严寒地区农宅建筑超低能耗改造技术研究

曲基臣 王丽颖

1 严寒地区农宅建筑现状

1.1 自然特征

我国幅员辽阔，自然主要特征是复杂性和多样性。不同省市地区各有特点，农村风貌均有所差别。随着我国基础建设的不断优化，人们对居住环境的要求越来越高，提倡“绿色宜居”的居住方式。

据《民用建筑热工设计规范》（GB 50176—2016）[1]，严 寒 地 区 分 为A区、B 区和C 区（表1），本文主要讨论严寒C 区即分布于东北地区及内蒙古、新疆、青海、西藏等地的农宅建筑。严寒C 区年温差大，冬季时间长，冻土较厚且伴随降雪，采暖度日数（HDD18）在3800≤HDD18≤5000。

表1 建筑热工二级区划指标及设计原则

1.2 农宅建筑现状

我国严寒地区农村人口众多，受自然环境、人文和历史因素影响，各地方发展也有所不同，但主要以农耕为主。农宅建筑形式变化多样，随着我国经济快速发展，人们生活质量不断提高，根据农户生产和生活的变化不断改造完善，形成适用于当下的农宅建筑形式。农宅建筑的规模取决于宅基地的大小，且农宅建筑面积占用整个宅基地的40%左右。农宅建筑面积越大则建筑内部空间尺度相对越大，功能空间数量也越多，也会根据农户家庭成员来设置。农宅建筑在层数上多以单层农宅为主要形式，自建房高度在3.2 m 左右，最多不超过4 m。农宅建筑形式多以屋面结构形式区分，分为用预制混凝土板制成的平房和瓦片制成的瓦房，也有的用彩钢板制成屋面，构造较为简单。从开间的角度分为2 间、3 间或4 间房。农宅形式大多根据使用者的生活和生产功能进行划分，在使用上分为起居为主的卧室、次间和用于炊事、餐饮的厨房、客厅等构成。农宅建筑的主入口一般设置在南侧中间位置，有后院的也会在北侧设置一个次入口。交通空间联系各个功能空间，且作为主要的家庭公共活动空间、会客空间、餐饮空间使用，一般面积较大。厨房的灶台与卧室的火炕相连，兼顾炊事与采暖功能，卧室一般较大。如今随着社会发展，农村人口比以往少，卧室空间部分闲置，对私密性和舒适度需求较高，多采用隔断进行分隔，分隔出来的房间根据居住者的使用需求，用于储存、会客、书房及梳妆等。存储空间一般设置在北侧，对采光采暖要求较低，多以储存粮食，放置杂物为主。农宅建筑整体构造较差，功能空间使用不明确，舒适度较低。

1.3 外围护结构现状

农宅建筑外围护结构主要包括外墙、门窗、屋顶和地面。严寒地区农宅建筑的外围护结构大多没有保温措施，普遍存在保温性能弱、施工质量差、气密性不良及透风性强的特点，导致农宅建筑整体热工性差，室内热环境舒适度很低。

外墙是农宅建筑中最重要的构件，是热能交换与损失的主要途径，多以土墙和砖墙为主。目前，严寒地区农宅建筑多以实心粘土砖为主要墙体材料，通过水泥砂浆进行砌筑，由于材料获取容易、耐久性强、承重性高及价格相对低廉，且具有一定的防火性、隔热性、防潮性，因而被广泛使用。

门窗是农宅建筑中热损失最大的构件。严寒地区农宅建筑的窗墙普遍较大，且窗户多以木窗和单层的塑钢窗为主，玻璃材质单薄、质量较差。随着时间的推移，如门窗不加以定期维护，将出现腐蚀老化，极易发生形变，且渗雨、结露等现象经常发生，使得墙体发霉，直接降低建筑的使用寿命。

屋顶多以粘土及草坯混合、结合屋面瓦制成的坡屋顶和预制混凝土板制成的平屋顶为主。为保证一定的保温性能，屋顶一般建造得相对较厚，但由于屋面的材料性能低，施工技术差，年久失修，则容易出现渗风、漏水的情况；而且虽然增加了一定厚度，但也无法避免产生较高的能耗。

1.4 能源利用的现状

严寒地区农宅建筑采暖期较长，一般持续5—6 个月，基本以火炕的方式进行采暖，通过燃烧煤炭、玉米秸秆和稻草等获取热能，为起居空间带来温度，并用以烹饪食物和烧热水。采用土暖气也是常见的采暖方式，土暖气由炉子和散热片构成，结合火炕共同供热，一般在采暖季使用，大多以燃煤、燃柴为主要方式。随着人们生活水平的提升，电采暖进入人们的视野，如空调、电暖器等电采暖设备。严寒地区农宅建筑基本都是自行供热，对可再生能源的利用很少。

