冀南农村地区冬季采暖的墙体优化设计

李 政 暴 磊 陈国臣

(1.河北工程大学建筑与艺术学院，河北 邯郸 056038； 2.邯郸职业技术学院，河北 邯郸 056001； 3.山东省建筑设计院泰安设计所，山东 泰安 271000)

0 引言

冀南区域冬季雾霾影响大，而冬季采暖作为雾霾形成的主要原因，受城市管理者重视。近年农村单体住宅面积骤增，人们对室内舒适度要求逐渐提高[1]，而现有采暖配套设施能源利用效率低，导致地区住宅冬季采暖能耗大，效果差。为提高农村住宅对能源的使用效率，降低采暖对雾霾影响，本文从增加农村住宅墙体热工性能出发，量化保温材料的能耗影响，为农村住宅节能设计提供数据支撑。

1 理论研究基础

以涵盖冀南地区气候特征为主要理论研究基础，了解宅院形式及其相应墙体结构的技术演变。通过实地调研，梳理出冀南地区范围内农村住宅墙体技艺的历史演化过程。

1.1 冀南地区气候特征

冀南地区冬季气候特点为寒冷干燥，一年中气温最低的月份为1月[2]，月均温度为-2.5 ℃，极端低温可达-20 ℃，每年无霜期约200 d，日照约2 557 h/年。该地区主要囊括了邯郸、邢台两地，两市区位相近，气候近似，所需气象数据来源于邢台53798气象观测站。

1.2 宅院形式

冀南地区农村宅院80%以上为“两甩袖”形式[3]。农村中宅院平面的布局基本统一，院落占地南北长在14 m～16 m之间，东西宽为15 m～18 m之间。受当地风水相关文化影响，一般情况下，宅院中北屋常为上房(特殊情况下以西屋为上房)，上房左右两侧属厢房，东厢房通常较西厢房略高，厨房位置仅次于东厢房，街门的相对角落为厕所位置，整体以院墙围合形成院落。

1.3 墙体构造技术演变

二十世纪六七十年代土坯房为冀南地区农村住宅的基本类型，是以用泥土为墙体的主砌材[4]，砌筑方法有两种，一种是先筑墙脚(通常为石材墙角)，后于墙角之上支模(常为木质模具)，最后分段分层加入泥土夯实成墙。另一种是将未经烧制的黏土制成土砖，后垒砌成墙。80年代初，用黄泥烧制成的红砖逐渐替换掉以土坯与石头为主的建材，成为农村墙体最常见的材料。2000年以后，出现了以空心砖、节能砖、混凝土等材料为主的墙体。近年，伴随雾霾加重，农村住宅建造中运用节能保温材料的比例在上升。

2 典型模型建立

基于冀南地区，以邯郸、邢台两市辖区为范围的10个乡村开展实地调研，构建以“两甩袖”为典型模型的冀南地区宅院布局模式(见图1)，然后录入典型围护结构的基本构造数据。

2.1 典型住宅空间参数

宅院东西长17 m，南北宽14 m，上房位于北侧中央位，主要用途为客厅或主卧，东西两侧为次卧或厨房，西南方向设置厕所及储藏室，大门通常位于宅院东侧[5]。正房一般高4 m,侧房一般高3.8 m，外墙厚370 mm。冬季受西伯利亚寒流南下的影响，多为西北风，所以北侧墙体通常不开窗，客厅立面建筑表皮的窗墙比为0.4，东卧室西立面的窗墙比为0.31，建筑整体的体形系数为0.658。

2.2 围护结构典型构造及参数

经观测调研，冀南地区农村住宅围护结构典型构造和热工参数为：外墙使用20厚的水泥砂浆抹面+370厚的粘土红砖+20厚的水泥砂浆抹面，热工参数为1.267 W/(m2·℃)；隔墙使用20厚的水泥砂浆抹面+240厚的粘土红砖+20厚的水泥砂浆抹面，热工参数为1.774 W/(m2·℃)；屋顶使用120 mm结构层混凝土+150 mm聚苯板保温层+找平层碎石+材料找坡层，热工参数为2.004 W/(m2·℃)；地面使用25厚的瓷砖+20厚的水泥砂浆找平层+100厚的混凝土垫层+500厚的素土夯实层，热工参数为0.929 W/(m2·℃)。

