北面為冷風(fēng)面)

圖2 防寒門(mén)斗

甘肅大部分地區(qū)處在太陽(yáng)能豐富或較豐富地區(qū)，有著很好的太陽(yáng)能利用的自然條件，農(nóng)村地域?qū)拸V，結(jié)合太陽(yáng)能利用的太陽(yáng)房是農(nóng)村建筑節(jié)能的有效途徑之一，太陽(yáng)房設(shè)計(jì)要因地制宜、遵循適用、堅(jiān)固、經(jīng)濟(jì)，并注意建筑造型美觀大方。選擇太陽(yáng)房的建造位置時(shí)，要避免周?chē)匦巍⒌匚?包括附近建筑物)對(duì)建筑南向及東、西向15°朝向范圍內(nèi)在冬季的遮陽(yáng)。太陽(yáng)房平面布置及其集熱面應(yīng)朝正南或南偏東、偏西15°范圍內(nèi)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(duì)集熱面的遮擋。建筑平面內(nèi)部組合時(shí)應(yīng)將有嚴(yán)格溫度要求的房間盡量朝南布置，并盡量避開(kāi)邊跨。對(duì)主要使用時(shí)間在晚上的房間，應(yīng)優(yōu)先選用蓄熱性能較好的集熱系統(tǒng)和集熱部件，以使晚間有較高的室溫。主要居室在無(wú)輔助熱源的條件下，室內(nèi)平均溫度應(yīng)達(dá)到12℃;室溫日波動(dòng)范圍不得大于10℃，且夏季室內(nèi)溫度不得高于當(dāng)?shù)仄胀ǚ课荨Ｌ?yáng)房按傳熱過(guò)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(tǒng)分為:蓄熱墻式、集熱蓄熱墻式、附加陽(yáng)光間式、屋頂淺池式、自然循環(huán)式;按太陽(yáng)房的功能可分為:太陽(yáng)暖房、太陽(yáng)冷房、太陽(yáng)能空調(diào)房;按所需機(jī)械動(dòng)力的有無(wú)分為:主動(dòng)式太陽(yáng)房、被動(dòng)式太陽(yáng)房。下面為適合甘肅地區(qū)農(nóng)村住房使用的一些被動(dòng)太陽(yáng)房的圖例，見(jiàn)圖3～圖5。

圖3 直接受益式太陽(yáng)房

圖4 附加陽(yáng)光間式太陽(yáng)房

圖5 儲(chǔ)熱墻式太陽(yáng)房

通過(guò)各地實(shí)踐和測(cè)試資料表明［5］:與同類(lèi)普通房屋節(jié)能率30%相比，被動(dòng)式太陽(yáng)能采暖建筑可以達(dá)到的節(jié)能率在60%以上。與節(jié)能50%的普通民房建筑比較:被動(dòng)式太陽(yáng)房的整體造價(jià)估算高出25%左右。與節(jié)能65%的普通民房建筑比較:被動(dòng)式太陽(yáng)房的整體造價(jià)估算高出15%左右，經(jīng)濟(jì)回收期一般在3到8年之間，具有較好的經(jīng)濟(jì)可行性。

適合甘肅地區(qū)農(nóng)村住房的主動(dòng)太陽(yáng)房則需大力推廣太陽(yáng)能熱水器以滿(mǎn)足生活用熱水需求，盡量做到太陽(yáng)能建筑一體化設(shè)計(jì)。還可以推廣太陽(yáng)灶用于炊事需求。

針對(duì)甘肅農(nóng)村住房現(xiàn)有的不合理狀況，結(jié)合甘肅省的氣候自然條件及社會(huì)發(fā)展需求。以下為適合甘肅農(nóng)村地區(qū)住房建筑節(jié)能、居民生活習(xí)慣、經(jīng)濟(jì)水平、及未來(lái)發(fā)展的典型戶(hù)型結(jié)構(gòu)平面圖見(jiàn)圖6。

圖6 陽(yáng)光間式住房戶(hù)型結(jié)構(gòu)圖

該戶(hù)型加大了房屋的進(jìn)深，減少了房屋的形體系數(shù);盡量把臥室和起居室放到了南面，把儲(chǔ)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(shè)陽(yáng)光間，陽(yáng)光間內(nèi)墻及地面選用儲(chǔ)熱性能好的材料，提高了室內(nèi)溫度，在陽(yáng)光間內(nèi)可栽種一些花木，可美觀及改善室內(nèi)環(huán)境;在迎風(fēng)面增設(shè)防寒門(mén)斗，減少了冬季冷風(fēng)滲入。

1.2 建筑維護(hù)節(jié)能技術(shù)

