项目分析 ▎宁夏吴忠市弘德村超低能耗农宅

本文刊发于《绿色建筑》杂志2024年第1期，原标题为：宁夏地区超低能耗农宅方案设计与适宜性技术研究——以吴忠市弘德村为例；作者：王英明，宁夏回族自治区建筑科技与产业化发展中心

随着乡村振兴战略和“双碳”目标的提出，宁夏回族自治区吴忠市、石嘴山市、银川市、中卫市和固原市相继获批北方清洁取暖项目的试点城市。随着清洁取暖项目的深入开展，各种清洁取暖的设备大量涌入农户家中，而宁夏地区经济相对落后，农民收入相对较低，各种电蓄热锅炉、热泵热风器等清洁供暖设备的耗电量相对较高，农民难以承受。究其原因，主要是农村住宅保温性能差、门窗气密性不高，建筑耗能量大。尤其宁夏地区属于干旱寒冷风沙区，使得农村房屋能耗进一步提高。

针对宁夏地区气候寒冷、风沙大、日照强的特点，笔者以被动式技术和可再生能源技术为核心，以改善农宅自身的保温性能和房间气密性为目的，最终使得该地区农宅达到超低能耗的标准。同时，随着被动式超低能耗建筑技术的发展，可结合当地丰富的太阳能资源，在全国率先实现经济型超低能耗建筑的推广。

 1 农宅现状分析 

1.1 农宅概况

吴忠市红寺堡镇弘德村的农宅主要是固原市原州区等地区在“十二五”时期生态移民时修建的安置房，面积以54m²为主，单体建筑都包括一间功能复合的起居室、一间卧室和一间厨房，墙面是在砖混结构表面进行抹灰处理或铺贴瓷砖装饰。农宅屋面主要为双破硬山屋顶，屋面满铺红色或青色瓦片。由于54m² 的住宅空间较为狭小，并不能很好地满足一家4～5口人的基本生活需求，村民多会在院落内加建房屋，并在房屋院墙旁自搭窝棚用以养殖等，弘德村农宅建筑单体主要类型如图1所示。

图1 弘德村农宅建筑单体主要类型

1.2 农宅围护结构

弘德村农宅多为砖混结构，外墙多为无保温的37多孔砖墙；外窗多为单框单玻铝合金窗、单框单玻木窗、单框双玻铝合金窗、单框双玻塑钢窗，少数为单框双玻断桥铝合金窗；外门为保温防盗门；屋面为预制混凝土保温防水屋面，地面无保温。由于农宅外墙、屋面、地面均无保温，冬季室内热舒适性和空气质量差。

1.3 农宅用能现状

笔者通过调研得知，弘德村居民日常生活用能以煤和电为主，使用燃气的农户占比较低，为5.6%左右。有热水采暖锅炉的农户较少，大多数以火炉采暖，室内热舒适性差，空气质量不佳。由于卫生间没有采暖设备，导致冬季太阳能热水器水不热，生活非常不便。冬季采暖期的能源消耗主要以煤炭为主，一个冬季耗煤量约为4t，有些家庭也适当使用一些秸秆或木柴，在解决采暖问题的同时也解决了炊事用能。不过由于采暖的原因，冬季总能耗高于夏季。

吴忠市红寺堡镇弘德村（绿色建筑研习社配图）

1.4 现存主要问题

1.4.1 规划层面

弘德村的农宅建筑以一层为主，大都是两户以一道公用的围墙相隔比邻而居，院落之间联成一排，村落呈行列式排布。对于统一建设的54m²安置房, 家庭人口多或者家庭经济较好的农户普遍有在原有院落里继续扩建的现象，农宅土地利用率偏低。

1.4.2 建筑单体层面

农宅为南北朝向，外门向南，与室外直接接触，冬季开门会有大量冷风侵入室内。54m²的农宅内部只有一间卧室、一个客厅和一个卫生间，未设置厨房、餐厅和多余卧室等空间，对于人口较多的家庭来说，居住面积严重不足。

