天津农村住宅围护结构调研及节能设计

摘 要

摘要：针对天津农村住宅普遍存在的能耗高、室内舒适度差等问题，通过对农村住宅的体形系数、窗墙比、围护结构传热系数的分析，提出适合天津农村住宅的围护结构节能设计方案。建议
摘要：针对天津农村住宅普遍存在的能耗高、室内舒适度差等问题，通过对农村住宅的体形系数、窗墙比、围护结构传热系数的分析，提出适合天津农村住宅的围护结构节能设计方案。建议采用天然材料和适宜的技术，以耗费最少的资源，实现农村住宅节能目标。
关键词：农村住宅；围护结构；体形系数；窗墙比；传热系数
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
    新型农村住宅建设是社会主义新农村建设的一个重要方面。随着收入水平的提高，农村居民对改善居住条件的意愿越来越强烈。我国农村每年新增住宅面积约8×108m2，且绝大多数为自建[1]。自建农村住宅普遍存在着能耗高、室内环境舒适度差等问题。
    为了解天津农村住宅的能耗现状，笔者通过发放问卷、入户调研、现场测试的方法，对天津蓟县、武清区周边40户农村住宅进行了实地调研。调研发现，天津农村住宅基本经历了两个发展时期[2]：第一个发展时期为20世纪80—90年代，农村住宅多为单层砖房，建筑面积为80～120m2，东西走向为11～18m，南北走向为6～8m，2间卧室，坐北朝南，南北向均有开窗，室内有穿堂风通过，北向一般不设储藏间等辅助用房。此类建筑共计24户，占样本数的60%。第二个发展时期为20世纪90年代末至现在，农村住宅同样以单层砖房为主，建筑面积为90～180m2，东西走向为12～22m，南北走向为10～12m，南向开窗面积较大，北向开窗面积较小，前出走廊。中央一间为起居室，东西两侧各有1～2间卧室，北侧增加了辅助用房，如厨房、储藏间、餐厅、洗浴间等。此类建筑共计16户，占样本数的40%。本文结合调研结果，通过对农村住宅体形系数、窗墙比、围护结构传热系数的分析，对农村住宅围护结构节能设计进行探讨。
2 围护结构现状分析
   ① 体形系数、窗墙比较大
   通过调研发现，农村住宅均为独立单体建筑，多采用对称布置。农村居民为了获得更开阔的视野，追求更好的建筑外立面效果，往往导致建筑体形系数和开窗面积不断增加[3～4]。农村住宅体形系数的调研结果见表1。由表1可知，天津农村住宅的体形系数高于DB 29—1—2010《天津市居住建筑节能设计标准》中规定的当建筑低于3层时，体形系数不能超过0.52的限值要求。较大的体形系数对于农村住宅的节能极为不利[5]。
表1 农村住宅体形系数调研结果
体形系数
0.53～0.59
0.60～0.69
0.70～O.73
农村住宅数量/幢
12
8
20
比例/%
30
20
50
    被调研农村住宅的东西向不开窗，而且为了减少北向窗引起的冷风渗透量，北向开窗面积很小，窗墙比为0.08～0.15，低于DB 29—1—2010规定的北向窗墙比的限值0.30，这有利于建筑节能。农村住宅南向窗墙比调研结果见表2。由表2可知，农村住宅南向窗墙比较大，有30%的农村住宅超过了DB 29—1—2010规定的限值0.50。
表2 农村住宅南向窗墙比调研结果
南向窗墙比
0.22～0.35
0.36～0.49
0.50～0.63
农村住宅数量/幢
24
4
12
比例/%
60.0
10.O
30.0
   ② 传热系数高
   农村住宅围护结构及传热系数调研结果见表3。由表3可知，被调研农村住宅的围护结构传热系数均超过DB 29—1—2010规定的限值。
    农村住宅围护结构外墙多采用370mm厚黏土砖墙，外墙外保温技术在农村尚未推广应用。对于屋顶，坡屋顶多采用泥浆混配秸秆以及芦苇作为绝热防水层，未采用其他绝热措施，平屋顶也存在传热系数高的问题。对于外窗，木质单玻窗、铝合金单玻窗各占50%，这两种外窗的价格低廉，加工方便，受到农村居民的欢迎。但这两种外窗的缝隙较大，往往导致冷风渗透量大，造成供暖能耗高、室内热舒适度差[6]。农村住宅围护结构的设计既不能满足节能要求，又不能满足人们对室内舒适度的需要。
表3 农村住宅围护结构及传热系数调研结果
围护结构
形式
结构
传热系数/(W·m-2·K-1)
比例/%
外墙
370mm厚砖混结构
370mm厚黏土砖+内抹20mm厚水泥砂浆
1.58
92.5
240mm厚砖混结构
240mm厚黏土砖+内抹20mm厚水泥砂浆
2.12
7.5
屋顶
坡屋顶
10mm厚红瓦+60mm厚泥浆混配秸秆+90mm厚芦苇
0.87
82.5
平屋顶
20 mm厚膨胀珍珠岩找坡+20mm厚水泥砂浆+120mm
厚预制板+20mm厚水泥砂浆
2.64
17.5
外窗
木质单玻窗
—
5.82
50.0
铝合金单玻窗
—
6.18
50.0
3 围护结构节能设计
   ① 外墙
   对于既有农村住宅，可以进行挤塑聚苯板薄抹灰外墙外保温改造[7～8]，也可以在墙体两侧加抹一定厚度的膨胀珍珠岩或胶粉聚苯颗粒绝热层[9]。
   对于新建农村住宅，可以采用改良后的土坯墙，以增强墙体的抗压、抗剪能力。改良后的土坯墙体材料主要包括墙体砌块(承重黏土多孔砖)、土坯。
    土坯的做法比较简单，用泥浆混配打碎的秸秆，灌注到方形坯模中至晾干。可根据墙体的承重要求调整秸秆与泥浆的比例，以及土坯的尺寸。对于天津农村住宅，秸秆与泥浆的质量比宜达到1：50，土坯的长×宽×高可规定为600mm×420mm×120mm。改良后的土坯墙剖面见图1，图中数值单位为mm。

