■肖求波 XIAO Qiubo 賀 永 HE Yong 劉 煜 LIU Yu 吳曉楠 WU Xiaonan

0 引言

陜南地區(qū)屬于夏熱冬冷地區(qū)，總體上屬山地暖溫帶濕潤季風(fēng)氣候[1]。據(jù)當(dāng)?shù)鼐用窠榻B，該地冬無嚴(yán)寒、夏無酷暑，氣候宜人。但是，近年來受全球氣候變化影響，當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁爻噬仙厔?，夏季高溫天氣持續(xù)增加，極端氣候和暴雨頻次較往年有所增長[2]。

自2010 年以來，在鄉(xiāng)村振興和移民搬遷政策的指導(dǎo)下，陜南地區(qū)大量居民從山區(qū)搬遷至城鎮(zhèn)和中心村定居。村民修建大量的農(nóng)宅以滿足自身住房需求，且其中大部分農(nóng)宅由村民自己設(shè)計和建造[3]。由于當(dāng)?shù)厥┕り犉毡槿鄙俳ㄖ匾庾R，且當(dāng)?shù)丶扔修r(nóng)宅也很少使用保溫材料，因此，這些農(nóng)宅的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能普遍較差。隨著生活條件的改善，當(dāng)?shù)鼐用衿毡槭褂梅煮w式空調(diào)進(jìn)行夏季制冷和冬季采暖，但因由于建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能較差且空調(diào)的調(diào)節(jié)能力有限，大部分農(nóng)宅均會配置多個空調(diào)（幾乎每一個主要功能房間配一個空調(diào)），造成了大量的能源浪費(fèi)和污染。在此背景下，如何提升陜南地區(qū)農(nóng)宅外圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能，已成為一個重要的研究內(nèi)容。

陜南地區(qū)是我國貧困地區(qū)之一[4]，因此，對當(dāng)?shù)剞r(nóng)宅的節(jié)能改造，不能采取高技術(shù)和高經(jīng)濟(jì)投入的方式。通過實(shí)地調(diào)查，當(dāng)?shù)夭糠洲r(nóng)宅使用的平加坡屋頂具有較好的改造潛力，可以在有限的經(jīng)濟(jì)投入基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)較好的節(jié)能效果。

1 平加坡屋頂?shù)母拍?/h2>

當(dāng)代農(nóng)宅平加坡屋頂?shù)淖龇▉碜杂诋?dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)農(nóng)宅智慧。陜南地區(qū)傳統(tǒng)農(nóng)宅多使用夯土墻和木架結(jié)構(gòu)，因?yàn)楫?dāng)?shù)貧夂驖駶櫋⒔涤觐l繁，坡屋頂有利于保護(hù)墻體免受雨水沖刷。在當(dāng)代農(nóng)宅建設(shè)中，則普遍采用預(yù)制混凝土板搭建平屋頂，并在屋頂上鋪設(shè)防水層。但是，這一做法的防水性能有限，在當(dāng)?shù)亟涤觐l繁的氣候環(huán)境下，屋頂滲水、墻面滲水等現(xiàn)象時有發(fā)生。當(dāng)?shù)鼐用窠梃b傳統(tǒng)農(nóng)宅智慧，在平屋頂之上加蓋一個坡屋頂以解決防水問題，這就是平加坡屋頂（圖1）。

圖1 平加坡屋頂構(gòu)造圖

實(shí)地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)農(nóng)宅相對于當(dāng)代農(nóng)宅具有較好的保溫性能。一方面，傳統(tǒng)農(nóng)宅使用的夯土墻具有較好的蓄熱性能和隔熱性能；另一方面，傳統(tǒng)農(nóng)宅的屋頂做法也更有利于保溫，充分體現(xiàn)了當(dāng)?shù)鼐用竦闹腔?。陜南傳統(tǒng)農(nóng)宅會設(shè)置閣樓用于儲存，因?yàn)殚w樓通風(fēng)條件較好且十分干燥，也兼做夏季臥室。閣樓的地板一般采用在木梁之上鋪設(shè)緊密排布的木板，并在木板之上夯筑密實(shí)的黃土，在黃土中摻入秸稈以增強(qiáng)其牢固程度。如此一來，傳統(tǒng)農(nóng)宅的屋頂構(gòu)成包含3 部分：第一部分是用于防水的坡屋頂；第二部分是用于承重和保溫的夯土樓板；第三部分則是介于坡屋頂和夯土樓板之間的空氣層。這3 部分構(gòu)成了室內(nèi)環(huán)境和室外環(huán)境之間的“緩沖層”（圖2）。本文對當(dāng)代平加坡屋頂保溫性能的思考也源自于對傳統(tǒng)農(nóng)宅屋頂?shù)挠^察。