3 既有农村住宅能耗模拟分析

基于Designbuilder，对农村住宅冬季能耗情况进行仿真实验。根据能源消耗、温度控制、材料选择相关数据，模拟出住宅冬季稳定传热状态下的建筑能耗，从而为农村住宅墙体优化提供可行合理的节能方案。

3.1 农村住宅建筑分区

参照GB/T 50824—2013农村居住建筑节能设计标准，对不同使用功能下的房间参数进行设定。卧室、客厅等功能性房间的冬季采暖基础温度设定为16 ℃，依照中国气象局提供的相关气象数据进行模拟。

3.2 模拟结果分析

模拟结果表明，当农村住宅室内采暖温度达到16 ℃时，其屋顶热损为2.33 kW、外墙损耗9.42 kW、窗户热损为2.59 kW、围护结构的外墙热损为9.42 kW，较屋顶及窗户偏高。

11月～次年3月之间，房屋采暖供热量走势为先增加后降低的趋势，总体上呈抛物线状， 11月与次年3月2个月份的供热量较低，原因是该月份采暖时间短，且此期间房屋热负荷较低。1月份的采暖供热量属最高，较12月提高近16%，较2月提高约30%。基于公式Q=qfF中，Q为区域的热负荷;qf为建筑的耗热量指标,W/m2;F为建筑的面积，m2[6]，结合所有房间单位建筑面积热指标如表1所示，经计算得出建筑总热负荷为4.22 kW。

表1 热负荷模拟结果

4 墙体优化方案的对比分析

选取常见的保温材料，如XPS，EPS，岩棉等，构成复合墙体的构造图(见图2)，进行保温模拟，因在同一温波作用下材料的不同或材料厚度差异对温波的衰减能力不同，遂对各房间使用不同厚度的各种材料进行建筑耗热量指标对比分析。

4.1 保温材料的选择

在既有农村建筑的改造中，外墙的保温相较于夹心保温，其造价较低，施工工艺较简单，经济性及实用性更好[7]，因此使用GB/T 50824—2013中推荐的保温外墙构造。保温材料则分别选择EPS泡沫板(聚苯乙烯泡沫板)、XPS泡沫板(阻燃型挤塑聚苯乙烯泡沫保温板)、岩棉三种[8]。

表2 使用EPS，XPS，岩棉材料的室内耗热量指标

EPS泡沫板以在C8H8中加入发泡剂等于模具中加热成型，缓冲性较好。其内部具有闭孔结构，因而易成型、密度小、抗潮。XPS泡沫板是一种绝热挤塑型聚苯乙烯泡沫塑料，以聚苯乙烯树脂为原料辅之以其他类聚合物，通过特殊工艺挤压成型的硬质型塑料泡沫板，其导热系数低、抗潮湿性好、强度较高[9]。岩棉板又称岩棉保温装饰板，以玄武岩为主材，经高温加工而成的无机纤维板[10]，耐高温、机械强度高、抗腐蚀性佳，并且价格相对低廉。

4.2 不同厚度保温材料的空间热负荷

通过Designbuilder分别对以EPS泡沫板、XPS泡沫板、岩棉板作为保温墙体的材料，进行住宅模型模拟，保温材料厚度以20 mm,40 mm,60 mm,80 mm,100 mm为基准，对建筑耗热指标进行分析(见表2)。

4.3 建筑热负荷分析

对住宅使用不同厚度保温材料的采暖效果进行数据分析(见表3)，并拟合函数关系，分别得出三种材料的单位面积热指标与保温材料厚度的数学方程。

表3 热负荷 kW

5 结语

冀南地区既有典型住宅的保温墙体及屋顶，在冬季采暖热负荷为4.22 kW，对使用XPS，EPS，岩棉三种保温材料进行模拟分析，结果表明当保温材料由20 mm增大至100 mm的过程中建筑热负荷逐渐减小，并呈现出对数函数的关系：

EPS：y=-0.315ln(x)+4.838 4；

XPS：y=-0.308ln(x)+4.774 5；

岩棉：y=-0.309 ln(x)+4.803。

使用XPS保温材料的建筑热负荷最小，较与未使用保温材料的典型模型，其热负荷降低了20.6%，就使用最薄厚度的EPS和岩棉，也可分别降低8.0%和8.3%的建筑热负荷，所以在冀南地区农村住宅新建和改造项目中应对其墙体进行必要的优化设计。