天津農村住宅圍護結構調研及節能設計

摘 要

摘要：針對天津農村住宅普遍存在的能耗高、室內舒適度差等問題，通過對農村住宅的體形系數、窗墻比、圍護結構傳熱系數的分析，提出適合天津農村住宅的圍護結構節能設計方案。建議
摘要：針對天津農村住宅普遍存在的能耗高、室內舒適度差等問題，通過對農村住宅的體形系數、窗墻比、圍護結構傳熱系數的分析，提出適合天津農村住宅的圍護結構節能設計方案。建議采用天然材料和適宜的技術，以耗費最少的資源，實現農村住宅節能目標。
關鍵詞：農村住宅；圍護結構；體形系數；窗墻比；傳熱系數
Investigation and Energy-saving Design of Building Envelop for Rural Residential Houses in Tianjin
WANG Changfeng，FAN 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
    新型農村住宅建設是社會主義新農村建設的一個重要方面。隨著收入水平的提高，農村居民對改善居住條件的意愿越來越強烈。我國農村每年新增住宅面積約8×108m2，且絕大多數為自建[1]。自建農村住宅普遍存在著能耗高、室內環境舒適度差等問題。
    為了解天津農村住宅的能耗現狀，筆者通過發放問卷、入戶調研、現場測試的方法，對天津薊縣、武清區周邊40戶農村住宅進行了實地調研。調研發現，天津農村住宅基本經歷了兩個發展時期[2]：第一個發展時期為20世紀80—90年代，農村住宅多為單層磚房，建筑面積為80～120m2，東西走向為11～18m，南北走向為6～8m，2間臥室，坐北朝南，南北向均有開窗，室內有穿堂風通過，北向一般不設儲藏間等輔助用房。此類建筑共計24戶，占樣本數的60%。第二個發展時期為20世紀90年代末至現在，農村住宅同樣以單層磚房為主，建筑面積為90～180m2，東西走向為12～22m，南北走向為10～12m，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，東西兩側各有1～2間臥室，北側增加了輔助用房，如廚房、儲藏間、餐廳、洗浴間等。此類建筑共計16戶，占樣本數的40%。本文結合調研結果，通過對農村住宅體形系數、窗墻比、圍護結構傳熱系數的分析，對農村住宅圍護結構節能設計進行探討。
2 圍護結構現狀分析
   ① 體形系數、窗墻比較大
   通過調研發現，農村住宅均為獨立單體建筑，多采用對稱布置。農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，往往導致建筑體形系數和開窗面積不斷增加[3～4]。農村住宅體形系數的調研結果見表1。由表1可知，天津農村住宅的體形系數高于DB 29—1—2010《天津市居住建筑節能設計標準》中規定的當建筑低于3層時，體形系數不能超過0.52的限值要求。較大的體形系數對于農村住宅的節能極為不利[5]。
表1 農村住宅體形系數調研結果
體形系數
0.53～0.59
0.60～0.69
0.70～O.73
農村住宅數量/幢
12
8
20
比例/%
30
20
50
    被調研農村住宅的東西向不開窗，而且為了減少北向窗引起的冷風滲透量，北向開窗面積很小，窗墻比為0.08～0.15，低于DB 29—1—2010規定的北向窗墻比的限值0.30，這有利于建筑節能。農村住宅南向窗墻比調研結果見表2。由表2可知，農村住宅南向窗墻比較大，有30%的農村住宅超過了DB 29—1—2010規定的限值0.50。
表2 農村住宅南向窗墻比調研結果
南向窗墻比
0.22～0.35
0.36～0.49
0.50～0.63
農村住宅數量/幢
24
4
12
比例/%
60.0
10.O
30.0
   ② 傳熱系數高
   農村住宅圍護結構及傳熱系數調研結果見表3。由表3可知，被調研農村住宅的圍護結構傳熱系數均超過DB 29—1—2010規定的限值。
    農村住宅圍護結構外墻多采用370mm厚黏土磚墻，外墻外保溫技術在農村尚未推廣應用。對于屋頂，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高的問題。對于外窗，木質單玻窗、鋁合金單玻窗各占50%，這兩種外窗的價格低廉，加工方便，受到農村居民的歡迎。但這兩種外窗的縫隙較大，往往導致冷風滲透量大，造成供暖能耗高、室內熱舒適度差[6]。農村住宅圍護結構的設計既不能滿足節能要求，又不能滿足人們對室內舒適度的需要。
表3 農村住宅圍護結構及傳熱系數調研結果
圍護結構
形式
結構
傳熱系數/(W·m-2·K-1)
比例/%
外墻
370mm厚磚混結構
370mm厚黏土磚+內抹20mm厚水泥砂漿
1.58
92.5
240mm厚磚混結構
240mm厚黏土磚+內抹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
厚預制板+20mm厚水泥砂漿
2.64
17.5
外窗
木質單玻窗
—
5.82
50.0
鋁合金單玻窗
—
6.18
50.0
3 圍護結構節能設計
   ① 外墻
   對于既有農村住宅，可以進行擠塑聚苯板薄抹灰外墻外保溫改造[7～8]，也可以在墻體兩側加抹一定厚度的膨脹珍珠巖或膠粉聚苯顆粒絕熱層[9]。
   對于新建農村住宅，可以采用改良后的土坯墻，以增強墻體的抗壓、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。
    土坯的做法比較簡單，用泥漿混配打碎的秸稈，灌注到方形坯模中至晾干。可根據墻體的承重要求調整秸稈與泥漿的比例，以及土坯的尺寸。對于天津農村住宅，秸稈與泥漿的質量比宜達到1：50，土坯的長×寬×高可規定為600mm×420mm×120mm。改良后的土坯墻剖面見圖1，圖中數值單位為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，內層為600mm厚的土坯，內抹20mm厚水泥砂漿及飾面層，土坯的熱導率約0.58W/(m·K)。經計算，改良后的土坯墻傳熱系數約0.72W/(m2·K)，雖然高于DB 29—1—2010規定的限值0.45W/(m2·K)，但在很大程度上降低了農村住宅外墻的傳熱系數。另外，為了保證承重黏土多孔磚與土坯之間結合緊密，并增強墻體的抗壓、抗剪能力，在施工中不僅要求承重黏土多孔磚砌法長短相互結合，還應采用順砌、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，利于在農村推廣。
    ② 地面
    地面作為圍護結構的一部分，它的熱工性能對室內溫度有較大影響[10]。調研發現，農村住宅地面結構簡單，多為素土夯實后鋪60mm厚混凝土，其上設置20mm厚水泥砂漿抹光面層，或者地磚飾面，絕熱性能較差。天津地區凍土層深度為600mm左右，室內地面邊緣部分的地下土壤溫度變化相當大，不僅造成較大室內溫度波動，而且易導致供暖期熱損失較大。因此，將農村住宅室內地面分為周邊地面和非周邊地面。周邊地面即距外墻內表面2 m以內的地面，該部分應采取絕熱措施，周邊地面結構見圖2。周邊地面以內的地面為非周邊地面，這部分地面可不進行絕熱處理，非周邊地面的結構見圖3。

