李喜娟
(蘭州信息科技學(xué)院,甘肅 蘭州 730300)
近年來(lái),我國(guó)一直在加強(qiáng)新農(nóng)村建設(shè),推行各種利民政策,脫貧已成為國(guó)家工作的重點(diǎn)。而住房問(wèn)題與老百姓生活息息相關(guān),伴隨著農(nóng)村改革以及農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的全面發(fā)展,不同程度地掀起了農(nóng)村建設(shè)的高潮。但是農(nóng)村建設(shè)中又存在施工隊(duì)伍整體質(zhì)量不好、農(nóng)舍的建筑設(shè)計(jì)規(guī)范不健全、農(nóng)民環(huán)保意識(shí)差等問(wèn)題。隨著全球能耗的增加,我國(guó)建設(shè)部對(duì)建筑能耗提出節(jié)能65%的要求[1]。
耗能研究離不開(kāi)碳排放,而甘肅甘谷縣農(nóng)村冬季取暖依舊采用燒煤方式,用戶(hù)在耗費(fèi)較大能量的同時(shí)得不到較好的取暖體驗(yàn),老百姓取暖需求與環(huán)境污染矛盾得不到緩解,根源在房屋外圍護(hù)結(jié)構(gòu)保暖性差。因此對(duì)農(nóng)村住房進(jìn)行節(jié)能改造,應(yīng)優(yōu)先進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能改造。
美國(guó)國(guó)家能源部在《建筑技術(shù)項(xiàng)目2008—2012年規(guī)劃》中明確指出,美國(guó)關(guān)于建筑節(jié)能發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)是到2020年實(shí)現(xiàn)“零能耗建筑”試點(diǎn)項(xiàng)目成功,并完成在建筑市場(chǎng)上開(kāi)始建設(shè),到2025年實(shí)現(xiàn)“近零能耗建筑”,甚至“零能耗建筑”的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展[2-3]。在英國(guó),政府為了引領(lǐng)公民合理科學(xué)地節(jié)能,成立了專(zhuān)門(mén)的節(jié)能部門(mén),英國(guó)的農(nóng)村住宅利用隔熱保溫性能好的外圍結(jié)構(gòu),采取了合理的節(jié)能措施,在院落設(shè)計(jì)方面,綜合考慮朝向、釆光對(duì)于住宅取暖的影響[4-6]。日本也于20世紀(jì)在全國(guó)范圍內(nèi)進(jìn)行“造村運(yùn)動(dòng)”[7]。上述國(guó)家的節(jié)能措施對(duì)加快我國(guó)農(nóng)村基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、改善村容和環(huán)境等方面提供了很好的借鑒。
通過(guò)能耗模擬軟件對(duì)建筑能耗進(jìn)行模擬是建筑節(jié)能優(yōu)化的常用手段[8-9]。李舒揚(yáng)[10]借助Design Builder等建筑節(jié)能模擬軟件,對(duì)山東地區(qū)鋼結(jié)構(gòu)綠色農(nóng)宅案例節(jié)能效果進(jìn)行模擬與分析,得出適用于山東地區(qū)農(nóng)住宅的圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式,并利用該地太陽(yáng)能資源豐富的特點(diǎn),將太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)與農(nóng)宅一體化。