摘要:北方农村传统住宅大量采用火炕采暖, 主要以煤炭或生物质原料燃烧供能, 能耗大、用能效率低、污染严重.现有民居外围护结构保温性能普遍较差、窗口气密性不足等问题较为严重.因此, 农村传统住宅的绿色和低碳改造理应在美丽乡村发展中引起足够的重视.通过对天津蓟县和宁河地区农村用房的院落空间、结构材料、功能分区现状调研, 对现场的室内外温湿度测试, 分析农宅亟待解决的问题.在农房改造上提出针对屋顶、墙体、平面、功能分区的相应措施、建议.以期为建筑设计者在建筑物理环境数据上提供基础资料, 为美丽乡村建设提供具体可行性方案.
关键词:绿色农房; 新农村; 墙体传热系数; 太阳能; 绿色建筑改造;
0 引言
国内外对建筑的绿色与可持续性评价技术指标不断优化, BREAM、LEED及我国的绿建国标等指标体系不断完善, 2015年WELL规范也被引入国内, WELL健康建筑规范更多地关注人体长期处在建筑环境之中的身体健康状况, 是对LEED绿建标准的相关补充[1].国外发达国家绿色农房的建设材料一般都与当地文化相结合, 并且保证现代化技术发展.日本在农房建设上和我国都是国家政府进行相应的政策经济支持.瑞士、德国等发达国家在保证农村建设质量上逐步实现现代化, 实现部件化[2].
三农问题一直是我国政府工作的重点, 新农村建设也逐步得到社会等方面重视, 2005年发布第十一个五年规划建议中第一次提出创新农村的思想[3].2008年, 程强研究北京延庆地区农村住宅节能措施, 提出适宜北方寒冷地区的相应措施[4].2010年, 吴庆驰提出在乡村建设中的绿色建筑还存在相对应明确指标规定, 缺少相应的理论技术指导, 实践也相对缺乏[5].2013年, 住建部开始实行《绿色农房建设导则》, 对绿色农房中绿色改建、环境健康、材料、结构等做出相应规定[6].2015年, 房涛针对建筑节能参数研究被动房中围护结构节能措施, 研究影响因素包括地域、气候、结构等[7].随着生活水平不断提高, 农民对居住环境要求也越来越高, 地处北方寒冷地区的天津, 经济水平已足以支撑绿色农房的进一步发展, 但相关调研数据尚有较大不足, 针对农民自建房施工技术差、能耗大等特点研究较少.本文调研天津县区农房现状, 整理现存不足, 以期为绿色农房改建提供相关可行性措施, 改善人居现状.
1 天津乡村住宅现状调查
1.1 调查天津农村建筑现状
选取天津蓟县、宁河的三个村落 (板桥村、造甲村、小漫河村) 进行调研和室内热环境的测试.结合实地调研结果针对建筑结构、材料、舒适度进行分析总结, 提出北方寒冷地区农村住宅现存问题及热工环境缺点.
1.1.1 建造年代
1976年的唐山大地震中, 天津郊县多处农村住宅受到不同程度的损坏, 震后自建房的数量持续增长, 这些都对近几十年来天津的农村建设产生长久的影响.但近些年来随着宅基地和政策变更, 住宅多进行后期翻新、装修、加建.新建的程度逐步降低.以天津蓟县杨津庄镇小漫河村为例, 小漫河村被一条贯穿整个村落的河水分为东西两部分, 住宅院落按照溪水沿岸形状分布, 形成自然机理.北区有新建附属小学和绿色种植大棚, 住宅多分布于西区和东区.老房区多在东部, 西部多为震后新建房, 2000年左右多进行修建和加建.2014年新建区域多集中于图1所示的"西区".
1.1.2 建筑结构
按照住宅建造时间来看, 早期住宅多为土坯墙, 土坯墙是用黄土和水按照相应比例混合搅拌, 墙体相对框架结构较厚.通过受访者了解, 早期造甲村住宅多用土坯墙.改革开放后, 建筑建造技术水平提高, 砖混结构住宅开始广泛应用, 主要材料为砖、石、钢筋混凝土.粘土实心砖墙, 如图2所示竖向承重结构的墙材料是砖或砌块, 横向承重为钢筋混凝土, 外墙厚度240 mm, 外表面涂抹20 mm厚水泥砂浆, 内墙120 mm;另一部分公建 (村中活动主要公共空间, 如寺庙、戏台) 为砖木结构.木材为主要的承重结构, 围护结构材料为红砖, 砖木结构以木材为主要竖向承重结构, 红砖为横向填充, 非承重结构.天津地区水资源丰富, 芦苇等植被较多, 该地区住宅屋架结构多为木屋架填充以苇萡或苇把子, 作为保温材料.屋面材料为泥和瓦.