    ③ 屋頂
由調研可知，有82.5%的農村住宅采用坡屋頂，其結構便于設置絕熱層。筆者建議農村住宅仍采用坡屋頂，改造后的坡屋頂結構見圖4。為了提高屋頂絕熱性能，一方面，根據蘆葦的承載力，可適當加厚泥漿混配秸稈的厚度至80mm，并調整秸稈與泥漿的質量比至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5mm厚蘆葦箔，這樣既可絕熱防水，又可以顯著降低屋頂的傳熱系數。經計算，改造后的屋頂傳熱系數為0.34W/(m2·K)，小于DB 29—1—2010規定的限值0.35W/(m2·K)。
對于占17.5%的平屋頂，通常采用的絕熱措施是將熱導率小、吸水率低并具有一定強度的輕質絕熱材料設置在防水層與找平層之間。改造后的平屋頂結構見圖5。改造后不僅能夠有效控制屋頂傳熱系數，而且能使結構層受到保護而不致受到過大的溫度應力，避免結構層內表面結露甚至結凍。

   ④ 門窗
   天津屬于寒冷地區，冬季的主導風向為西北風，因此外門盡量設置在南側。且外門不宜直通室溫要求較高的起居室或臥室，而應通向室溫要求不高的輔助用房或走廊，這樣可以防止冷風直接進入起居室或臥室，引起室內溫度波動。若需要連接起居室或臥室時，可以在入口處設置門斗，并避開主導風向。
   在農村住宅中造成外窗熱損失有兩個途徑：一是通過窗的傳熱耗熱；二是由于窗縫隙過大，造成的冷風滲透耗熱。因此，窗的設計應以降低傳熱系數和提高氣密性作為主要目標。具體采取的措施為：增加玻璃的層數，降低窗的傳熱系數。采用密封性能好的塑鋼窗取代木窗和鋁合金窗，減少冷風滲透。
   窗作為建筑的進、出風口，其位置、大小、形式等都會對室內的通風效果產生較大影響。天津屬于寒冷地區，北向為冬季主導風向，增大北向窗面積將增大冷風滲透耗熱量，因此應適當減少北向窗面積，并采用中空玻璃。為了盡量獲得太陽輻射熱，可考慮適當增大南向窗面積。但隨著南向窗墻比增大，建筑供暖、空調能耗也會隨之增加，同樣不利于建筑節能，因此南向窗墻比不宜過大[11]。設計中可適量增大南向窗面積，將木質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 結語
    農村住宅節能是貫徹我國建筑節能的重要組成部分，但不能將城市中采用的建筑圍護結構節能模式、技術、標準簡單地應用于農村。建議采用天然材料和適宜的技術，以耗費最少的資源，實現農村住宅節能目標。
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(本文作者：王昌鳳1 范國強2 呂建1 任繩鳳1 1.天津城市建設學院 能源與機械工程系 天津 300384；2.天津城市建設學院 建筑設計研究院 天津 300384)