周学翀，刘永旺，卢兴超，赵树旗，李宗明

(1.北京工业大学城建学部，北京 100124；2.中国建筑设计研究院有限公司，北京 100044)

厕所是衡量一个国家和地区文明程度的重要标志，乡村厕所是乡村人居环境的重要内容[1]。习总书记提出要把厕所革命作为乡村振兴战略的一项重要工作来推进[2]。国务院发布了《关于实施乡村振兴战略的意见》，指出应坚持不懈推进乡村“厕所革命”，大力开展乡村户用卫生厕所建设和改造，同步实施粪污处理[3]。

我国乡村地区覆盖范围广阔，乡村厕所呈现跨气候、跨地域、跨文化的分布特性。当前，乡村厕所建造方面缺乏对不同地域的气候进行适应性调整或改变。现有的乡村厕所建造技术研究多从乡村厕所技术类型的角度出发，通过实地调研，挖掘不同类型乡村厕所的优势及其局限性，或结合调研及数据分析评价某一特定地区改厕技术的适用效果，缺少以气候适应性为立意，对全国乡村厕所建造技术进行系统性分析的研究。本文从五大建筑气候区出发，依据经济性原则，积极探索基于气候适应性的乡村厕所建设方案，为乡村厕所建设提供参考。

1 不同气候区乡村厕所痛点与需求分析

1.1 厕所痛点

我国乡村无害化卫生厕所普及率从2000年的19.3%，提升到2017年的62.7%，2018年以来累计新改建乡村厕所3 000多万户[4]。随着厕所革命的持续推进，诸多问题逐渐暴露，部分地区忽视当地的气候自然条件，生搬硬套其他地区的改厕方案，同时厕所建造技术“一刀切”，造成改厕效果不如预期，民众改厕意愿低。虽然我国在乡村厕所建造技术方面也进行了诸多探索和实践，但仍停留在厕所类型的地域差异性选择上，基于气候适应性的厕所建造体系的研究仍然较为稀缺。

1.2 建设需求

我国气候区划分为严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区、温和地区[5]。不同的气候区的温度、湿度、太阳辐射等对乡村厕所的建设提出了不同需求，为了明确厕所建筑和气候两者的科学关系，依据5个建筑气候区的地理气候条件，同时参考《农村居住建筑节能设计标准》(GB/T 50824—2013)等相关标准规范[6-9]，提出了不同气候区的厕所建设需求，结果如表1所示。明确了温度是不同地区乡村建筑设计着重考虑的气候因素，与温度相关联的建设要素呈现出明显的地域差异性。

表1 乡村厕所建设痛点与需求Tab.1 Construction Demand and Pain Points of Rural Toilets

2 气候适应性乡村厕所建设内容

根据上述论述与相关规范文献[10-12]，气候适应性乡村厕所建造体系将着重在厕屋建造方面，依据经济性原则，将厕所建造内容分为屋面、地面、外墙、门窗和排污设施5个部分，明确了不同气候区的乡村厕所建造的具体措施。

2.1 强化屋面保温隔热性能

2.1.1 顺其自然的屋顶类型

屋顶是乡村厕所最上部的围护界面，在外围护结构总面积中占比为20%～50%，屋顶对气候的防护能力直接影响乡村厕所的室内空间舒适度。严寒与寒冷地区气候寒冷，年降雨量较低，多大风天气，乡村厕所屋顶宜采用平屋顶或缓坡顶(<30°)，外观厚重敦实，以利于保持室内温度和遮蔽风沙。夏热冬冷、夏热冬暖、温和地区气候相对温暖湿润，太阳辐射强度大，降雨偏多，采用出檐较深的缓坡顶(<30°)和陡坡顶(>30°)，可以有效遮阳、通风和排雨。

2.1.2 注重屋面材料的选择

气候条件的地域性差异对屋面的影响直接体现在保温层的选择上[13]。以保证厕所屋面保温隔热性能与使用要求为原则，采用易于获得、热工性能较好的憎水性轻质保温材料：可发性聚苯乙烯泡沫(EPS)、挤塑聚苯乙烯泡沫(XPS)、硬质聚氨酯泡沫塑料(PUR)等。根据《农村居住建筑节能设计标准》(GB/T 50824—2013)对农村居住建筑屋顶传热系数K和热惰性指标D的规定，可以计算得各种屋面保温层的适宜厚度。