1.4.3 建筑围护结构层面

农宅建造时存在材料选用不当以及围护结构设计不合理的问题，最终造成围护结构存在保温和密闭性能较差等缺陷。农宅为砖混结构，外墙为37墙，无保温，传热系数为1.53 W/（m²·℃）。屋面为100mm厚预制混凝土板加50mm厚聚苯板，传热系数为0.56W/（m²·℃）。外窗为单框单玻铝合金推拉窗，传热系数为6.4 W/（m²·℃ )。与GB/T 50824—2013《农村居住建筑节能设计标准》中传热系数的要求[屋面≤0.5 W（/ m²·℃）、外墙≤0.65W（/ m²·℃）、外窗≤2.8W/（m²·℃）] 相差甚远。同时，居民传统的采暖方式存在效率低、排烟不畅等问题，加上围护结构热功能性和密闭性较差，还会造成巨大的采暖能耗浪费。

吴忠市红寺堡镇弘德村（绿色建筑研习社配图）

1.4.4 建筑用能方面

村民们习惯依靠传统能源来解决住房供热问题，故而火炉、火墙、火炕、燃烧秸秆等采暖方式一直沿用至今。传统的煤炭采暖方式由于燃烧不够充分，造成了能源利用率低、环境污染严重等问题。随着新能源的发展，每户家庭的屋顶上都安装了太阳能热水器，但由于技术不够成熟，导致安装完成后存在屋面漏雨等问题。

 2 超低能耗农宅方案设计及适宜性技术应用分析 

宁夏地区农宅建设中普遍存在土地利用率偏低、建筑体型系数偏大、建筑能耗较高的问题，需要对农村住宅在规划设计、建筑单体、围护结构及能源利用等方面进行优化。

弘德村为更好地持续推进全面脱贫与乡村振兴有效衔接，进一步提高当地居民的生活质量，计划建设面积约为180m²的双层农宅。笔者选取鲁家窑片区中部, 弘德村南部，弘德燕宝小学, 弘德一幼以南的东侧、西侧、南侧地块，对共约3866.7m²的占地面积进行规划和建筑单体设计，规划院落总面积为270.0m²，二层农宅建筑面积为189.2m²。

2.1 农宅方案设计

2.1.1 规划设计

一是增大建筑密度，提高土地利用率。弘德村每户院落面积为270m²，院内农宅为一层54m²的房屋，院落面积大，农宅面积小。由于没有设置杂物间等区域，有些家庭会利用部分空地堆放木柴，用以供暖材料的储备，这造成土地的利用率不高，院内杂乱无章，存在一定的安全风险。项目团队利用竖向空间，将其设计成两层农宅，同时对建筑进行合理布局，设置杂物堆放空间，增大建筑密度，提高土地利用率。

二是行列式布局，保证南向最大日照面积。建筑群体采取横向排列，既具有秩序性，又能充分利用南向阳光，如图2所示。这样一方面可以增强建筑南向外墙的保温效果，另一方面还可以提高南向屋面光伏板的利用率。对片区组团进行日照模拟，如图3所示。从图3 可以看出，前一排的建筑未对后排建筑造成遮挡，可保证后排建筑能够获得充足的日照。

三是独立院落设计，改善片区内风环境。在本设计方案中，小别墅东西侧山墙延伸至院落前侧形成院落围墙，与邻居的住宅隔开，并改善别墅片区内风环境。

图2 规划设计方案总平面图

图3 片区组团日照模拟

2.1.2 建筑单体设计

笔者在建筑南侧布置主要生活空间，包括起居室、主卧室等；北侧布置次要功能房间，包括厨房、楼梯间、卫生间等。

同时，采用近正方形布局形式，减小建筑体型系数。考虑到北方风沙大等气候特征，取消二层晾晒台，形成较为规矩的体块，进一步减小体型系数。经计算，建筑单体外表面积为432.02m²，体积为794.64m³，体形系数为0.54。