2 严寒地区农宅建筑超低能耗改造技术概述

2.1 超低能耗的概念

超低能耗建筑是指适应气候特征和自然条件，通过保温性能、隔热性能和气密性能更高的外围护结构，采用高效新风热回收技术，最大程度地降低建筑供暖和供冷需求，并充分利用可再生能源，以更少的能源消耗提供更舒适的室内环境，并能满足绿色基本要求的建筑。

2.2 超低能耗技术设计标准

为贯彻国家有关节约能源、保护环境的法律法规和政策，提高能源利用效率，进一步降低居住建筑能耗，提升居住建筑品质，规范超低能耗居住建筑设计，我国出台了很多标准，但目前仍没有针对严寒地区农宅建筑制定超低能耗相关设计标准。本文针对严寒C 区农宅建筑应用超低能耗改造技术的目前情况进行研究，参考了《建筑节能与可再生能源利用规范》（GB 55015—2021）、吉林省工程建设地方标准《超低能耗居住建筑节能设计标准》（DB22/T 5129-2022）等相关节能规范。

2.3 超低能耗改造技术原则

充分考虑严寒地区农村原有风貌，结合农村传统农宅建筑形式，因地制宜地在原有结构基础上，通过超低能耗技术进行改造，尽量避免对传统农宅原有结构造成破坏，避免采取荷载大的措施进行改造，以充分考虑农宅的安全性、稳定性和实用性。在施工时间方面，避免在雨雪季、寒冷季开展施工；在工艺方面，选择周期相对短、施工更方便的形式进行改造。在材料上，充分考虑改造地域所需材料“有”和“无”的情况，尽量就地取材，着重考虑经济因素，减少材料的运输费用，最好选取性价比高、保温性能强、对施工工艺要求低的材料进行改造[2]。

2.4 严寒地区农宅建筑超低能耗技术改造的可行性

我国正处在全面发展的关键阶段，能源与环境问题与日俱增，解决能源问题成为备受关注的话题。尤其是在严寒地区能源问题严峻的情况下，超低能耗改造技术成为解决农村地区能耗高、环境质量差的问题的必要手段。在政策上，我国针对超低能耗建筑出台的发展政策和经济政策越来越多，旨在大力推动超低能耗建筑发展。在技术方面，随着超低能耗改造技术的日益成熟，国内外超低能耗建筑的数量急剧增加，超低能耗技术领域人才辈出。通过国家现有政策的推行、建筑材料的不断发展，以及技术能力的不断提高，运用超低能耗技术对严寒地区农宅建筑进行改造，具有较大的可行性。

3 严寒地区农宅建筑能耗的影响因素

3.1 外围护结构对农宅能耗的影响

农宅建筑的外围护结构热功性能是影响农宅建筑整体能耗的直接因素，严寒地区农宅建筑热功能性差，所以能耗很高。外墙的传热量占农宅建筑整体能耗的30%～40%，外门窗占60%～70%，屋面占约10%。通过运用超低能耗技术，可以提升农宅建筑外围护结构的热工性能，降低由于外围护结构产生的能耗。

3.2 热桥对农宅能耗的影响

严寒地区农宅建筑的外围护结构由于材料传热系数不同、导热系数不同，以及受室内外温差的影响，在传热过程中，材料的温差较大，导致热流相对密集的区域与主墙体传热相比，成为热量损失的桥梁。严寒地区农宅建筑温差较大，无疑加剧了热桥的产生，在利用超低能耗技术对农宅建筑进行设计改造时要充分考虑热桥问题，避免造成额外的能耗。

3.3 气密性对农宅能耗的影响

严寒地区农宅建筑冷空气的渗透，多是由于外窗和外门性能差（如常用的木门木窗老旧、缝隙大），空气置换加速了室内热量的流失等因素引起。外墙和屋面由于施工质量差或材料使用不当，其围护结构的开裂、破损、老化和发霉等情况屡见不鲜。采取合理的措施对其进行改造，提升外围护结构的气密性，是降低能耗的重要途径。

3.4 可再生能源对农宅能耗的影响

严寒地区农宅建筑大多不使用可再生能源，以直接燃烧煤炭、木柴、秸秆及稻草为主要形式，然而燃料不能充分燃烧，且造成大量的温室气体，严重影响了环境质量。可利用生物质能，通过秸秆、稻草等结合工艺进行燃料加工，形成绿色能源，使其充分燃烧，则不排放污染气体，提升了燃料利用率。可利用太阳能，有一种被动式的利用方法，即采用附加阳光房的方式，通过围合的阳光间储存太阳能，为农宅室内空间存取热能。这种方式既提升了农宅的保温效果，降低了能耗，又丰富了农宅空间的功能性。

