赵向东，侯 斌
(甘肃林业职业技术学院,甘肃 天水 741020)
近年来,随着我国经济社会的快速发展,建筑业突飞猛进,城乡居民居住条件稳步提升。但是与建筑业的快速发展相伴而生的则是能源的高消耗,根据统计报告,2020年全国建筑全过程能耗总量占全国能源消费总量的比重为45.5%,其中建筑运行阶段能耗占全国能源消费总量的比重为21.3%[1]。在“双碳”战略目标时间表的控制下,建筑领域作为最主要的三大能源消费领域之一,尽早实现碳中和对于“双碳”战略路径的整体实现具有重要意义[2]。
传统上我国是一个农业型国家,农业人口一直占有很大的比重,虽然近年来我国城市化率逐步提高,但目前仍有超过34%的人口居住在广大农村[3],农村地区住宅建筑面积占全国范围内住房总面积的50%以上[4],并且随着农民生活水平的稳步提高,农村住宅面积在不断增加。但是,现阶段已建成的大部分农宅都存在保温隔热效果差的问题,这导致了农村的建筑能耗在不断增加。同时,随着国家乡村振兴战略的深入推进和十四五建筑节能与绿色建筑发展规划的宣传及贯彻落实,对农宅进行节能设计和改造的观念越来越深入人心。所以,对既有农宅节能现状进行调研分析,以此为基础推动节能设计和改造,可以提升农村居民的居住舒适度,助力乡村振兴战略,推动广大农村的绿色低碳发展。
近年来,在国家新农村建设政策的推动下,陇东地区农村居民对住宅进行了较大规模的翻新,但受限于经济和技术条件,新建住宅主要以砖混结构为主,包括数量较多的一层平房、修建规模较大的二层楼房以及为数不多的三层楼房。本文调研了陇东地区砖混结构住宅的用能现状和存在的主要问题,随后从建筑规划整体布局、单体建筑设计及外围护结构等方面分析了降低陇东地区农村砖混结构住宅冬季采暖能耗的有效措施。
1 陇东地区气候和地理环境解析
陇东地区是指甘肃省的东部地区,包括庆阳市和平凉市的大部分区域。这里地处黄土高原,经过千百年的地质运动才形成千姿百态、风格独特的黄土地貌特征。第四纪陆地抬升与更新世的风积作用的相互配合,在我国西北黄土高原地区堆叠出了高达百余米的黄土覆盖层[5]。黄河及其支流流经黄土高原,携带走表层松散的黄土覆盖层,经过多年河流侵蚀,黄土高原被严重割裂,形成了兼有山、川、塬、沟、梁、峁的复杂地形地貌。
陇东地区气候属典型的温带大陆性气候,处在干旱、半干旱和半湿润的过渡地带,季节降水量分布不均匀,冬季和春季雨水偏少,夏季雨水较多,降雨量南多北少。该地区冬季以西北风为主导,夏季以东南风为主导,光照比较充足。根据我国热工分区,陇东地区属于寒冷地区,冬季寒冷干燥。基于以上分析,可知该地区的建筑物应加强密闭性,注重冬季的保温构造措施;夏季在部分地区也需要注意房屋的通风和隔热。
2 陇东南地区砖混结构住宅现状
2.1 住宅平面布局形式
伴随着国家西部大开发、“一带一路”、脱贫攻坚和乡村振兴战略的相继实施,政府的一系列扶贫惠农政策逐项落地,陇东农村地区广大居民的经济生活水平大为提高,居住条件也随之改善,由原来的窑洞、土坯房改建为较多的砖混结构住宅。根据建设类型,可分为两大类:一类是政府补贴、农民自建的住宅;另一类是由政府统一规划建设的住宅。图1是陇东地区农村某砖混结构住宅院落平面布局示意图。
从住宅规模(占地面积)来看,陇东地区农村砖混结构建筑规模较大的一般为农户在宅基地自建的房屋,规模较小的多为政府统一规划的安置房屋,第二种的分布多呈现为异地联排的布置模式。从房屋成本分析,相较于旧式农宅,新式农宅的单位造价较高,每平米在750元～1 200元之间,其中人工费占总造价的比重较大,普遍达到了总成本的35%以上。从房屋朝向分析,新型农宅更注重房间的采光和得热的影响,因此新型农宅朝向多为南向、西南向及东南向。从房屋构造分析,新式农宅多为单层建筑,屋顶的构造多采用传统农宅的双坡造型,部分采用预制板平屋顶上加盖坡屋顶。图2为陇东地区调研过程中较为典型的农宅外观图。这种双坡农宅建筑的正脊高度一般在4.5 m～5.5 m之间,部分农户采用了吊顶,在吊顶后室内净高也在3 m以上。近几年所建砖混结构住宅,开始注重结构的抗震性能,加设了混凝土构造柱和圈梁,建筑稳定性和整体性显著提高,但也存在构造柱的尺寸偏小、设置位置不合理等问题。墙体材料多采用传统的实心黏土砖,外墙厚度一般为240 mm或370 mm,内墙厚度多为240 mm,外墙一般不做保温层,早期砖混建筑的屋面材料多使用木构架或预制板材,近年来开始使用混凝土现浇楼板。木架构坡屋顶住宅室内多采用PVC吊顶,地面铺黏土砖或用砂浆铺瓷砖,内墙面简单刷白,外墙面使用混凝土砂浆涂刷或白色瓷片贴面。门窗多采用木质单层玻璃门窗或铝合金单层玻璃门窗。
