天津農(nóng)村住宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)調(diào)研及節(jié)能設(shè)計(jì)

摘 要

摘要：針對(duì)天津農(nóng)村住宅普遍存在的能耗高、室內(nèi)舒適度差等問題，通過對(duì)農(nóng)村住宅的體形系數(shù)、窗墻比、圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)的分析，提出適合天津農(nóng)村住宅的圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計(jì)方案。建議
摘要：針對(duì)天津農(nóng)村住宅普遍存在的能耗高、室內(nèi)舒適度差等問題，通過對(duì)農(nóng)村住宅的體形系數(shù)、窗墻比、圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)的分析，提出適合天津農(nóng)村住宅的圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計(jì)方案。建議采用天然材料和適宜的技術(shù)，以耗費(fèi)最少的資源，實(shí)現(xiàn)農(nóng)村住宅節(jié)能目標(biāo)。
關(guān)鍵詞：農(nóng)村住宅；圍護(hù)結(jié)構(gòu)；體形系數(shù)；窗墻比；傳熱系數(shù)
Investigation and Energy-saving Design of Building Envelop for Rural Residential Houses in Tianjin
WANG Changfeng，F(xiàn)AN Guoqiang，LV Jian，REN Shengfeng
Abstract：In order to solve problems of high energy consumption and poor indoor thermal comfort in existing rural residential houses in Tianjin，the house shape coefficient，the window-to-wall ratio and the heat transfer coefficient of building envelop are analyzed，and an energy-saving design scheme suitable for building envelop for rural residential houses in Tianjin is proposed.It is suggested that natural materials and appropriate techniques are used to achieve the energy-saving goal for rural residential houses with a minimum energy consumption.
Key words：rural residential house；building envelop；shape coefficient；window-to-wall ratio；heat transfer rnefficient
1 概述
    新型農(nóng)村住宅建設(shè)是社會(huì)主義新農(nóng)村建設(shè)的一個(gè)重要方面。隨著收入水平的提高，農(nóng)村居民對(duì)改善居住條件的意愿越來越強(qiáng)烈。我國(guó)農(nóng)村每年新增住宅面積約8×108m2，且絕大多數(shù)為自建[1]。自建農(nóng)村住宅普遍存在著能耗高、室內(nèi)環(huán)境舒適度差等問題。
    為了解天津農(nóng)村住宅的能耗現(xiàn)狀，筆者通過發(fā)放問卷、入戶調(diào)研、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的方法，對(duì)天津薊縣、武清區(qū)周邊40戶農(nóng)村住宅進(jìn)行了實(shí)地調(diào)研。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，天津農(nóng)村住宅基本經(jīng)歷了兩個(gè)發(fā)展時(shí)期[2]：第一個(gè)發(fā)展時(shí)期為20世紀(jì)80—90年代，農(nóng)村住宅多為單層磚房，建筑面積為80～120m2，東西走向?yàn)?1～18m，南北走向?yàn)?～8m，2間臥室，坐北朝南，南北向均有開窗，室內(nèi)有穿堂風(fēng)通過，北向一般不設(shè)儲(chǔ)藏間等輔助用房。此類建筑共計(jì)24戶，占樣本數(shù)的60%。第二個(gè)發(fā)展時(shí)期為20世紀(jì)90年代末至現(xiàn)在，農(nóng)村住宅同樣以單層磚房為主，建筑面積為90～180m2，東西走向?yàn)?2～22m，南北走向?yàn)?0～12m，南向開窗面積較大，北向開窗面積較小，前出走廊。中央一間為起居室，東西兩側(cè)各有1～2間臥室，北側(cè)增加了輔助用房，如廚房、儲(chǔ)藏間、餐廳、洗浴間等。此類建筑共計(jì)16戶，占樣本數(shù)的40%。本文結(jié)合調(diào)研結(jié)果，通過對(duì)農(nóng)村住宅體形系數(shù)、窗墻比、圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)的分析，對(duì)農(nóng)村住宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計(jì)進(jìn)行探討。