2.2 适宜性技术应用

2.2.1 围护结构节能做法

弘德村超低能耗农宅围护结构构造做法如表1所示。

表1 弘德村超低能耗农宅围护结构构造做法

如表1所示，笔者对建筑屋面、外墙、地面均作了保温设计，外墙采用200mm轻质混凝土墙板加100mm石墨烯聚苯板，其传热系数达到0.23 W/（m²·℃）；屋面采用100mm钢筋混凝土加150mm石墨烯聚苯板, 其传热系数可达到0.22 W/（m²·℃）；地面设计了150mm的石墨烯聚苯板，其热阻可以达到4.29W/（m²·℃）。为了防止热桥的产生，采用了连续性保温设计，即在屋面、外墙、地面及其与结构构件之间的衔接部位形成连续不间断的保温设计。

2.2.2 可再生能源利用技术

一是被动式太阳房。笔者在外门处设置了附加阳光间式门斗，在冬季日间可为房间供热，夜间可作为温度缓冲区，减少热量的散失，同时避免了外门直接接触室外空气，大大降低了冷风侵入耗热量，减少了室外风沙的进入，提高了房间后气密性。

二是屋面BIPV 光伏建筑一体化设计。屋面采用双坡设计，南坡安装一体化光伏板，坡度略缓于北坡，这在一定程度上增加了光伏板安装面积。光伏屋顶与建筑屋面在建设阶段即融为一体，避免后期使用过程中雨水渗漏等负面影响。在采取节能措施后，可满足村民日常用电和冬季采暖的需求，夏季的余电可以上网等。

三是太阳能光热+空气能热水采暖技术。超低能耗农宅采用的太空能绿色恒热站是由平板太阳能蒸发器加空气源热泵组成的一体机，在日间利用太阳能蒸发器收集热量输送给太空能热泵，提高压缩机能效比，在给建筑采暖的同时将多余热量储存在储热水箱，供无太阳时采暖使用；夜间利用谷电时段的低电价，太空能绿色恒热站自动切换为空气盘管蒸发器，通过空气蒸发器吸收空气中热量输送给热泵进行连续采暖，同时对储热水箱蓄热，在峰电时段无阳光时利用储热能供暖。外置太阳能蒸发器所提供的热能使得空气源热泵制热效率提高了2倍。

 3 建筑节能分析 

3.1 建筑耗热量计算

根据宁夏回族自治区地方标准DB 64/521—2022《居住建筑节能设计标准》，建筑物耗热量指标计算方式如式（1）所示。

式（1）中，qH为建筑物耗热量指标，W/m²；qH,T为单位建筑面积通过围护结构的传热耗热量指标，W/m²；qINF 为单位建筑面积的空气渗透耗热量指标，W/m²；qi,H 为人体得热量指标，W/m²。其中，qH,T 和q INF 的计算方式分别如式（2）、式（3）所示。

式（2）中，ti为室内计算温度，取20℃；te为采暖期室外平均温度，℃，取－2.1 ℃；εi 为围护结构传热系数的修正系数；Ki为围护结构的传热系数，W/（m²·℃）；Fi为围护结构的面积，m²；A0为建筑面积，m²。

式（3）中，Cp为空气比热容，取1.009 kJ/（kg·℃）；ρ为空气密度，kg/m³，在吴忠市室外－2.1℃条件下，空气密度取1.309kg/m³；N为换气次数，取0.5次/h，对比建筑取1.5次/h；V为换气体积，m³，按房间体积计算。