图1 杨津庄镇小漫河村分区布局Fig.1 The Layout of Xiaomanhe Village in Tian Jin
图2 墙体结构Fig.2 The structure of w all
1.1.3 功能分区
早期住宅为一字形布局, 后来演变成L形、U形建筑平面, 东西厢房或西厢房加东面为储物间, 放置农具.典型正房多为三开间或四开间, 部分为五开间.厅堂多和灶台相连, 功能演变成厨房、餐厅、会客.东西两个主卧多和灶台相连, 连接土炕.部分新建或改建住宅在院落加建彩钢板屋顶和机械通风装置, 提供适宜的公共活动空间.
1.1.4 门窗洞口
窗框材料分为木材、塑钢、铝合金.玻璃为单层、双层、Low-E玻璃等, 其中现有窗框材料以铝合金为主, 约占90%以上.另有少量以塑钢为窗框材料, 已经有新建房采用Low-E玻璃.如图3所示.大多数窗口气密性较差, 冬季冷风渗透严重, 尤其是年久失修的木材窗框, 易受雨水等外界因素腐蚀.
1.2 热工环境和现场调研
室内夏季通风降温主要利用风扇, 部分卧室安装空调.土坯结构农房住户的热工环境较为舒适, 住户称冬暖夏凉.天津地区冬季室外温度较低, 室内外温差及昼夜温差均较大.选取板桥村砖混结构一典型房屋进行测试.选用TR-74Ui温湿度自计仪.用三脚架将仪器支于卧室、餐厅、起居空间室内中央.检测期间室内外门窗关闭, 实验测试时间为2015年12月15日-2015年12月17日.
图3 窗口材料Fig.3 Window materials
2 调研结果分析
将2015年12月15日17:30到2015年12月17日16:10测得的不同功能用房温度绘制成以下折线图.从图4中可以看出白天室内温度变化随室外温度变化波动幅度较大, 室内外温差变化趋势平缓, 室内外温差随时间变化不明显.围护结构墙体可分为三类:20世纪中期建造的非节能建筑;针对后期推行的节能建筑改造的外保温墙体;节能建筑墙体.本测试针对非节能墙体.由图4可知室内外温度曲线变化范围一致;温差范围最大时间出现在13:30, 且室内外温度最高时间都为13:30左右;室内昼夜温差在4℃左右.室内温度峰值和室外温度峰值时间保持一致.
图4 温度变化曲线图Fig.4 The relationship betw een temperature and time
3 相关优化策略
2012年天津市建委与蓟县村委会相互协调对天津市蓟县多处农村用房改建.改建措施主要针对院落空间组织、平面功能组合, 但其中最重要的改建措施与绿色建筑技术有关, 包括改变墙体、屋面保温结构, 加建太阳能集热器, 改善窗口结构或玻璃材质, 生活污水处理加入中水系统等[8].
通过这次调研发现有些处理方式已得到应用: (1) 双层玻璃 (门窗) , 如图5所示, 板桥村中仍有单层木门窗, 但某些农户改建房运用塑钢中空玻璃保温门窗, 气密性、舒适度得到广泛提高. (2) 太阳能集热器, 老式的热水来源除了烧水外, 在屋顶放置黑色橡胶热水袋, 分体式太阳能热水系统开始应用.太阳能集热器从农村到小城镇, 从零星住户到集中供应, 较为普遍. (3) 屋顶构造如图6所见, 屋顶多用生物材料.板桥村和造甲村距湿地较近, 多产芦苇.其屋顶保温多用苇子或苇萡相关的生物材料.
图5 双层玻璃Fig.5 The double-layered glass
图6 生物材料屋顶Fig.6 The biological material of roof
3.1 墙体改造措施
围护结构应采取相应的保温措施, 保温材料宜选取当地保温性能较好的, 对热桥部分, 尤其是外墙转角处、门窗等节点构造进行改善, 增加保温措施.
从热工性能来看, 生土墙的保温隔热性能较好, 与其他墙体相比热惰性较差[9].表1对比了不同保温材料和材料应用在不同建筑部位的情况.对于既有建筑墙体改造可以选择内保温和外保温, 但内保温容易出现墙体冷凝现象, 影响室内装修, 保温效果差.因此, 多采用外保温, 提高热稳定性, 提高外墙耐久性, 增加使用寿命.不同保温材料的性能和应用部位如表1所示[10].