2.2 围护结构现状
2.2.1 外墙
陇东地区农宅建筑墙体材料大多选用烧结黏土砖,为降低造价,外墙也多为二四墙。砖墙外侧一般为20 mm厚的水泥砂浆抹灰,墙体内侧为20 mm厚的石膏砂浆抹灰。图3为240 mm厚烧结黏土砖墙身大样图。
2.2.2 屋顶
20世纪90年代开始,陇东地区农宅建筑开始转型,转型初期多为砖墙木架构房屋,后期多为砖墙混凝土楼盖结构。且从这一时期开始,屋顶也由传统的单坡屋顶转为双坡屋顶或平屋顶,这有利于房屋结构抗震性能的提升。调研中发现还有一种比较特殊的屋顶形式,即预制混凝土楼板平屋顶加盖双坡屋顶,这种屋顶是在钢筋混凝土预制板平屋顶上加盖坡屋顶,坡屋顶的构造与传统木架构双坡屋顶相同,其具体构造做法见图4。这种新型的屋面做法,既满足了当地对于传统坡屋顶造型的艺术追求,又极大提升了农宅的耐久性、防水性和保温隔热性能。
2.2.3 外窗
陇东地区农村民居建筑的外窗绝大多数是单层玻璃窗,且单纯为了追求良好的采光,窗地比普遍较大。所用的窗框材料最早多为木材,后期以钢材为主,现在主要是铝合金、塑钢。传统的土木农宅建筑使用的是木窗框,且窗户的尺寸也较小。20世纪90年代后,钢质和铝合金窗框开始用于陇东地区的农宅建筑,近年来陇东农村地区的农宅建筑中多使用塑钢窗框。从窗的开启方式来看,该地区农宅建筑中多采用推拉窗和平开窗,窗的密闭性普遍较差(见图5)。
2.3 建筑用能及能耗现状
陇东地区作为寒冷地区,冬季采暖用能占有较大比重。除此之外还包括炊事用能、日常照明以及电气用能。由于该地区农宅建筑基本不设置保温层,加之陇东地区的气候条件与房屋外围护构造缺陷,导致冬季该地区农宅的室内温度偏低,这是冬季采暖能耗大的主要原因。由于该地区夏季气温适中,若农宅设计中无严重缺陷,可实现自然通风、遮阳,加之当地居民常年来对地域气候的适应性,仅少数家庭选择电风扇等设施降温,故夏季制冷用能少,相应的其能耗低。
表1给出了陇东地区砖混结构农宅围护结构建材使用情况、主要的构造做法及传热系数。为节约经济成本,当地农户常采用370 mm或者240 mm的普通烧结黏土砖作为外墙材料。但是调研发现,无论是外墙还是屋顶,陇东地区大多数农宅建筑没有任何的保温隔热构造,仅有极少部分的农宅外墙设置了20 mm～30 mm厚度的EPS保温层,该保温材料的传热系数偏大,加之厚度不够,远远满足不了寒冷地区的保温构造要求,这导致围护结构与外部的热交换频繁,内部热量很容易散失,冬季室内温度较低,能耗大。
表1 陇东地区砖混结构农宅围护结构建筑材料使用现状、主要构造做法及各部分传热系数
同样,由于材料的导热系数过大,夏季室外的热量与室内空气热交换量大,隔热效果差,室内环境温度偏高,使得部分农宅需通过风扇、空调进行室内降温,产生一定的能耗。
另外,门窗作为热交换的主要区域,其密封性和门窗材料的传热系数也很大程度上影响着室内温度,进而影响采暖用能或制冷用能。该地区砖混结构门窗材料多为铝合金、塑钢、木材,窗框构造简单,其传热系数较大且密封性差,在冬季极易产生冷风渗透,进而增加冬季采暖能耗。
陇东地区围护结构的用材传热系数普遍较大,超出规范限值较多,保温隔热效果差,为提高人体舒适度,不得不增大采暖能耗和制冷能耗,造成了能源浪费和村民经济损失。
3 陇东地区砖混结构节能分析