2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀分析
   ① 體形系數(shù)、窗墻比較大
   通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，農(nóng)村住宅均為獨(dú)立單體建筑，多采用對(duì)稱布置。農(nóng)村居民為了獲得更開闊的視野，追求更好的建筑外立面效果，往往導(dǎo)致建筑體形系數(shù)和開窗面積不斷增加[3～4]。農(nóng)村住宅體形系數(shù)的調(diào)研結(jié)果見表1。由表1可知，天津農(nóng)村住宅的體形系數(shù)高于DB 29—1—2010《天津市居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的當(dāng)建筑低于3層時(shí)，體形系數(shù)不能超過0.52的限值要求。較大的體形系數(shù)對(duì)于農(nóng)村住宅的節(jié)能極為不利[5]。
表1 農(nóng)村住宅體形系數(shù)調(diào)研結(jié)果
體形系數(shù)
0.53～0.59
0.60～0.69
0.70～O.73
農(nóng)村住宅數(shù)量/幢
12
8
20
比例/%
30
20
50
    被調(diào)研農(nóng)村住宅的東西向不開窗，而且為了減少北向窗引起的冷風(fēng)滲透量，北向開窗面積很小，窗墻比為0.08～0.15，低于DB 29—1—2010規(guī)定的北向窗墻比的限值0.30，這有利于建筑節(jié)能。農(nóng)村住宅南向窗墻比調(diào)研結(jié)果見表2。由表2可知，農(nóng)村住宅南向窗墻比較大，有30%的農(nóng)村住宅超過了DB 29—1—2010規(guī)定的限值0.50。
表2 農(nóng)村住宅南向窗墻比調(diào)研結(jié)果
南向窗墻比
0.22～0.35
0.36～0.49
0.50～0.63
農(nóng)村住宅數(shù)量/幢
24
4
12
比例/%
60.0
10.O
30.0
   ② 傳熱系數(shù)高
   農(nóng)村住宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)及傳熱系數(shù)調(diào)研結(jié)果見表3。由表3可知，被調(diào)研農(nóng)村住宅的圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)均超過DB 29—1—2010規(guī)定的限值。
    農(nóng)村住宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)外墻多采用370mm厚黏土磚墻，外墻外保溫技術(shù)在農(nóng)村尚未推廣應(yīng)用。對(duì)于屋頂，坡屋頂多采用泥漿混配秸稈以及蘆葦作為絕熱防水層，未采用其他絕熱措施，平屋頂也存在傳熱系數(shù)高的問題。對(duì)于外窗，木質(zhì)單玻窗、鋁合金單玻窗各占50%，這兩種外窗的價(jià)格低廉，加工方便，受到農(nóng)村居民的歡迎。但這兩種外窗的縫隙較大，往往導(dǎo)致冷風(fēng)滲透量大，造成供暖能耗高、室內(nèi)熱舒適度差[6]。農(nóng)村住宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)既不能滿足節(jié)能要求，又不能滿足人們對(duì)室內(nèi)舒適度的需要。
表3 農(nóng)村住宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)及傳熱系數(shù)調(diào)研結(jié)果
圍護(hù)結(jié)構(gòu)
形式
結(jié)構(gòu)
傳熱系數(shù)/(W·m-2·K-1)
比例/%
外墻
370mm厚磚混結(jié)構(gòu)
370mm厚黏土磚+內(nèi)抹20mm厚水泥砂漿
1.58
92.5
240mm厚磚混結(jié)構(gòu)
240mm厚黏土磚+內(nèi)抹20mm厚水泥砂漿
2.12
7.5
屋頂
坡屋頂
10mm厚紅瓦+60mm厚泥漿混配秸稈+90mm厚蘆葦
0.87
82.5
平屋頂
20 mm厚膨脹珍珠巖找坡+20mm厚水泥砂漿+120mm
厚預(yù)制板+20mm厚水泥砂漿
2.64
17.5
外窗
木質(zhì)單玻窗