加強(qiáng)建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)(指外墻、屋面、樓地面)的保溫隔熱性能，利用節(jié)能型門(mén)窗提高外門(mén)窗的氣密性，是提高居住環(huán)境舒適度，達(dá)到建筑物冬暖夏涼的重要措施。

(1)外墻保溫隔熱:目前我國(guó)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(nèi)保溫、外墻夾芯保溫。據(jù)有關(guān)機(jī)構(gòu)測(cè)試表明［6］，墻體不做保溫處理其能耗會(huì)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(duì)建筑節(jié)能的意義是很大的。

現(xiàn)在普遍使用的有機(jī)保溫材料中聚苯板、擠塑板與聚氨酯板保溫性能好，施工簡(jiǎn)便;無(wú)機(jī)保溫材料中保溫砂漿、珍珠巖保溫板相對(duì)保溫性能較差;礦棉板、泡沫玻璃板價(jià)格昂貴施工復(fù)雜。從保溫效率、施工技術(shù)、耐候性、經(jīng)濟(jì)回報(bào)幾方面綜合考慮。甘肅地區(qū)外墻外保溫用60 mm左右的EPS保溫系統(tǒng)最為適宜［7］。

(2)屋面的保溫隔熱:農(nóng)村住房各種類(lèi)型的屋面均應(yīng)設(shè)置保溫層，保溫層應(yīng)覆蓋整個(gè)屋面。木屋架屋面保溫層可設(shè)置在斜屋面上也可設(shè)置在吊頂上，鋼筋混凝土屋面保溫層應(yīng)設(shè)置在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)層上。

(3)地面保溫防潮:室內(nèi)地面溫度較低，相對(duì)比較潮濕，不利于建筑節(jié)能。因此應(yīng)做好地面保溫防潮處理。

(4)外門(mén)、窗保溫:針對(duì)不同氣候條件和甘肅農(nóng)村住房的具體情況選好節(jié)能型的外門(mén)外窗，有條件的地區(qū)，宜采用中空玻璃塑鋼窗［8］。據(jù)有關(guān)資料介紹，單層玻璃鋼窗的傳熱系數(shù)K=5.8而單層玻璃塑料窗的傳熱系數(shù)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(shù)值K可減至2.0～2.2，甚至更小，這是塑料窗作為節(jié)能門(mén)窗的有利條件之一。如再采取提高氣密性的措施，將達(dá)到較好的節(jié)能的效果，因?yàn)橥忾T(mén)外窗是建筑物節(jié)能的最關(guān)鍵部位，在能滿(mǎn)足室內(nèi)采光通風(fēng)的前提下，應(yīng)盡量減少外窗的面積。

1.3 地方節(jié)能采暖技術(shù)

甘肅農(nóng)村住宅一般是一家一戶(hù)，獨(dú)門(mén)獨(dú)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(nóng)村住房采暖多數(shù)是一家一戶(hù)單獨(dú)設(shè)采暖設(shè)備，采暖方式一般為火炕、火墻，也有簡(jiǎn)易的散熱器采暖系統(tǒng)，其熱源為鋼質(zhì)火爐;還有單一火爐采暖，也是鋼質(zhì)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(jié)省投資。在燃料上可以采用有機(jī)質(zhì)材料雜草、碎屑或煤炭;在使用上可以一火兩用，節(jié)約燃料，符合居者生活習(xí)慣，可以在一定時(shí)間內(nèi)保持室內(nèi)溫度。簡(jiǎn)易散熱器采暖系統(tǒng)設(shè)備簡(jiǎn)單、系統(tǒng)小，不要鍋爐和水泵，也不要軟水器。一個(gè)系統(tǒng)僅帶3～5組散熱器;節(jié)省投資、節(jié)省暖氣費(fèi);節(jié)省燃料、適應(yīng)多種燃料(各種秸稈)環(huán)保好;不占房間使用面積，室內(nèi)布置靈活(見(jiàn)圖7、圖8)。

圖7 簡(jiǎn)易散熱器采暖

圖8 簡(jiǎn)易散熱器采暖系統(tǒng)

本圖特點(diǎn)是:火爐比散熱器低、沒(méi)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(jié)語(yǔ)

根據(jù)甘肅農(nóng)村的自然氣候條件和既有住房的狀況，在對(duì)農(nóng)村住房建筑節(jié)能影響比較大的建筑前期規(guī)劃設(shè)計(jì)、建筑維護(hù)結(jié)構(gòu)做法、新能源的利用、地方采暖節(jié)能技術(shù)幾個(gè)方面系統(tǒng)的對(duì)甘肅農(nóng)村住房建筑節(jié)能進(jìn)行探索分析。對(duì)農(nóng)村住房建筑節(jié)能工作的開(kāi)展提供較好的指導(dǎo)建議。

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