为在冬季获得舒适的室内环境温度,陇东农村地区的建筑除了需要满足自身保温外,还需要有必要的采暖设施为室内提供稳定的热源,当前多采用煤炉烧炭取暖,产生的热量有限,且极易对室内空气造成污染。但如果建筑物自身的保温层做的较为完善,那么维持室内环境温度舒适稳定所需的热能就少;反之,若建筑物自身的热工性能较差,一方面室内环境温度难以达到人体所需的舒适温度,使得采暖耗能进一步加大;另一方面,门窗等围护结构也容易产生结露、凝霜甚至变形等一系列问题。
3.1 布局规划
在选址、设计、修建时,首先应该有效利用地形,考虑不同地形下的日照,使农宅主要休息居住房屋的朝向能够获取最大程度的太阳光照,尽量避开周围物体的遮挡。
另外,陇东地区冬季以西北风为主导,如果选址是在主导风的上部,较易形成门窗处冷风渗透,加剧室内热能的散失,为保证室内温度适宜,只能加大采暖用能。因此该地区砖混结构农宅选址必须考虑场地的防风,使房屋的主朝向避开西北风,减少冷风渗透所导致的室内热量的损失,进而减少冬季采暖能耗。有条件的村庄和农户,可通过优化住宅布局,改善室外环境,在不影响夏季自然通风的情况下,实现冬季的防风。
3.2 单体设计
众所周知,建筑能耗受体形系数的影响非常大,因此可根据体形系数的大小对建筑物耗能情况进行评估。依据寒冷地区的气象条件,在0.3基础上体形系数每增加0.01,能耗约增加2.4%～2.8%;体形系数每减少0.01,能耗约减少2.3%～3%。甘肃《严寒和寒冷地区居住建筑节能(75%)设计标准》[6]中要求,寒冷地区3层以内的采暖居住建筑的体形数不得超过0.52。调研结果显示陇东地区砖混结构农宅多以正南向为主朝向,因此太阳辐射的主体是南墙,而其余方向的墙体则成为了主要散热墙体,为减少建筑物热量耗散,在保证满足0.52的体形系数限值要求的情况下,建筑物平面设计应尽可能形成以东西向为长、南北向为宽的矩形。
3.3 围护结构
建筑物的散热主要是通过围护结构来散热,一般情况下,通过围护结构散热占总耗热量的73%～77%[7]。因此,通过围护结构构造的合理设计以及材料的合理选用,可大幅减少室内外热量的交换,提高室内热舒适度,降低能耗。
据前所述,陇东地区砖混结构外墙材料大多为实心烧结黏土砖,由表1可知其传热系数在0.65 W/(m2·K)～2.12 W/(m2·K)之间,依据《农村居住建筑节能设计标准》,外墙传热系数应小于0.65,可见该区域主要墙体材料的传热系数超出了规范要求,这说明室内外热交换量大,这是导致该地区农宅冬季采暖能耗偏大、热舒适度低的主要原因。
提升陇东地区农村住宅外围护结构保温效果的有效措施是对外墙进行节能设计或改造,增加保温构造层。目前常见的墙体保温构造可分为内保温、自保温、夹心保温、外保温等,内保温构造易在室内发生冷凝结露现象而降低保温效果,同时也会造成墙面损坏,而自保温对围护结构的材料要求较高,增加使用成本,夹心保温施工难度较大且会影响墙体的整体性。基于以上原因,建议陇东地区砖混农宅保温设计采用外保温形式。虽然外保温的造价相对内保温较高,但是外保温相较于内保温能够使得室内使用面积增加约2%。
在选择建筑保温材料时,要综合考虑材料的价格、导热系数高低、防火性能、使用寿命、施工难易程度、家庭经济能力等因素。表2对常用保温材料的导热系数和主要优缺点进行了对比分析,可以看出,石墨聚苯板(EPS灰板)的综合性能相对较高,可以用作为陇东地区农宅建筑外墙外保温形式下的保温材料,家庭经济条件较好的农户,也可以考虑选用挤塑聚苯板(XPS板),除造价外,其各方面的性能较为优异。
表2 常用保温材料特性对比
4 结论
本文通过对陇东地区的气候、地理环境及当地的砖混结构农宅情况进行调研和总结,分析了陇东地区砖混农宅在规划布局、单体设计、围护结构等方面的现状,探讨了其建筑耗能较大的原因,进而分析探讨了降低陇东地区砖混结构农村住宅建筑能耗的主要措施。研究得出了如下结论:
1)陇东地区砖混结构农宅在选址时应充分考虑地形、气候、场地防风等因素,农宅主朝向应尽量避开西北风。2)陇东地区砖混结构农宅平面设计应尽可能为东西向为长、南北向为宽的矩形。3)陇东地区砖混农宅保温方式宜采用外保温形式。保温材料的选择可依据造价及工程需求综合选择。