圖2 陜南傳統(tǒng)農(nóng)宅及其建筑構(gòu)造

2 平加坡屋頂與平屋頂?shù)谋匦阅鼙容^

預(yù)制混凝土板平屋頂施工簡便、價格低廉，普遍使用于陜南地區(qū)當(dāng)代農(nóng)宅的建設(shè)中。但這種屋頂構(gòu)造的防水性能和熱工性能都很差。為了改善農(nóng)宅防水，許多居民在屋頂上加蓋坡屋頂，使用的屋面材料包括彩鋼板、小青瓦和機(jī)制瓦。經(jīng)調(diào)研，使用機(jī)制瓦和小青瓦的加建方式一般是在外墻上砌筑一堵矮墻，矮墻之上搭建木檁條，在檁條之上鋪設(shè)掛瓦片和瓦。如果對該屋頂構(gòu)造進(jìn)行一定的保溫處理，可以提升屋頂?shù)臒峁ば阅堋?/p>

平加坡屋頂比平屋頂多了一個空氣間層，使得原有平屋頂?shù)耐獗砻娌辉僦苯咏佑|室外空氣，而是經(jīng)過坡屋頂內(nèi)部的空氣層進(jìn)行緩沖；且增設(shè)坡屋頂所采用的木構(gòu)架、瓦片和頁巖磚墻都是蓄熱材料，能夠改善屋頂?shù)恼w蓄熱性能。筆者認(rèn)為，在此基礎(chǔ)上，在平屋頂部分再鋪設(shè)一層保溫板，則可以使該屋頂?shù)臒峁ば阅艿玫礁@著的提升。

2.1 實(shí)驗(yàn)對象選取

為了對比相同情況下，經(jīng)節(jié)能改造的平加坡屋頂和平屋頂之間的保溫性能差異，本文選取陜南寧強(qiáng)地區(qū)某居民安置點(diǎn)的2個農(nóng)宅作為研究對象。2 個農(nóng)宅具有相似的平面構(gòu)造、朝向和外墻構(gòu)造，其中，平加坡屋頂農(nóng)宅為實(shí)驗(yàn)農(nóng)宅，平屋頂農(nóng)宅為對比農(nóng)宅（圖3、4）。選取2 個農(nóng)宅西北向臥室作為測試房間，并分別命名為1號測試房間（T1）和2號測試房間（T2）。

圖3 采用平屋頂?shù)膶Ρ绒r(nóng)宅

圖4 采用平加坡屋頂?shù)膶?shí)驗(yàn)農(nóng)宅

2.2 測試過程

選取夏季8 月21—26 日、冬季12 月6—12 日，對實(shí)驗(yàn)農(nóng)宅和對比農(nóng)宅屋頂?shù)母鞅砻鏈囟群蜏y試房間的室內(nèi)外溫度進(jìn)行測量，擬通過各屋頂表面溫度的變化趨勢，探討平加坡屋頂?shù)谋粍邮礁魺嵝阅堋?/p>

測試內(nèi)容包括：實(shí)驗(yàn)農(nóng)宅坡屋頂及平屋頂部分的上、下表面溫度，1號測試房間的室內(nèi)外溫濕度、風(fēng)速和黑球溫度；對比農(nóng)宅平屋頂上下表面溫度和2 號測試房間的室內(nèi)溫濕度、風(fēng)速和黑球溫度。

測試過程中，測試房間始終處于密閉狀態(tài)，除工作人員讀取測試數(shù)據(jù)外無人員出入；且測試所使用的儀器保持一致，測試點(diǎn)位置亦保持一致。同時，夏季測試時，為了更好地研究平加坡屋頂?shù)母魺嵝Ч? 個測試房間均無制冷措施；冬季測試時，則在2 個測試房間采用變頻電子加熱器，將室內(nèi)溫度控制在18 ℃，以研究平加坡屋頂?shù)谋匦Ч?/p>

預(yù)研究顯示，當(dāng)?shù)鼐用褡越ㄞr(nóng)宅的平加坡屋頂沒有封閉坡屋頂和平屋頂之間的空氣層，導(dǎo)致該屋頂構(gòu)造的隔熱和保溫效果相對于平屋頂并無顯著優(yōu)勢。因此，本研究對測試農(nóng)宅的平加坡屋頂進(jìn)行必要的改造，具體內(nèi)容為：①在平加坡屋頂內(nèi)部鋪設(shè)50 mmXPS 帶錫箔紙的保溫巖棉板；②使用普通防雨布以遮擋平加坡屋頂通風(fēng)口，使通風(fēng)口夏季可以打開，冬季則可以封閉。

測試所使用的儀器均符合《建筑熱環(huán)境測試方法標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ/T 347—2014）[5]的相關(guān)要求（表1）。測試過程中的部分儀器安置如圖5 所示，測點(diǎn)位置如圖6 所示。