表1 保温材料性能和应用部位Table 1 Insulation material performance and application site
从建筑在安全性能来看, GB50011-2010《抗震设计规范》中把现有建筑分为A、B、C、D四个等级[11].震前, 天津地区外围护墙体用材多为生土, 用量广泛;震后, 新建住宅多用砖混结构, 并增添构造柱以增加抗震性.调研中, 村落中现存的生土建筑数量较少, 墙体底部有些部分腐蚀严重, 防水层处理不得当或者雨水盐碱度较高.墙体结构承载力不足, 很多地方出现裂缝.墙体之间缺少可靠连接方式, 生土墙缺少构造柱等结构形成的牢固连接, 抗震性差.木骨架时间久会腐蚀, 承载力下降.根据以上现状分析可得: (1) 墙体结构方面, 墙体保温可结合当地原有材料, 例如秸秆、竹材等有效降低房屋建造成本.在农房设计、施工完成后, 针对完工后的建筑主体部分进行节能减排方面的计算、测评, 力求达到绿色农房的"节能、减排、安全、便利和可循环"的要求[12]. (2) 由于气候分区不同, 房屋所处的地域差异, 绿色房屋相应的设计及施工技术手段、特征要点不同.现存的比较完善的技术手段有墙体保温、隔热体系;节能门窗、采暖、通风及空调调节系统、雨水收集系统及污水处理系统、外遮阳、自然采光在内的被动式房屋技术.所以, 绿色农房的改建、技术措施的选用需根据当地气候特点、周围房屋特点、周边环境因素, 选取特定方案措施[13]. (3) 加固措施方面, 分别在轻体内外表面刻槽, 在内墙槽体内设置水平钢筋, 并在墙体内设置水平钢筋, 将横向钢筋和纵向钢筋连接, 将墙体和柱子连接在一起, 加强了房屋的抗震性能和建筑承载力;另外, 为了加强屋顶稳定性, 用铁丝把檩条和椽子靠近墙体部位连接固定, 并将铁丝固定于水平砂浆配筋带中[14].
3.2 屋顶改造措施
调研的天津地区屋顶形式多为坡屋顶, 屋面相对墙身、门窗洞口等更易受潮, 有机保温材料受潮后保温性能降低, 所以尽量选择如聚苯乙烯塑料板、挤塑聚苯乙烯泡沫塑料板等憎水性的保温材料.草板以及草木灰、稻壳、锯末等可应用在经济水平相对较低的地区[15].在选择这些保温材料时, 应主要对保温材料做一些防潮措施, 如图7所示.屋顶四角部分容易受潮、造成损害, 所以要对屋顶四角部分做针对性处理.屋顶的保温材料多用黄土和泥草, 天津地区由于湿地众多, 包括当地特殊材料如苇箔、稻壳、草木灰、草木灰、木屑等都可做为屋顶保温材料.部分住宅在屋顶增加太阳能板, 以降低能耗, 但应考虑屋顶荷载问题, 增加太阳能板的屋顶应加大构造承重荷载力[16].
图7 屋顶结构材料Fig.7 The material of roof
3.3 平面改造措施
体形系数是最主要的指标之一, 随着农村经济水平提高, 加建房的出现打破了传统一字型、L型平面, 如图8所示.
从传统三开间, 逐步演变成复杂的平面组织形式, 增加倒坐, 尽量减少异形平面的出现, 增加节能效果;平面布局:起居空间作为人体主要活动空间, 承载娱乐、休息、聚会等主要功能, 其交通流线不宜与卧室交叉;卧室应保证相应的私密性和较高的舒适度, 与公共活动空间应有必要的分隔;卫生间、浴室、厨房等辅助空间不宜与主要活动空间距离太大, 应考虑到便捷性和可达性;传统住宅会出现南向开窗, 北向只有院门, 减少了自然通风, 可通过增设高窗, 提高室内舒适度;院落空间组织:院落空间的合理利用, 不再单单放置杂物、农具, 而是合理规划增加景观植物和经济作物的种植, 并未在后期加建留出预留空间;平面布局方面住宅宜联排布置, 减少能耗损失;院内厢房应与主卧室留有相应距离, 防止遮挡室内采光、得热.
图8 平面图Fig.8 The plan of villages
4 结语
绿色农房建设的重要性毋庸置疑, 关键是绿色对于农村住宅的确切含义如何解读.随着经济的发展, 天津现存农村住宅室内热环境得到不同方面的改善, 但在社会发展对于绿色、低碳以及满足人们更高舒适度等方面不断提高要求的情况下, 农村住宅应在适应当地农村人口就业及产业特点的基础上, 重点提高居住生活的舒适度、便利性, 同时致力于减少建筑物能耗, 减少碳排放.本文在改造上针对屋顶、墙体保温提出相应措施;不仅采用被动式技术还可减少体形系数, 对房屋结构、平面布置上进行改建;建筑形式上联排布局有助于减少能耗;建议在今后的农房研究上注重热物理环境方面的改善, 提高室内热舒适度.无庸质疑, 绿色农房的建设具有很好前景.在未来美丽乡村建设和规划中应落实生态效益、社会效益和经济效益的共同发展进步.
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