2.2 特殊需求的地面构造做法

2.2.1 严寒/寒冷地区的地面保温

地面作为厕所的水平承重与分隔构件，承担防水、保温与隔热的作用。乡村厕所室内地面的构造层次为地基、垫层、防水层和面层，根据使用和构造要求可增设相应的构造层(结合层、找平层、保温层等)[14]。厕所室内地面做法通常是：素土夯实、100 mm厚碎石混凝土、防水层和地砖，一般不作保温层，但是在严寒寒冷地区，冬季易受室外空气与低温土壤的影响，热量散发严重，厕所地面需要铺设保温层。地面保温材料除了常用的聚苯板外，还有农村地区特有的炉渣材料。但如果采用炉渣作为保温材料，厚度需达到500～750 mm，极大增加了土方工程。因此，地面保温材料应主要以聚苯板材料为主。具体构造如图1所示。

图1 厕所聚苯板保温地面构造做法Fig.1 Construction Method of Slag Insulation Floor of Toilets

2.2.2 多雨地区的地面防潮

夏热冬冷、夏热冬暖和温和地区，春夏季节雨水丰润，厕所地下水位较高，地下毛细水容易渗透到表面，使地面潮湿，同时室内空气湿度较大，室内地面温度比空气温度低2 ℃内左右，当湿空气遇到温度低于露点温度的地面，就会发生凝结[15]。因此，应增设防潮层来改善地面的返潮现象，一般在混凝土垫层之上采用聚乙烯塑料薄膜或者聚氨酯防潮底漆作为防潮层，具体构造如图2所示。

图2 聚乙烯防潮地面构造做法Fig.2 Construction Method of Polyethylene Dampproof Ground Layer

2.3 适应气候变化的外墙结构设计

2.3.1 墙体自保温技术

外墙自保温(图3)因其隔热性能佳、质地轻、造价低等优点，在夏热冬冷、夏热冬暖和温和地区的乡村厕所建设中得到了广泛的使用。墙体结构层主要有混凝土空心砖、烧结多孔砖和加气混凝土3种自保温砌块。夏热冬暖地区优先考虑夏季隔热的需求，热惰性指标较大的烧结多孔砖，是更好的选择。而夏热冬冷、温和地区兼顾保温和隔热要求，适宜采用保温效果好、传热系数小的加气混凝土作为墙体结构层。此外，由《农村居住建筑节能设计标准》(GB/T 50824—2013)可知，严寒地区与寒冷地区外墙传热系数限值分别为0.5和0.65，因此，3种自保温砌块构造均超过限值，不适用于外墙自保温体系，需加设墙体保温层。

图3 自保温墙体剖面图Fig.3 Section of Self-Insulated Wall

2.3.2 墙体外保温技术

如图4所示，外墙外保温是在外墙外表面上做保温材料，覆以黏接层，再设外墙装饰构造，相比于其他保温形式，能有效保护墙体，避免产生热桥[16]，广泛应用于保温要求较高的严寒及寒冷地区。采用传热系数低的加气混凝土作为严寒及寒冷地区新建乡村厕所的外保温结构层，保温层则可选择乡村常见的保温板，如EPS板、XPS板等，具体厚度可参考规范或经热工计算得出。

图4 外保温墙体剖面图Fig.4 Section of External Insulated Wall

2.4 基于热工气候的门窗选型

2.4.1 节能外窗

玻璃与框料是影响窗户保温性能主要因素，受制于农村地区经济条件、消费水平和节能观念等因素，热反射玻璃、吸热玻璃等高性能玻璃在农村大面积推广存在困难，普通白板玻璃和中空玻璃在长期一段时间内仍然是乡村厕所主要玻璃材料。木窗框过去曾是农村地区主要的窗户形式，随着经济条件的改善，塑钢窗框因其保温隔热性能好、不易燃的优点，在新建农村建筑中占据了主流。结合农村经济现状和《农村居住建筑节能设计规范》(GB/T 50824—2013)等规范对外窗传热系数的要求，严寒地区宜采用塑钢三玻窗或塑钢low-e中空玻璃窗，寒冷地区可选择塑钢low-e中空玻璃窗，夏热冬冷适宜中空玻璃窗。而夏热冬暖和温和地区对门窗保温性能要求较低，乡村厕所建设采用普通白板玻璃即可。