—
5.82
50.0
鋁合金單玻窗
—
6.18
50.0
3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計(jì)
   ① 外墻
   對(duì)于既有農(nóng)村住宅，可以進(jìn)行擠塑聚苯板薄抹灰外墻外保溫改造[7～8]，也可以在墻體兩側(cè)加抹一定厚度的膨脹珍珠巖或膠粉聚苯顆粒絕熱層[9]。
   對(duì)于新建農(nóng)村住宅，可以采用改良后的土坯墻，以增強(qiáng)墻體的抗壓、抗剪能力。改良后的土坯墻體材料主要包括墻體砌塊(承重黏土多孔磚)、土坯。
    土坯的做法比較簡(jiǎn)單，用泥漿混配打碎的秸稈，灌注到方形坯模中至晾干?？筛鶕?jù)墻體的承重要求調(diào)整秸稈與泥漿的比例，以及土坯的尺寸。對(duì)于天津農(nóng)村住宅，秸稈與泥漿的質(zhì)量比宜達(dá)到1：50，土坯的長(zhǎng)×寬×高可規(guī)定為600mm×420mm×120mm。改良后的土坯墻剖面見圖1，圖中數(shù)值單位為mm。

    改良后的土坯墻與室外空氣接觸的外層采用240mm厚的承重黏土多孔磚，內(nèi)層為600mm厚的土坯，內(nèi)抹20mm厚水泥砂漿及飾面層，土坯的熱導(dǎo)率約0.58W/(m·K)。經(jīng)計(jì)算，改良后的土坯墻傳熱系數(shù)約0.72W/(m2·K)，雖然高于DB 29—1—2010規(guī)定的限值0.45W/(m2·K)，但在很大程度上降低了農(nóng)村住宅外墻的傳熱系數(shù)。另外，為了保證承重黏土多孔磚與土坯之間結(jié)合緊密，并增強(qiáng)墻體的抗壓、抗剪能力，在施工中不僅要求承重黏土多孔磚砌法長(zhǎng)短相互結(jié)合，還應(yīng)采用順砌、丁砌的砌法，并在承重黏土多孔磚與土坯的連接處用適量泥漿混配料填塞縫隙。
    采用改良后的土坯墻建造的住宅絕熱性能將大大提高，而且土坯墻利用秸稈等天然材料，可以就地取材，成本低，利于在農(nóng)村推廣。
    ② 地面
    地面作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的一部分，它的熱工性能對(duì)室內(nèi)溫度有較大影響[10]。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，農(nóng)村住宅地面結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，多為素土夯實(shí)后鋪60mm厚混凝土，其上設(shè)置20mm厚水泥砂漿抹光面層，或者地磚飾面，絕熱性能較差。天津地區(qū)凍土層深度為600mm左右，室內(nèi)地面邊緣部分的地下土壤溫度變化相當(dāng)大，不僅造成較大室內(nèi)溫度波動(dòng)，而且易導(dǎo)致供暖期熱損失較大。因此，將農(nóng)村住宅室內(nèi)地面分為周邊地面和非周邊地面。周邊地面即距外墻內(nèi)表面2 m以內(nèi)的地面，該部分應(yīng)采取絕熱措施，周邊地面結(jié)構(gòu)見圖2。周邊地面以內(nèi)的地面為非周邊地面，這部分地面可不進(jìn)行絕熱處理，非周邊地面的結(jié)構(gòu)見圖3。

    ③ 屋頂
由調(diào)研可知，有82.5%的農(nóng)村住宅采用坡屋頂，其結(jié)構(gòu)便于設(shè)置絕熱層。筆者建議農(nóng)村住宅仍采用坡屋頂，改造后的坡屋頂結(jié)構(gòu)見圖4。為了提高屋頂絕熱性能，一方面，根據(jù)蘆葦?shù)某休d力，可適當(dāng)加厚泥漿混配秸稈的厚度至80mm，并調(diào)整秸稈與泥漿的質(zhì)量比至1：50。另一方面，將蘆葦加壓綁扎成捆，厚度增加到120mm，葦捆下敷設(shè)5mm厚蘆葦箔，這樣既可絕熱防水，又可以顯著降低屋頂?shù)膫鳠嵯禂?shù)。經(jīng)計(jì)算，改造后的屋頂傳熱系數(shù)為0.34W/(m2·K)，小于DB 29—1—2010規(guī)定的限值0.35W/(m2·K)。
對(duì)于占17.5%的平屋頂，通常采用的絕熱措施是將熱導(dǎo)率小、吸水率低并具有一定強(qiáng)度的輕質(zhì)絕熱材料設(shè)置在防水層與找平層之間。改造后的平屋頂結(jié)構(gòu)見圖5。改造后不僅能夠有效控制屋頂傳熱系數(shù)，而且能使結(jié)構(gòu)層受到保護(hù)而不致受到過大的溫度應(yīng)力，避免結(jié)構(gòu)層內(nèi)表面結(jié)露甚至結(jié)凍。

   ④ 門窗
   天津?qū)儆诤涞貐^(qū)，冬季的主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)，因此外門盡量設(shè)置在南側(cè)。且外門不宜直通室溫要求較高的起居室或臥室，而應(yīng)通向室溫要求不高的輔助用房或走廊，這樣可以防止冷風(fēng)直接進(jìn)入起居室或臥室，引起室內(nèi)溫度波動(dòng)。若需要連接起居室或臥室時(shí)，可以在入口處設(shè)置門斗，并避開主導(dǎo)風(fēng)向。