圖5 測試過程中部分儀器安置

圖6 測點(diǎn)位置分布圖

表1 使用儀器信息表

2.3 夏季測試結(jié)果與分析

為了便于研究，選取測試過程中的典型日期進(jìn)行對比分析。夏季選取時間為8 月23 日，天氣晴朗，微風(fēng)。當(dāng)日室外最高溫度為32.8 ℃，出現(xiàn)在13:50；最低溫度為20.8 ℃，出現(xiàn)在早晨6:50；平均溫度為25.7 ℃，晝夜溫差為12 ℃。

2.3.1 平加坡屋頂測試結(jié)果分析

從圖7 可以看出：①實(shí)驗(yàn)農(nóng)宅平加坡屋頂?shù)纳媳砻鏋闄C(jī)制瓦，該表面溫度在太陽出來之前比室外溫度約低4 ℃，在太陽出來之后，琉璃瓦屋面升溫迅速，且最高能升溫至57 ℃，出現(xiàn)時間為14:20；而平加坡屋頂內(nèi)部的空氣溫度變化幅度則小得多，且與平屋頂部分的上表面溫度接近。②平屋頂部分上表面最高溫度為36.3 ℃，出現(xiàn)在14:20；最低溫度為22.5 ℃，出現(xiàn)時間為早晨6:50；平均溫度為28.2 ℃。③平屋頂部分下表面最高溫度為27.8 ℃，出現(xiàn)時間為19:50；最低溫度為26 ℃，出現(xiàn)時間為上午10:00；平均溫度為26.9 ℃。④1 號測試房間的室內(nèi)溫度變化較為平緩，最高溫度為29.2 ℃，出現(xiàn)在18:40；最低溫度為25.7 ℃，出現(xiàn)在上午9:30；平均溫度為27 ℃，晝夜溫差為3.5 ℃。

圖7 平加坡屋頂各測點(diǎn)夏季溫度變化圖

結(jié)果顯示，平屋頂部分對外界溫度具有顯著的延遲效果。

2.3.2 平屋頂測試結(jié)果分析

從圖8 可以看出：①對比農(nóng)宅的平屋頂上表面溫度最高溫度為42.3 ℃，出現(xiàn)在14:00；最低溫度為22 ℃，出現(xiàn)在早上6:20；平均溫度為30 ℃。②該屋頂下表面最高溫度為41.1 ℃，出現(xiàn)在18:00；最低溫度為26.2 ℃，出現(xiàn)在早晨8:00；平均溫度為26.2 ℃。③2 號測試房間室內(nèi)最高溫度為33.5 ℃，出現(xiàn)在18:20；最低溫度為27.6，出現(xiàn)在早晨7:10；平均溫度為29.6 ℃，晝夜溫差為6 ℃。

圖8 平屋頂各測試點(diǎn)夏季溫度變化圖

2.3.3 結(jié)果對比

從上述測試結(jié)果可以看出：①在相同環(huán)境下，1 號測試房間的室內(nèi)平均溫度低于2 號測試房間（約2.7 ℃）；②1 號測試房間的晝夜溫差也低于2號測試房間（約2.5 ℃）；③平屋頂對室外溫度具有較好延遲作用，從而避免了室內(nèi)溫度隨室外溫度劇烈變化；④平加坡屋頂?shù)母魺嵝阅苊黠@優(yōu)于平屋頂，這是因?yàn)槠郊悠挛蓓數(shù)碾p層屋面對太陽輻射遮擋效果更顯著，且屋頂采用的蓄熱材料對溫度上升具有較好的延遲效果。

2.4 冬季測試結(jié)果

冬季測試過程中，2 個測試房間均采用同一型號的變頻加熱器對室內(nèi)進(jìn)行加熱，根據(jù)《民用建筑熱工設(shè)計 規(guī) 范》（GB 501761—2016）[6]的相關(guān)要求，室內(nèi)采暖設(shè)定溫度為18 ℃。變頻加熱器的工作特點(diǎn)是，它會根據(jù)室內(nèi)溫度調(diào)整自身加熱功率，從而使室內(nèi)溫度維持在一個相對恒定的水平。測試時，使用一個電子電能表記錄加熱器的電能消耗。本文通過將電能消耗轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)煤并除以建筑面積，來計算單位建筑面積能耗（kg/ m2）。通過對比2 個測試房間的單位建筑面積能耗差異，可以反映出屋頂保溫性能的差異。

標(biāo)準(zhǔn)煤轉(zhuǎn)化公式采用《農(nóng)村住宅用能核算標(biāo)準(zhǔn)》（CECS 309：2012）[7]的相關(guān)要求。即：