2.4.2 外门选型

厕所入口是冬季冷风渗透的主要部位。研究显示，门由于开启带来的换气量是在闭合状态下缝隙带来的换气量2～3倍[17]。不同于新建农村住宅设置双层门或门斗以满足保温需求，乡村厕所主要以单层门为主。因此，结合常见户门保温性能和《严寒和寒冷地区农村住房节能技术导则(试行)》的要求，严寒地区宜采用单层金属保温门(K=1.5)，寒冷地区可选择塑钢中空玻璃门(K=2.4)。而保温性能尚可，但性价比较高的塑钢门或木门则适宜夏热冬冷、夏热冬暖和温和地区。

2.5 乡村厕所排水系统设计

2.5.1 化粪池选型

化粪池是处理粪污并加以过滤沉淀的设备，根据住建部《村庄人居环境现状与问题》的调查数据显示，96%的村庄没有铺设下水管网，这使得化粪池成为厕所革命中应用最普遍的农村生活污水预处理设施。严寒寒冷地区冬季寒冷漫长，气温低于0 ℃，化粪池水流容易冻结，影响厕所正常使用。因此，在厕所化粪池设施方面，严寒地区可以选择常规的微水冲双翁漏斗式化粪池或三格式化粪池，同时需要增加化粪池埋深，以确保覆土深度超过当地冻土层厚度。此外，一些新型生态化粪池，如填料型化粪池与折流板型化粪池等，都被证明在低温条件下，也能稳定运行[18]。而夏热冬冷、夏热冬暖和温和地区冬季温度保持在0 ℃以上，自然气候条件对于这些地区预处理设施的选型限制较小，各种污水预处理设施皆可考虑。

2.5.2 低温适应性污水处理工艺

经过化粪池处理后的污水可以作为农用，但处理效果有限，难以直接排放水体，需要对污水进行二级处理。严寒寒冷地区冬季低温，污水处理设施应为地埋式或采取其他保温措施。在居住分散、地形复杂不便于管道收集的单户或多户农户污水可采用分散处理，新建新农村及农户集中居住地区适宜集中连片处理。再根据出水水质要求及地区经济发展水平不同，选择生物处理、生态处理技术及组合。不同治理模式与相对应可供选用的生活污水治理工艺如图5所示。

图5 严寒及寒冷地区厕所污水处理工艺选择Fig.5 Selection of Toilet Sewage Treatment Process in Severe and Cold Areas

3 典型乡村厕所热环境模拟分析

使用DesignBuilder软件对上述典型厕所建造方案进行热环境模拟，以进一步验证典型乡村厕所建造方案的气候适应性，从5个建筑热工设计分区中挑选具有气候代表性的地点，模型中围护结构各项参数均参考《农村居住建筑节能设计标准》(GB/T 50824—2013)与《民用建筑建设热工设计规范》(GB 50176—2016)等标准中对应项的限值设置，各建筑气候区乡村厕所建设方案主要模拟参数如表2所示。乡村厕所面积为6 m2，室内净高为2.7 m，无采暖设施，自然通风进行换气，其他设置采用默认参数。

表2 各气候区主要建筑模拟参数设置Tab.2 Setting of Main Simulation Parameters of Building Structure in Each Climate Area

模拟结果如图6所示，热舒适度PMV最低值为-1.53，出现在1月严寒地区典型乡村厕所，参考PMV指标分级表(表3)可知，室内整体热感觉为凉。热舒适度PMV最高值为1.19，出现在7月的夏热冬冷地区典型厕所，厕所室内热感觉为微暖。面向气候区的典型乡村厕所室内热环境在全年中多数时间满足《民用建筑室内热湿环境评价标准》(GB/T 50785—2012)的Ⅰ级环境标准，总体而言，面向气候区的典型乡村厕所室内热环境基本符合人体对如厕热舒适度的预期需求。

图6 典型乡村厕所PMV热舒适度变化曲线Fig.6 PMV Thermal Comfort Curve of Typical Rural Toilets

表3 PMV分度表Tab.3 PMV Classification Table

4 结论

本文在实地调研与资料分析的基础上，充分尊重各地的人文环境、气候特征，结合乡村地区实际经济条件，针对性地提出了基于气候适应性的乡村厕所建设内容，从屋面、地面、外墙、门窗、排污系统5个方面，提出了具体的建造技术措施，在此基础上，构建面向气候区的乡村厕所建造典型方案，并通过热环境模拟，验证了典型乡村厕所建设方案的技术可行性，以期为厕所革命的推进提供相对科学的参考。