根据DB 64/521—2022《居住建筑节能设计标准》建筑耗热量计算规则，计算出各项建筑耗热量指标如表2所示。

表2 各项建筑耗热量计算表

3.2 附加阳光间得热量计算

根据《被动式太阳房热工设计手册》，附加阳光间得热量的计算方式如式（4）所示。

式（4）中，Qu为采暖期单位建筑面净太阳辐射得热量，

MJ/m²；ηi为第i个集热部件热效率，%；Ii为采暖期内投射在第i个集热部件所在面上的总日射辐照量，MJ（/ m²·d）；Ci 为第i个集热部件集热面积占总建筑面积的百分比，%。附加阳光间热效率ηi取30%；弘德村采暖期内投射在阳光间走廊垂直南向面总日射辐照量如表3所示。

表3 农宅垂直南向面总日射辐射量

阳光间集热面积为39.6m²，占总建筑面积的20.93%。则附加阳光间采暖期单位建筑面积净太阳辐射得热量0.995 MJ/(m²·d)，采暖期单位建筑面积净太阳辐射得热量指标为11.52 W/m²。

3.3 建筑耗电量计算

3.3.1 采暖耗电量

由于清洁供暖的要求，弘德村采用太阳能＋空气源热泵（太空能）的采暖方式。根据DB 64/521—2022 计算建筑物耗热量指标为29.59 W/m²，附加阳光间采暖期单位建筑面积净太阳辐射得热量指标为11.52 W/m²，则建筑单位面积耗热量为18.07 W/m²。弘德村采暖期按150 d 计算，如果采用普通电采暖，一户189.2m²农宅一个采暖期耗电量Qdc＝18.07×189.2×24×150/1 000≈12 308 kW·h/a。

如果采用太阳能＋空气源热泵（太空能）的采暖方式，其热效比为2.8（检测报告提供），则采暖耗电量Qtc＝12 308/2.8 ≈ 4 396 kW·h/a。

3.3.2 电气照明耗电量

《居民住宅用电负荷配置标准》规定161m²以上的住宅按10kW配置，则189.2m²农宅的用电负荷按10kW配置。根据GB/T 50293－2014《城市电力规划规范》，生活用电水平较低的城市，人均居民生活用电量取500 kW·h（/ 人·a），189.2m²农宅按6人/户计算，则弘德村每户农宅年用电量Qd＝500×6＝3000 kW·h/a。

3.3.3 全年耗电量

建筑全年耗电量Qq＝Qtc＋Qd＝4396＋3000＝7396 kW·h/a。

3.4 光伏屋面发电量计算

弘德村189.2m²的农宅，南向屋面面积为79.52m²，除去检修通道等面积，光伏安装面积可按南向屋面面积的70%左右计算。目前市场常见的光伏板尺寸为2.278m×1.134m，则南向屋面可安装22块56.83m²的光伏板。

每块光伏板发电功率为560W左右，则发电量为12.32kW。根据宁夏地区光伏企业提供的数据，1kW发电板年均发电量为1500kW·h。12.32kW光伏板年平均可有效发电18480kW·h， 完全可以满足农宅全年的总用电需求。

3.5 建筑节能计算分析

弘德村超低能耗农宅耗热量指标为18.07W/m²，如果按照相同建筑面积、平面布局及建筑层数,计算对比建筑（1980年）的单位面积耗热量指标为106.6W/m²，相比之下，弘德村超低能耗农宅本体节能率为83%。如果安装56.83m²的光伏发电系统，并利用太阳能蒸发器和空气源热泵系统采暖的情况下，一户农宅光伏发电可满足建筑的全部用电需求，同时可多发电11084kW·h/a。

 4 结 语 

笔者基于吴忠市红寺堡镇弘德村农宅现状的调研，对现有农宅存在的问题进行分析，针对宁夏地区农村住宅保温性能差、门窗气密性不高、建筑耗能高等问题，结合宁夏地区气候寒冷、风沙大、日照强等特点，对建筑设计方案进行了优化。如此因地制宜地利用现有超低能耗建筑技术和可再生能源利用技术，同时对宁夏地区农村住宅进行方案优化设计与适宜性技术研究，可为宁夏地区超低能耗农宅建设提供技术支持。