寒冷地区乡村既有住宅建筑节能改造研究＊

陈 雪 ，马红杰

（1.内蒙古工业大学建筑学院，内蒙古 呼和浩特 010051；2.内蒙古自治区绿色建筑重点实验室，内蒙古 呼和浩特 010051；3.北京市规划和自然资源委员会，北京 101160）

0 引言

国家“十四五”规划纲要中，要求加快绿色转型发展、重视生态文明建设，绿色发展已经成为我国现阶段重要的发展理念，是指导规划建设的基本原则和依据。党的“十九大”报告提出，要把美丽乡村建设作为城乡建设的重点。乡村居民对于室内舒适度的需要与农村落后的建设条件之间形成了矛盾，落后的建设条件导致了农村住宅建筑能源高度消耗的现象。根据《中国建筑能耗研究报告》（2020）数据显示，我国建筑总能耗为21.47亿tce，其中农村建筑运行阶段的能耗为2.38亿tce，农村居住建筑碳排放量占全国能源碳排放的21%，并且农村居住建筑碳排放强度一直保持增长趋势。为了改善全国总能耗的现状，乡村居住建筑的能耗问题是解决的重点。

1 寒冷地区乡村住宅建筑节能问题

寒冷地区乡村住宅的能源浪费可以分为建筑围护结构的能量损失以及获取能源方式自身的高耗能。冬季，室内热度向外流失、取暖耗材使用不合理导致能源浪费；夏季，室外热度向室内扩散，因舒适度降低而采取主动制冷技术导致能源浪费。从《中国建筑能耗研究报告》（2020）可以看出，我国建筑耗能主要在于寒冷地区的冬季采暖，所以要重点关注乡村住宅冬季节能的问题。

我国幅员辽阔，不同采暖地区所面临的住宅节能问题也不尽相同。如北京房山农村地区的住宅建筑基本不采取保温设计，南向的窗墙比平均0.6，窗口的热损失很大。宁夏地区农宅的建造材料选用茅草泥屋面和生土砖块，这类材料导热系数大、厚度薄，并且围护结构没有采取任何保温措施。“三北”地区农房保温隔热性能差，室内污染严重，为了追求城市化的用能模式，盲目地用燃煤来取代生物质能。西北地区农宅建筑屋顶大多未进行保温，冬季的采暖能耗高，室内温度低、热舒适性差。西部乡村的居民缺少对于本地材料与建造形式的认同感，一味模仿城市建筑的框架结构而导致需要更多的能耗才能维持室内的舒适性。有的地区小型燃煤锅炉的热效率很低，产生的热量大部分从锅炉浪费流失。尽管各个地区所出现的能源消耗问题各不相同，但共性问题更多：建造所使用的建筑材料比较落后，材料的保温隔热性质较差；建造技术也较为落后，很少有住宅建筑使用绿色建材和节能技术；建造农宅时，围护结构基本不采取保温措施；在燃料使用上不能因地制宜，盲目追求燃煤燃气。

2 寒冷地区乡村住宅节能研究方法与策略

2.1 农宅围护结构节能措施

围护结构的能量散失在整个能源消耗中占有很大比重，尤其是墙体窗口部分以及屋顶部分，在冬季采暖期间热量散失较为严重。在农宅围护结构节能改造方面，由于国内外各个地区所处的自然环境差异较大，所以不同农村地区住宅围护结构节能技术也各不相同。

我国寒冷地区冬季围护结构节能技术的研究多采用实地调研测试、建筑模型模拟分析、问卷调查等方法。北京房山区农宅在窗口处理方面用三玻塑钢窗代替单层木窗，为了降低窗户的传热系数，可以采用增加窗的层数，用密封性能好的塑钢窗等方法；在门口处理方面可以加设门斗或使用保温门，保温门的传热系数不应大于2.0W（/m2·K）。在宁夏农村地区，为了防止农宅门窗透风，可以使用单框双玻塑钢窗，在室内一侧增加密闭性，在室外一侧留有适当缝隙，避免玻璃表面出现结露。“三北”地区大力推广烧结非黏土多孔砖、加气混凝土、EPS板、中空玻璃等节能材料的使用。为了提高热阻，西藏地区农宅主要采用增加夯土的厚度，将壁厚适当调整至500mm，采用60mm和40mm厚的聚苯板对南侧砖墙和烟道进行保温，使用双层玻璃及太阳房被动式节能技术。由此可以看出，增加围护结构的蓄热性能、加强围护结构的热桥保温是寒冷地区农宅冬季墙体节能的主要措施，门窗洞口处保温要加强气密性、减小门窗传热系数。寒冷地区夏季的节能以通风隔热为主，可将屋顶做成通风间层或采用兜风檐口等做法。