4 严寒地区农宅建筑超低能耗改造技术措施

4.1 外墙超低能耗改造技术措施

本文主要研究在保留传统农村农宅建筑风貌的前提下，探讨满足严寒地区农村既有农宅建筑超低能耗改造性能的夹心保温体系的构造做法和无热桥施工方法。采用保温一体化板，将保温与装饰结合在一起，这是现代保温与传统装饰紧密结合在一起的新技术。在外墙超低能耗改造技术中，外墙外保温节能装饰板的问世，引发全国乃至全世界外墙保温行业新一轮的“技术革命”。它以“节能耐用”的领先理念，成为行业中的新一代高科技产品。此外，其价格低，每平方米90 ～120 元，施工方便，不用二次施工，保温层可用岩棉、聚乙烯等材料，传热系数0.213 ～0.360 W/（m2·K），设计厚度120 ～150 mm，大大提高了农宅建筑的保温性能，降低了能耗[3]。

4.2 屋面超低能耗改造技术措施

在对屋面进行超低能耗改造时要拆除原有屋面，只保留屋面基层，防止由于原有屋面潮湿、破损和开裂等问题影响农宅改造的效果。可以根据实际情况，考虑选用以下措施：

1）对于既有或新建农宅的坡屋面，可以先在屋面板上部铺一层薄膜，作为隔气层；然后在隔气层上铺一层苯板或进行聚氨酯喷涂，作为保温层。

2）采用目前常用的屋顶保温方式，即在屋顶上表面铺设一定厚度的松散保温材料（如煤渣、草泥、干草、矿棉、膨胀珍珠岩和膨胀蛭石等），或者板状保温材料（如聚苯板、膨胀珍珠岩板等），外表面做防水处理，可有效提高屋顶的保温性能。

3）北方农村常见的坡屋顶住宅，其内部常设有吊顶，在吊顶上铺设保温层的做法更加简单，而且成本更低。可以使用的保温材料包括麦糠、锯末、膨胀聚苯板和袋装聚苯颗粒等，膨胀聚苯板保温可以与吊顶施工结合处理，以减少板间缝隙，其他几种材料可以直接铺撒在吊顶表面，但应注意防火处理[4]。

4.3 外窗超低能耗改造技术措施

采用更换窗户的方式进行改造，选用传热系数低、性能好的窗户，例如断桥铝、铝木复合窗和塑料窗等；也可以在窗户的选用上进一步优化，例如提升现有单隔断铝木铝窗的保温性能，在现有性能的基础上，通过不同型材组合优化、等温线设计和连接方式设计等手段，重点研究传热系数达到0.8 W/（m2·K）的“铝+木隔断+铝+木隔断+铝”双隔断结构体系的构造做法，融合断桥铝窗强度高、铝包木窗保温性能好的优点，同时避免了断桥铝窗保温性能差、铝包木窗内木需维护修复等缺点。

施工时，需要严格控制热桥问题的产生，在容易产生热桥的部位进行断热桥处理，在一些结构性热桥，如女儿墙部位、外墙与窗户及外墙与屋顶的连接部位采用连续保温，以防止热桥效应；同时，在一些系统性热桥，如与外墙相连的金属结构连接件采用隔热垫块，阻断热量传递[5]。

4.4 可再生能源的利用

太阳能作为最优的可再生能源，取之不尽、用之不竭。严寒地区农宅建筑太阳能资源丰富，利用太阳能是最好的选择，因为其获取简单，操作使用方便。严寒地区农宅建筑的屋面大多闲置，可充分开发并利用农村各类闲置的屋顶资源，发展分布式屋面光伏发电系统。每户装机20 kW 以上，每户屋顶的发电量即可满足农户生活、生产、采暖、家电和汽车等全部用能。可采取“自发自用余量上网”的模式进行利用，剩余约30%进行电力输出，供给其他公共用能，代替传统的燃煤、燃气、燃油和生物质燃料，从而达到节能减排、降低能耗，改善农村地区生活环境的目的。

5 结语

本文通过对农宅建筑超低能耗改造技术进行总结，对存在的现状及问题进行具体研究，并对严寒地区农宅建筑超低能耗改造技术的适用范围加以分析，以期改善农宅建筑外围护结构的保温性能、提高房屋气密性、降低农宅建筑能耗、促进使用可再生能源取代常规燃料。期望科技发展水平的持续提升，使超低能耗建筑的资源消费结构设计得到更多应用，从而减少对不可再生资源的损耗，改善人们的生活质量与环境质量。