式中，Qdn為電能的標(biāo)準(zhǔn)煤折算量（kg）；kdn為標(biāo)準(zhǔn)煤折算系數(shù)，取308 g/(kWh)；Ndn為電能的使用量（kWh）。

本文選取12 月10 日的測試結(jié)果為代表，分析各測點(diǎn)溫度變化。該日天晴、微風(fēng)，室外最高溫度為21.1 ℃，出現(xiàn)在15:30；最低溫度為-1.1 ℃，出現(xiàn)時間為早晨7:50；室外平均溫度為7 ℃，晝夜溫差為22.2 ℃。

2.4.1 平加坡屋頂測試結(jié)果分析

如圖9 所示：①平加坡屋頂?shù)纳媳砻孀畹蜏囟葹?5.6 ℃，最高溫度為25.2 ℃，溫度變化幅度較大，且隨室外溫度變化明顯。②平屋頂部分，上表面最高溫度為15 ℃，最低溫度為3.4 ℃，平均溫度為8.4 ℃；下表面最高溫度為19.4 ℃，最低溫度為16.5 ℃，平均溫度為18.4 ℃。③1 號測試房間室內(nèi)最高溫度為18.8 ℃，最低溫度為16.8 ℃，平均溫度為18.3 ℃?？梢钥闯?，室內(nèi)溫度基本維持穩(wěn)定，但在測試人員于15:40 進(jìn)入室內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取時，有一些擾動，之后恢復(fù)正常。

圖9 平加坡屋頂各測試點(diǎn)冬季溫度變化圖

電能表讀數(shù)顯示，在室內(nèi)維持18 ℃的過程中，1 號測試房間的單日平均電能消耗為34.9 kWh。該房間面積為14 m2，按照標(biāo)準(zhǔn)煤折算，可知其單位建筑面積標(biāo)準(zhǔn)煤耗為0.77 kg/m2。

2.4.2 平屋頂測試結(jié)果分析

由圖10 可以看出：①平屋頂上表面最高溫度為12.1 ℃，最低溫度為0.4 ℃，平均溫度為5.7 ℃；②下表面最高溫度為20.9 ℃，最低溫度為13.8 ℃，平均溫度為16.9 ℃；③2 號測試房間室內(nèi)最高溫度為18.9 ℃，最低溫度為16.2 ℃，平均溫度為17.6 ℃。結(jié)果表明，在加熱器持續(xù)工作的狀態(tài)下，2 號測試房間的溫度也難以維持在穩(wěn)定水平，而是隨室外溫度變化出現(xiàn)緩慢的變化，在夜晚，其室溫難以達(dá)到18 ℃。

圖10 平屋頂各測試點(diǎn)冬季溫度變化圖

電能表讀數(shù)顯示，在設(shè)定室內(nèi)維持18 ℃的過程中，2 號測試房間的單日平均電能消耗為48.5 kWh。該房間面積為11 m2，按照標(biāo)準(zhǔn)煤折算，可知其單位建筑面積標(biāo)準(zhǔn)煤耗為1.07 kg/m2。

2.4.3 結(jié)果對比

上述測試結(jié)果表明：①在室內(nèi)設(shè)置加熱器的情況下，1 號測試房間室內(nèi)溫度能夠較好地維持在18 ℃，而使用平屋頂?shù)? 號測試房間則易受環(huán)境變化影響；②1 號測試房間的單日單位建筑面積能耗低于2 號測試房間（約0.3 kg/m2）；③如按陜西西安地區(qū)采暖時間為每年11 月15 日至次年3 月15 日共120 d 計算，對于建筑面積為100 m2的建筑，采用平加坡屋頂比使用平屋頂節(jié)省標(biāo)煤約3.6 t?？偠灾郊悠挛蓓斚鄬τ谄轿蓓斁哂懈玫谋匦Ч?。

3 結(jié)語

在全國鄉(xiāng)村振興和農(nóng)村居民生活水平不斷提升的大背景下，農(nóng)宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能的改善，是一個需要深入研究的內(nèi)容。由于農(nóng)村居民經(jīng)濟(jì)條件有限，針對農(nóng)宅的保溫改造不能像城市住宅那樣使用高技術(shù)和高經(jīng)濟(jì)投入的做法。本研究對當(dāng)?shù)剞r(nóng)宅采用的平加坡屋頂進(jìn)行簡單節(jié)能改造，經(jīng)一系列的測試證明，該改造能夠顯著提升農(nóng)宅屋頂?shù)臒峁ば阅?。因本改造所使用的材料是普通的XPS 保溫板，可以在市場上獲得，不會明顯增加農(nóng)宅建設(shè)的成本；且本次保溫改造的施工過程完全由當(dāng)?shù)厥┕り犕瓿?，因此，在?dāng)?shù)鼐哂休^好的推廣價值。