   在農(nóng)村住宅中造成外窗熱損失有兩個(gè)途徑：一是通過窗的傳熱耗熱；二是由于窗縫隙過大，造成的冷風(fēng)滲透耗熱。因此，窗的設(shè)計(jì)應(yīng)以降低傳熱系數(shù)和提高氣密性作為主要目標(biāo)。具體采取的措施為：增加玻璃的層數(shù)，降低窗的傳熱系數(shù)。采用密封性能好的塑鋼窗取代木窗和鋁合金窗，減少冷風(fēng)滲透。
   窗作為建筑的進(jìn)、出風(fēng)口，其位置、大小、形式等都會(huì)對(duì)室內(nèi)的通風(fēng)效果產(chǎn)生較大影響。天津?qū)儆诤涞貐^(qū)，北向?yàn)槎局鲗?dǎo)風(fēng)向，增大北向窗面積將增大冷風(fēng)滲透耗熱量，因此應(yīng)適當(dāng)減少北向窗面積，并采用中空玻璃。為了盡量獲得太陽(yáng)輻射熱，可考慮適當(dāng)增大南向窗面積。但隨著南向窗墻比增大，建筑供暖、空調(diào)能耗也會(huì)隨之增加，同樣不利于建筑節(jié)能，因此南向窗墻比不宜過大[11]。設(shè)計(jì)中可適量增大南向窗面積，將木質(zhì)單玻窗或鋁合金單玻窗改為密封和絕熱性能好的塑鋼雙玻窗[12]。
4 結(jié)語(yǔ)
    農(nóng)村住宅節(jié)能是貫徹我國(guó)建筑節(jié)能的重要組成部分，但不能將城市中采用的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能模式、技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)單地應(yīng)用于農(nóng)村。建議采用天然材料和適宜的技術(shù)，以耗費(fèi)最少的資源，實(shí)現(xiàn)農(nóng)村住宅節(jié)能目標(biāo)。
參考文獻(xiàn)：
[1] 肖洪濤，邵蓮芬.河南省農(nóng)村住宅節(jié)能現(xiàn)狀及對(duì)策研究[J].節(jié)能技術(shù)，2010，28(3)：241-252.
[2] 周燕來，楊坤麗.農(nóng)村居住建筑的節(jié)能[J].四川建筑，2009，29(1)：44-46.
[3] WANG Changfeng，REN Shengfeng，ZHAO Guomin.Energy-saving design strategy of rural residential building in Tianjin area[C]∥2011 International Conference on New Technology of Agriculture Engineering.Zibo：Shandong University of Technology，2011：522-527.
[4] 鄭新敏，王麗文，任繩鳳，等.吉林省農(nóng)村住宅能耗調(diào)研及分析[J].煤氣與熱力，2011，31(9)：A18-A20.
[5] 李玲，高琳，李俊鴿，等.寒冷地區(qū)鄉(xiāng)村住宅體型系數(shù)與建筑節(jié)能的關(guān)系[J].建筑節(jié)能，2007，35(1)：21-23.
[6] 許東，王雪英，石巖，等.遼寧地區(qū)農(nóng)村住宅節(jié)能現(xiàn)狀及存在問題[J].遼寧工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，30(1)：44-50.
[7] 黃春華，葉勇軍，王漢青.節(jié)能建筑保溫外墻的節(jié)能和減排特性研究[J].煤氣與熱力，2006，26(8)：73-76.
[8] 徐夢(mèng)萱，韓毅.外墻外保溫技術(shù)的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)性分析[J].煤氣與熱力，2005，25(10)：44-46.
[9] 苑文乾.北方地區(qū)部分小城鎮(zhèn)建筑節(jié)能狀況與節(jié)能策略的研究(碩士學(xué)位論文)[D].天津：天津大學(xué)，2006：26-28.
[10] 郝進(jìn)鋒，孫建剛，楊宇，等.寒區(qū)農(nóng)村節(jié)能住宅設(shè)計(jì)及熱工測(cè)試[J].低溫建筑技術(shù)，2010(3)：93-95.
[11] 王蘭，王云山，高玲.外窗對(duì)寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能的影響[J].煤氣與熱力，2009，29(12)：A11-A17.
[12] 盧玫珺，王桂秀，范伊.寒冷地區(qū)既有農(nóng)村住宅節(jié)能改造方案優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].新型建筑材料，2009(10)：46-47.
 
(本文作者：王昌鳳1 范國(guó)強(qiáng)2 呂建1 任繩鳳1 1.天津城市建設(shè)學(xué)院 能源與機(jī)械工程系 天津 300384；2.天津城市建設(shè)學(xué)院 建筑設(shè)計(jì)研究院 天津 300384)