劉丹[11]利用生態(tài)模擬軟件的研究方法,對(duì)典型新型農(nóng)宅進(jìn)行室內(nèi)溫度及被動(dòng)組分得熱模擬分析,指出西北地區(qū)鄉(xiāng)村節(jié)能住宅在空間形態(tài)方面,可利用合理的熱環(huán)境分區(qū)、附加陽(yáng)光間、加強(qiáng)夏季自然通風(fēng)、采用節(jié)能型炕以及庭院綠化等措施進(jìn)行住宅節(jié)能。周茗如等人[12]在適合甘肅農(nóng)村住房的建筑節(jié)能技術(shù)中指出有效利用太陽(yáng)能的重要性,并有了“太陽(yáng)房”的概念。敖鑫等人[13]通過(guò)實(shí)地調(diào)研和DeST耗能軟件進(jìn)行能耗分析發(fā)現(xiàn),農(nóng)舍墻體圍護(hù)結(jié)構(gòu)差從而導(dǎo)致冬季取暖耗熱量加大的同時(shí)室內(nèi)溫度難以提高到較為舒適的范圍,提出從墻體圍護(hù)入手改善農(nóng)房室內(nèi)環(huán)境及舒適性,真正因地制宜實(shí)施農(nóng)房節(jié)能改造技術(shù)措施。
甘谷縣位于甘肅省東南部,天水市西北部。全縣平均海拔1 972 m。該地區(qū)屬大陸性季風(fēng)氣候,冬季受高壓的影響,溫度低、濕度低、較干燥。該地區(qū)農(nóng)村住宅修建沒(méi)有統(tǒng)一管理標(biāo)準(zhǔn),按照農(nóng)戶(hù)意愿及自身經(jīng)濟(jì)條件進(jìn)行自建,因此住宅的建筑材料、墻體保溫等沒(méi)有規(guī)范要求。如圖1所示,圖1(a)為窯洞,作為儲(chǔ)藏所用;圖1(b)同樣作為儲(chǔ)藏所用建筑,但建筑形式有圍墻與屋面,建筑物材料選取上沒(méi)有統(tǒng)一要求,磚、木、混凝土較為常見(jiàn);圖1(c)為20世紀(jì)80~90年代用木、土坯或磚建筑材料所修建的堂屋,該類(lèi)建筑在甘谷農(nóng)村住宅依舊占有較大比例;圖1(d)為新修建筑中應(yīng)用率高的鋼筋混凝土材料所做的堂屋。不論應(yīng)用哪種建筑材料,在墻體的保溫性能上都存在熱耗過(guò)高的情況。
當(dāng)前農(nóng)戶(hù)房屋面積大、外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫性能差,儲(chǔ)物間、廁所等房屋甚至沒(méi)有任何保溫措施,這些都導(dǎo)致冬季取暖耗熱量大,熱損過(guò)多。雖然“煤改電”“煤改氣”是國(guó)家所倡導(dǎo)的措施,但在甘谷地區(qū)農(nóng)村實(shí)施相對(duì)困難,多數(shù)老百姓還是采用傳統(tǒng)燒煤方式取暖,相比其收入,取暖費(fèi)用高。因此對(duì)農(nóng)戶(hù)住房進(jìn)行節(jié)能改造,在進(jìn)行熱源側(cè)改造前,應(yīng)優(yōu)先進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)的構(gòu)造。
外墻、外門(mén)窗、屋面等圍護(hù)結(jié)構(gòu)是住宅建筑節(jié)能的關(guān)鍵部分。對(duì)于經(jīng)濟(jì)環(huán)境較差、建筑施工薄弱的農(nóng)村地區(qū),圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用的建筑材料與施工技術(shù),決定了農(nóng)村住宅建筑最終的節(jié)能性與居住的舒適性。鑒于此,在綜合考慮甘谷地區(qū)的農(nóng)村住宅特點(diǎn)以及地理位置環(huán)境的基礎(chǔ)上,在設(shè)置外墻保溫施工方案時(shí),應(yīng)綜合考慮材料的經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性、就地取材是否便利、導(dǎo)熱性等,最終的方案對(duì)比如表1所示。
(a)窯洞儲(chǔ)藏室 (b)簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)儲(chǔ)藏室
(c)采用磚-木材料的堂屋 (d)采用鋼筋混凝土材料的堂屋