适用于非透明围护结构保温材料主要有5种：挤塑聚苯乙烯、膨胀聚苯乙烯、玻璃棉、岩棉和聚氨酯（见图1）。挤塑聚苯乙烯的优点是轻质、物理性能好、吸水率低、导热系数低，缺点是防火等级低（B2或以下）、不透气、易脱落、寿命短、耐温低（45℃以下）、热缩，适用范围为外墙和内墙的保温。岩棉的优点为防火等级高，为A（A1）级，耐高温、耐酸碱、寿命长，缺点为施工难、吸水率高、易变形、导热系数高、物理性能差、密度大。国家对于保温材料防火的A级规定和工业对于耐高温材料的需求是岩棉的市场机遇，其适用范围是工业防火、夹墙填充、屋顶、彩钢夹芯。聚氨酯的优点为轻质（35～50kg/m3）、热固、耐高温（120～150℃）、导热系数低、吸水率低、物理性能好、寿命长、耐酸碱、易施工，缺点为防火性能差，防火等级为B（B1、B2）级，价格高。国家对热缩性材料的限制使聚氨酯保温板优势明显，适用范围为外墙、内墙、彩钢夹芯，其在2012年被住房和城乡建设部列为需要大力推广的新型建筑保温材料。膨胀聚苯乙烯的优点为质量轻、能够回收利用、表面吸水率低、抗冲击能力较好，缺点为易燃且施工过程繁琐、施工周期长。玻璃棉的优点为防火等级高（为A级不燃材料）、导热系数低、体积密度小自重轻、具有阻燃作用、抗拉抗震性能好、吸声效果好、材质易于剪裁、可循环使用，缺点是易碎、耐磨性差。

图1 围护结构保温材料

我国墙体保温工程中，膨胀聚苯乙烯的使用率在70%以上，挤塑聚苯乙烯使用率在8%～10%，岩棉和玻璃棉的使用率分别在6%和3%。透明围护结构保温节能玻璃有热反射玻璃、Low-e玻璃、中空/真空玻璃和镀膜玻璃。

2.2 新能源节能措施

1）利用太阳能节能技术 乡村住宅相比于城市住宅来说更适合利用自然环境降低能耗，尤其是太阳能。农村住宅多为自带院落的平房，在寒冷地区，冬季的采暖与采光可以最大程度地利用太阳能。在西北农村太阳能资源充沛的地区，大力推行被动式太阳能采暖技术可以减少农宅的燃煤消耗。被动式太阳能技术有直接获取式和附加阳光间（见图2，3）等方式。被动式太阳能技术可以利用自然采光减少照明能耗，室内使用浅颜色可将光反射到深处，天窗增加反光板可将太阳光反射到室内。主动式太阳能节能措施主要为太阳能热水系统及太阳能板发电系统，农村平房院落的条件有利于安装各种太阳能集热设施。

图2 附加阳光间供上层采暖

图3 附加阳光间加吊扇

2）其他类型能源节能技术 可再生资源例如生物质材料、农业生产废料、动植物废弃物等，在寒冷地区部分农村，这些都是丰富的沼气生产资源。沼气可用来取暖、照明、做饭，沼液和沼渣含有许多有机营养成分，可用作农作物肥。西部地区农村当地盛产的黄连植物秸秆可作为沼气原料，为村民提供部分炊事能源，同时又可以为照明、用热等提供方便。生物质能丰富的地区可以继续延续传统的以生物质能为主的用能方式，而不应该盲目使用燃煤或天然气以追求城市化效果。寒冷地区的许多农村仍然沿用火炉、火炕类传统的供暖方式，这类传统的供暖方式应该予以保留，因地制宜的供热方式更能减少当地的能源消耗。

3 寒冷地区乡村住宅节能改造实例

选取我国河北省农村住宅作为研究实例。该地区紧邻北京通州区东部，受北京四合院的影响，该地区的农宅建筑形式与一般寒冷地区的平屋顶建筑不同，屋顶为坡屋顶。该地区农村发展较快，传统的火炉、火炕早已停用，又由于国家政策要求，燃煤也被燃气取代，居民冬季取暖所用能源均为天然气。对既有农宅进行节能改造，主要考虑围护结构的改善以及对太阳能的利用（见图4）。

图4 农宅附加阳光间

围护结构节能改造要结合建筑特点并且考虑居民室内体感舒适度的特殊性。由于农村居民室内与室外活动交互频繁，所以要保证即使在室内温暖的条件下也不与室外温差过大。现有墙体的保温改造可选用外保温方式，在建筑北墙外侧加聚苯板保温层，窗户可更换为单框铝合金、中空玻璃窗。屋顶由于为坡屋顶形式，材料为木质桁架、瓦片、茅草，外保温无法实现，因此可在室内吊顶层外做内保温结构。将聚苯乙烯颗粒包装成小袋铺（平均厚度为10～15cm）在吊顶上，这种方法不影响吊顶的原有结构但影响室内美观。太阳能热水集热是目前农村对太阳能最大的利用，而太阳能板的使用几乎没有，原因在于居民的太阳能利用意识不强以及太阳能板的安装耗费资金与回报不成比例。在被动式太阳能利用方面，可以在农宅南向外加阳光间。

4 结语

我国寒冷地区乡村既有住宅建筑能耗损失的主要原因在于冬季采暖期建筑热量的流失，其原因是住宅建筑围护结构保温性能差以及能源利用效率不高。寒冷地区乡村住宅节能改造技术主要包括增加砖墙外保温或夯土墙厚、设置双层窗户、加设外门门斗、利用被动式太阳能技术、使用主动式太阳能技术等。对于寒冷地区乡村住宅的节能改造方向、夏季空调节能方面的研究，同样可作为乡村住宅建筑节能的研究重点。