    改良后的土坯墙与室外空气接触的外层采用240mm厚的承重黏土多孔砖，内层为600mm厚的土坯，内抹20mm厚水泥砂浆及饰面层，土坯的热导率约0.58W/(m·K)。经计算，改良后的土坯墙传热系数约0.72W/(m2·K)，虽然高于DB 29—1—2010规定的限值0.45W/(m2·K)，但在很大程度上降低了农村住宅外墙的传热系数。另外，为了保证承重黏土多孔砖与土坯之间结合紧密，并增强墙体的抗压、抗剪能力，在施工中不仅要求承重黏土多孔砖砌法长短相互结合，还应采用顺砌、丁砌的砌法，并在承重黏土多孔砖与土坯的连接处用适量泥浆混配料填塞缝隙。
    采用改良后的土坯墙建造的住宅绝热性能将大大提高，而且土坯墙利用秸秆等天然材料，可以就地取材，成本低，利于在农村推广。
    ② 地面
    地面作为围护结构的一部分，它的热工性能对室内温度有较大影响[10]。调研发现，农村住宅地面结构简单，多为素土夯实后铺60mm厚混凝土，其上设置20mm厚水泥砂浆抹光面层，或者地砖饰面，绝热性能较差。天津地区冻土层深度为600mm左右，室内地面边缘部分的地下土壤温度变化相当大，不仅造成较大室内温度波动，而且易导致供暖期热损失较大。因此，将农村住宅室内地面分为周边地面和非周边地面。周边地面即距外墙内表面2 m以内的地面，该部分应采取绝热措施，周边地面结构见图2。周边地面以内的地面为非周边地面，这部分地面可不进行绝热处理，非周边地面的结构见图3。

    ③ 屋顶
由调研可知，有82.5%的农村住宅采用坡屋顶，其结构便于设置绝热层。笔者建议农村住宅仍采用坡屋顶，改造后的坡屋顶结构见图4。为了提高屋顶绝热性能，一方面，根据芦苇的承载力，可适当加厚泥浆混配秸秆的厚度至80mm，并调整秸秆与泥浆的质量比至1：50。另一方面，将芦苇加压绑扎成捆，厚度增加到120mm，苇捆下敷设5mm厚芦苇箔，这样既可绝热防水，又可以显著降低屋顶的传热系数。经计算，改造后的屋顶传热系数为0.34W/(m2·K)，小于DB 29—1—2010规定的限值0.35W/(m2·K)。
对于占17.5%的平屋顶，通常采用的绝热措施是将热导率小、吸水率低并具有一定强度的轻质绝热材料设置在防水层与找平层之间。改造后的平屋顶结构见图5。改造后不仅能够有效控制屋顶传热系数，而且能使结构层受到保护而不致受到过大的温度应力，避免结构层内表面结露甚至结冻。

   ④ 门窗
   天津属于寒冷地区，冬季的主导风向为西北风，因此外门尽量设置在南侧。且外门不宜直通室温要求较高的起居室或卧室，而应通向室温要求不高的辅助用房或走廊，这样可以防止冷风直接进入起居室或卧室，引起室内温度波动。若需要连接起居室或卧室时，可以在入口处设置门斗，并避开主导风向。
   在农村住宅中造成外窗热损失有两个途径：一是通过窗的传热耗热；二是由于窗缝隙过大，造成的冷风渗透耗热。因此，窗的设计应以降低传热系数和提高气密性作为主要目标。具体采取的措施为：增加玻璃的层数，降低窗的传热系数。采用密封性能好的塑钢窗取代木窗和铝合金窗，减少冷风渗透。
   窗作为建筑的进、出风口，其位置、大小、形式等都会对室内的通风效果产生较大影响。天津属于寒冷地区，北向为冬季主导风向，增大北向窗面积将增大冷风渗透耗热量，因此应适当减少北向窗面积，并采用中空玻璃。为了尽量获得太阳辐射热，可考虑适当增大南向窗面积。但随着南向窗墙比增大，建筑供暖、空调能耗也会随之增加，同样不利于建筑节能，因此南向窗墙比不宜过大[11]。设计中可适量增大南向窗面积，将木质单玻窗或铝合金单玻窗改为密封和绝热性能好的塑钢双玻窗[12]。
4 结语
    农村住宅节能是贯彻我国建筑节能的重要组成部分，但不能将城市中采用的建筑围护结构节能模式、技术、标准简单地应用于农村。建议采用天然材料和适宜的技术，以耗费最少的资源，实现农村住宅节能目标。
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[12] 卢玫珺，王桂秀，范伊.寒冷地区既有农村住宅节能改造方案优化设计[J].新型建筑材料，2009(10)：46-47.
 
(本文作者：王昌凤1 范国强2 吕建1 任绳凤1 1.天津城市建设学院 能源与机械工程系 天津 300384；2.天津城市建设学院 建筑设计研究院 天津 300384)