表1 外墻保溫層方案對(duì)比
墻體保溫方案技術(shù)如圖2所示,在材料選取上盡量考慮“鄉(xiāng)土材料”,如秸稈、草磚、粉煤灰空心磚等材料均為本地易取材料,價(jià)格便宜、就地取材、施工難度低,適合該地區(qū)基本環(huán)境與建筑水平。屋面保溫設(shè)計(jì)時(shí),不僅考慮其保溫性能,還要考慮排水性、防水層的設(shè)置。與墻體保溫材料的選取相同,在屋面保溫材料上也設(shè)置綠色環(huán)保的“鄉(xiāng)土材料”——秸稈,同聚苯乙烯保溫板作比較,探討是否“鄉(xiāng)土材料”具有更好的保溫性能。屋面各方案屋頂構(gòu)造層次圖如圖3所示。
(a)方案一 (b)方案二 (c)方案三
(a)方案一 (b)方案二
DeST(Desinger's Simulation Toolkit)是建筑環(huán)境及HVAC系統(tǒng)模擬的軟件平臺(tái),DeST軟件平臺(tái)是清華大學(xué)建筑科學(xué)系在2004年研發(fā)的耗能軟件,主要用于住宅建筑熱特性的影響因素分析、住宅建筑熱特性指標(biāo)的計(jì)算、住宅建筑的全年動(dòng)態(tài)負(fù)荷計(jì)算、住宅室溫計(jì)算、末端設(shè)備系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析等領(lǐng)域[14],距今已有十余年的實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn),建筑參數(shù)的設(shè)置、節(jié)能模擬的實(shí)際應(yīng)用性較為成熟。因此,不同的保溫方案均用DeST耗能軟件進(jìn)行節(jié)能效果的模擬。最終外墻、屋面不同方案時(shí)采暖負(fù)荷計(jì)算分析如表2所示。
表2 采暖負(fù)荷計(jì)算結(jié)果
表2中的節(jié)能效率模擬反映的是冬季寒冷時(shí)期的負(fù)荷節(jié)能效率,而不是全季節(jié)的節(jié)能效率,從表中可以看出,墻體方案二,也就是草磚墻體在保溫性能上優(yōu)于其他2種方案。但從環(huán)保的角度考慮,墻體保溫方案一中秸稈不僅與當(dāng)?shù)丨h(huán)境有效結(jié)合,提高秸稈的利用率,而且減少了焚燒帶來(lái)的污染,其節(jié)能效果不比另外幾種方案弱。屋面保溫方案中,傳統(tǒng)材料使用時(shí)的保溫性能與擠塑型聚苯乙烯板保溫相差不大,但從經(jīng)濟(jì)、環(huán)保方面,并結(jié)合農(nóng)村住宅特點(diǎn),方案一更適合該地區(qū)。
在農(nóng)村民用建筑材料的選用上,應(yīng)該考慮住宅的實(shí)際情況,與一般多層、高層建筑材料相區(qū)分??紤]鄉(xiāng)土材料在農(nóng)村就地取材,造價(jià)低,同時(shí)施工工藝簡(jiǎn)單,熱工性能并不比多層、高層建筑中所采用的材料差,結(jié)合現(xiàn)代技術(shù),對(duì)傳統(tǒng)鄉(xiāng)土材料在其材料特性和構(gòu)造上進(jìn)行改進(jìn),加大材料的耐久性,提高強(qiáng)度??梢?jiàn),鄉(xiāng)土材料在農(nóng)村住宅這樣規(guī)模小、層數(shù)小的建筑中運(yùn)用是可行的。如果這些鄉(xiāng)土材料能在農(nóng)村住宅建設(shè)中加以推廣,不僅可以減少造價(jià),而且還環(huán)保、綠色,對(duì)于環(huán)境的污染比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)少得多,在使用壽命結(jié)束以后不久還可以重復(fù)利用。在外圍結(jié)構(gòu)保溫材料的選用上,如果能加入當(dāng)?shù)刎S富的秸稈材料,制作成秸稈保溫層,既達(dá)到了保溫的效果,還能解決農(nóng)民們處理秸稈材料的難題,減少焚燒帶來(lái)的污染。